Il martello per l'avvio a freddo
Lunedì mattina, 6:00. Lo scambiatore di calore in PTFE-con arresto nel fine settimana è costituito da tubi-freddi, collettori e tubazioni della condensa a temperatura ambiente. La valvola di erogazione del vapore si apre. Nel giro di pochi secondi, una serie di forti colpi echeggia attraverso le tubazioni. L'intero scambiatore trema. Gli operatori sussultano. Il rumore diminuisce dopo 2-3 minuti man mano che il sistema si riscalda, ma i danni-fatica ai raccordi, connessioni allentate, micro-fessure nelle pareti dei tubi si accumulano ad ogni avvio a freddo.
Questo scenario si ripete in centinaia di strutture perché la progettazione del sistema a vapore e la procedura di avvio non tengono conto delle condizioni uniche di uno scambiatore di calore in PTFE freddo. Il martello non è una caratteristica intrinseca del PTFE. Si tratta di un difetto correggibile nell'installazione o nella procedura operativa.
Il meccanismo di raggruppamento della condensa
Quando uno scambiatore di calore in PTFE si spegne e si raffredda, il vapore all'interno dei tubi si condensa completamente. La condensa si accumula nelle sezioni più basse del fascio tubiero e nel collettore della condensa. A differenza di uno scambiatore metallico, che trattiene abbastanza calore da mantenere la condensa prossima all'ebollizione per un certo tempo dopo lo spegnimento, la bassa massa termica del PTFE consente ai tubi di raffreddarsi rapidamente. La condensa raggiunge la temperatura ambiente entro un'ora.
Quando il vapore viene immesso nello scambiatore freddo, incontra questa vasca di condensa fredda. Il vapore condensa violentemente a contatto con il liquido freddo, creando un vuoto localizzato. La condensa circostante si precipita a riempire il vuoto, scontrandosi con la parete del tubo e creando il caratteristico colpo d'ariete. Si tratta di un colpo d'ariete indotto dal vapore-, distinto dal colpo d'ariete a due fasi-che si verifica durante il funzionamento stabile.
Il martello persiste finché la condensa accumulata non viene riscaldata fino a raggiungere una temperatura prossima alla saturazione o fisicamente eliminata dai tubi dal flusso di vapore. La durata del periodo di martello dipende dal volume della condensa accumulata e dalla velocità di immissione del vapore.
| Fattore martello | Installazione problematica | Installazione corretta |
|---|---|---|
| Accumulo di condensa dopo lo spegnimento | Condensa intrappolata nei punti bassi e nel collettore del tubo | Drenaggio completo tramite tubi adeguatamente inclinati e valvole di scarico |
| Tasso di ammissione al vapore | La massima pressione del vapore viene applicata istantaneamente | Riscaldamento graduale-con una piccola valvola di bypass |
| Condizione dello scaricatore di condensa durante l'avvio | Sifone chiuso (freddo); la condensa non può fuoriuscire | Il bypass dello scaricatore aperto o l'elemento termostatico consentono il drenaggio |
| Configurazione linea condensa | Tasca o abbassamento a valle dello scaricatore; la condensa non può defluire | Pendenza continua verso il basso verso il ricevitore della condensa |
| Pendenza del fascio tubiero | Tubi livellati o inclinati all'indietro-; la condensa non può defluire | Pendenza minima 1:100 verso il collettore della condensa |
Le pratiche correttive di installazione
Il drenaggio completo della condensa durante l'arresto è la difesa principale contro i colpi di martello all'avvio a freddo. Il fascio tubiero in PTFE deve essere installato con una pendenza continua verso il basso di almeno 1:100 (1 cm per metro di lunghezza del tubo) verso il collettore della condensa. Il collettore della condensa stesso deve essere inclinato verso lo scaricatore di condensa. In nessun punto del percorso di drenaggio possono essere tollerati punti bassi, abbassamenti o sacche.
Una valvola di scarico manuale o automatica nel punto più basso del sistema di condensa consente il drenaggio completo dei tubi dopo lo spegnimento. La valvola di drenaggio deve essere aperta come parte della procedura di arresto e rimanere aperta fino alla riammissione del vapore. Per i sistemi automatizzati, una valvola di scarico termostatica si apre quando la temperatura scende al di sotto di un setpoint, scaricando la condensa senza l'intervento dell'operatore.
Uno scaricatore di condensa con sfiato d'aria termostatico fornisce un percorso di drenaggio durante le condizioni di freddo. Le trappole termostatiche-e-a galleggiante standard includono un elemento termostatico che è aperto quando fa freddo, consentendo alla condensa e all'aria di passare liberamente durante l'avvio. L'elemento si chiude all'innalzarsi della temperatura ripristinando il normale funzionamento dello scaricatore.
La procedura di riscaldamento-controllato
Anche con un drenaggio adeguato, durante l'immissione iniziale del vapore si formerà della condensa. Una procedura di riscaldamento-controllata limita la velocità di formazione di questa condensa e previene il colpo d'ariete.
La valvola di erogazione del vapore deve essere aperta lentamente-roccata per consentire inizialmente un piccolo flusso di vapore. Il metodo preferito è una piccola valvola di bypass (15-20 mm) attorno alla valvola principale del vapore. Il bypass consente ad un flusso controllato e basso di vapore di riscaldare gradualmente lo scambiatore. L'operatore apre il bypass e attende finché la tubazione della condensa risulta calda al tatto-indicando che i tubi sono al di sopra della temperatura di condensazione, prima di aprire la valvola principale del vapore.
Il periodo di riscaldamento- richiede in genere 3-5 minuti per uno scambiatore piccolo e 10-15 minuti per uno grande. Il tempo può essere automatizzato con un sensore di temperatura sull'uscita della condensa che interblocca la valvola principale del vapore, impedendole di aprirsi finché la temperatura della condensa non raggiunge un setpoint.
Il vantaggio a lungo termine-
L'eliminazione del martello di avvio a freddo prolunga la durata dello scambiatore di calore in PTFE e dei componenti del sistema a vapore collegati. Lo shock ripetuto del colpo d'ariete affatica i raccordi a compressione, allenta le connessioni dei collettori e può eventualmente causare la rottura della parete del tubo nei punti di concentrazione delle sollecitazioni. Gli scaricatori di condensa e le valvole di controllo, soggette alle onde d'urto, richiedono una manutenzione più frequente.
L'investimento in una pendenza di drenaggio adeguata, in valvole di scarico e in un bypass di riscaldamento- viene recuperato grazie a una manutenzione ridotta e a una maggiore durata delle apparecchiature. L'eliminazione dei caratteristici colpi del lunedì mattina è un gradito bonus per gli operatori.
Riepilogo
Il colpo d'ariete durante l'avvio a freddo di uno scambiatore di calore in PTFE è causato dalla violenta condensazione del vapore nella condensa fredda accumulata. La correzione prevede la garanzia del drenaggio completo della condensa dopo lo spegnimento attraverso un'adeguata pendenza del tubo e valvole di drenaggio, l'installazione di uno scaricatore di condensa con capacità di drenaggio del freddo e l'implementazione di una procedura di riscaldamento-controllata utilizzando una piccola valvola di bypass. Queste misure eliminano il martello, proteggono l'attrezzatura e prolungano la durata dell'intero sistema a vapore.
Il supporto tecnico per la progettazione del sistema a vapore con scambiatore di calore in PTFE e lo sviluppo della procedura di avvio è disponibile previa presentazione della configurazione attuale delle tubazioni, della pressione del vapore, della frequenza di spegnimento e degli incidenti osservati con il martello.
