Il sottoraffreddamento che cambia il regime di scambio termico
Un impianto di trattamento chimico che utilizza uno scambiatore di calore in PTFE con vapore a 6 bar (temperatura satura di 165 gradi) segnala che la produzione di calore è inferiore al valore di progetto e il consumo di vapore è superiore al previsto. La condensa scarica a 163 gradi, che indica 2 gradi di sottoraffreddamento.
Lo scambiatore di calore è progettato per un carico termico di 80 kW con un coefficiente del film di vapore condensante di 5.000 W/m²·K. La potenza termica effettiva è di 68 kW, ovvero il 15% inferiore al valore di progetto. Il consumo di vapore è superiore del 15% rispetto a quanto previsto.
Il problema è il sottoraffreddamento della condensa. Il basso sottoraffreddamento fa sì che la condensa venga scaricata quasi alla temperatura di saturazione e che la pellicola di condensa sulla superficie del tubo sia spessa. Il film spesso aggiunge una resistenza termica che riduce il coefficiente di trasferimento del calore e la resa termica.
Aumentando il sottoraffreddamento a 8-12 gradi si assottiglierebbe il film di condensa, si aumenterebbe il coefficiente di trasferimento del calore e si ripristinerebbe la potenza termica al valore di progetto. Il sottoraffreddamento più elevato ridurrebbe anche il consumo di vapore perché è necessario meno vapore per lo stesso carico termico.
Perché il sottoraffreddamento assottiglia il film di condensa
Il film di condensa sulla superficie del tubo è lo strato liquido che si forma quando il vapore condensa. Lo spessore del film dipende dalla velocità di condensazione, dalla viscosità della condensa e dalla velocità di drenaggio.
Quando la condensa viene sottoraffreddata, lo strato liquido sulla superficie del tubo ha una temperatura inferiore rispetto al vapore saturo. La temperatura più bassa aumenta la viscosità e la tensione superficiale della condensa, favorendo il drenaggio e riducendo lo spessore del film. Il film più sottile ha una resistenza termica inferiore e un coefficiente di trasferimento termico più elevato.
L'effetto del sottoraffreddamento sullo spessore del film è modesto con un sottoraffreddamento basso ma diventa significativo con un sottoraffreddamento più elevato. Per un sottoraffreddamento di 10 gradi, lo spessore del film può essere inferiore del 20–30% rispetto a un sottoraffreddamento pari a zero e il coefficiente di trasferimento del calore può essere superiore del 15–25%.
La gamma di sottoraffreddamento ottimale
L'intervallo di sottoraffreddamento ottimale per uno scambiatore di calore in PTFE nel servizio vapore è determinato dal compromesso-tra il vantaggio del trasferimento di calore e la perdita di calore sensibile nel condensato.
Il beneficio del trasferimento di calore aumenta con il sottoraffreddamento perché il film di condensa si assottiglia e il coefficiente di trasferimento del calore aumenta. La perdita di calore sensibile aumenta con il sottoraffreddamento perché la condensa porta via più calore che avrebbe potuto essere utilizzato per riscaldare il fluido di processo.
Per uno scambiatore di calore in PTFE con un coefficiente del film di vapore condensante di 5.000 W/m²·K e un coefficiente del film sul lato processo-di 1.000 W/m²·K, il sottoraffreddamento ottimale è generalmente di 8–12 gradi. Al di sotto di 8 gradi, la pellicola è spessa e il coefficiente di trasferimento del calore è basso. Al di sopra di 12 gradi, la perdita di calore sensibile supera il vantaggio del trasferimento di calore.
Il sottoraffreddamento ottimale è maggiore per gli scambiatori di calore con un coefficiente di condensazione elevato e inferiore per gli scambiatori di calore con un coefficiente di condensazione basso. Il valore ottimale dipende anche dalla pressione del vapore e dalla temperatura di processo.
L'effetto del sottoraffreddamento sul consumo di vapore
Il consumo di vapore è determinato dal carico termico e dal calore latente del vapore. Il calore latente viene rilasciato quando il vapore condensa alla temperatura di saturazione. Il calore sensibile viene rilasciato quando la condensa si raffredda al di sotto della temperatura di saturazione.
Per un vapore a 6 bar con un calore latente di 2.085 kJ/kg e un calore specifico di 4,2 kJ/kg·K, il calore sensibile rilasciato da 10 gradi di sottoraffreddamento è 42 kJ/kg, ovvero circa il 2% del calore latente. Il calore totale rilasciato per chilogrammo di vapore è di 2.127 kJ/kg, ovvero il 2% in più rispetto al solo calore latente.
Il rilascio di calore aggiuntivo riduce il consumo di vapore di circa il 2% per 10 gradi di sottoraffreddamento. La riduzione è piccola in termini assoluti ma diventa significativa dopo un anno di funzionamento continuo.
La riduzione del consumo di vapore è maggiore se il sottoraffreddamento consente un coefficiente di scambio termico più elevato e una temperatura del vapore più bassa. Una temperatura del vapore più bassa riduce la perdita di calore dalle tubazioni del vapore e dall'involucro dello scambiatore di calore.
L'effetto del sottoraffreddamento sulla temperatura della parete del tubo
Il sottoraffreddamento influenza la temperatura della parete del tubo attraverso lo spessore del film di condensa. Una pellicola più sottile ha una resistenza termica inferiore, che riduce la differenza di temperatura tra il vapore e la parete del tubo per un dato flusso di calore.
La temperatura più bassa della parete del tubo riduce il tasso di degradazione del PTFE e prolunga la durata dello scambiatore di calore. L’effetto è piccolo con un sottoraffreddamento basso ma diventa significativo con un sottoraffreddamento più elevato.
Per un flusso di calore di 2,0 W/cm² e un coefficiente di condensazione di 5.000 W/m²·K, la differenza di temperatura attraverso il film di condensa è di 4 gradi con sottoraffreddamento pari a zero e di 3 gradi con sottoraffreddamento di 10 gradi. La riduzione di 1 grado della differenza di temperatura riduce la temperatura della parete del tubo di 1 grado, prolungando la durata di circa il 5%.
Quantificazione dell'effetto di sottoraffreddamento
La tabella seguente riassume il coefficiente di trasferimento di calore, la potenza termica e il consumo di vapore per diversi livelli di sottoraffreddamento in uno scambiatore di calore in PTFE con vapore a 6 bar e una temperatura di processo di 80 gradi.
| Sottoraffreddamento | Spessore del film di condensa | Coefficiente di condensazione | Coefficiente complessivo | Potenza termica | Consumo di vapore | Temperatura della parete del tubo |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 gradi | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 chilowatt | 100% | 168 gradi |
| 2 gradi | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 chilowatt | 99% | 167 gradi |
| 5 gradi | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 chilowatt | 97% | 166 gradi |
| 8 gradi | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76kW | 95% | 165 gradi |
| 10 gradi | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 chilowatt | 94% | 164 gradi |
| 12 gradi | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 chilowatt | 93% | 163 gradi |
| 15 gradi | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82kW | 92% | 162 gradi |
| 20 gradi | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 chilowatt | 90% | 161 gradi |
I valori di potenza termica e consumo di vapore sono normalizzati al caso di sottoraffreddamento pari a zero. La temperatura della parete del tubo è la temperatura della superficie del tubo a contatto con il vapore.
I limiti pratici del sottoraffreddamento
I limiti pratici del sottoraffreddamento sono determinati dal design dello scambiatore di calore e dalle prestazioni dello scaricatore di vapore.
Zona dello scambiatore di calore.Un'area più ampia dello scambiatore di calore consente un maggiore sottoraffreddamento poiché la condensa ha più tempo per raffreddarsi. Un'area più piccola limita il sottoraffreddamento.
Drenaggio della condensa.La condensa deve defluire liberamente dallo scambiatore di calore per consentire lo sviluppo del sottoraffreddamento. Uno scambiatore di calore scarsamente drenato ha un sottoraffreddamento basso.
Trappola di vapore.Lo scaricatore di condensa deve essere in grado di scaricare la condensa sottoraffreddata. Uno scaricatore dimensionato per la condensa satura potrebbe non scaricare correttamente la condensa sottoraffreddata.
Temperatura di processo.Il sottoraffreddamento è limitato dalla temperatura di processo. La condensa non può essere sottoraffreddata al di sotto della temperatura di processo.
Pressione del vapore.Il sottoraffreddamento è limitato dalla pressione del vapore. Una pressione del vapore più elevata fornisce un maggiore potenziale di sottoraffreddamento perché la temperatura di saturazione è più elevata.
Caratteristiche di progettazione che promuovono il sottoraffreddamento
Numerose caratteristiche di progettazione favoriscono il sottoraffreddamento in uno scambiatore di calore in PTFE.
Sezione di sottoraffreddamento condensa.Una sezione di sottoraffreddamento separata all'uscita della condensa consente alla condensa di raffreddarsi al di sotto della temperatura di saturazione. La sezione di sottoraffreddamento è una piccola area di trasferimento del calore esposta al fluido di processo.
Drenaggio per gravità.Uno scambiatore di calore installato con una pendenza continua verso il basso consente alla condensa di defluire liberamente e di raffreddarsi mentre scorre verso l'uscita.
Bassa velocità del vapore.Una bassa velocità del vapore riduce il trascinamento della condensa e consente alla condensa di drenare e raffreddarsi.
Dimensionamento corretto dello scaricatore di vapore.Uno scaricatore di condensa dimensionato per il flusso di condensa sottoraffreddata consente alla condensa di fuoriuscire senza evaporazioni.
Isolamento.L'isolamento delle tubazioni del vapore e dell'involucro dello scambiatore di calore riduce la perdita di calore e consente alla condensa di raffreddarsi gradualmente.
Confronto degli obiettivi di sottoraffreddamento per diverse applicazioni
La tabella seguente riassume l'obiettivo di sottoraffreddamento consigliato per diverse applicazioni di riscaldamento a vapore con uno scambiatore di calore in PTFE.
| Applicazione | Pressione del vapore | Temperatura di processo | Sottoraffreddamento consigliato | Miglioramento della produzione di calore | Riduzione del consumo di vapore |
|---|---|---|---|---|---|
| Riscaldamento del bagno galvanico | 4 bar | 60 gradi | 8-10 gradi | 10–12% | 4–5% |
| Riscaldamento del reattore chimico | 6 bar | 80 gradi | 10-12 gradi | 12–15% | 5–7% |
| Riscaldamento della macchina per tintura | 8 bar | 130 gradi | 6–8 gradi | 8–10% | 3–4% |
| Riscaldamento del bagno di anodizzazione | 4 bar | 20 gradi | 12-15 gradi | 15–18% | 6–8% |
| Riscaldamento dell'evaporatore | 10 bar | 150 gradi | 5–7 gradi | 6–8% | 2–3% |
| Servizio di sterilizzazione | 3 bar | 121 gradi | 10-12 gradi | 12–15% | 5–7% |
Il miglioramento della potenza termica e la riduzione del consumo di vapore sono relativi al caso di sottoraffreddamento zero. Gli obiettivi di sottoraffreddamento consigliati si basano sull'equilibrio ottimale tra il beneficio del trasferimento di calore e la perdita di calore sensibile.
Parametri di specifica per il controllo del sottoraffreddamento
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio di riscaldamento a vapore devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Pressione del vapore.Specificare la pressione di alimentazione del vapore e la temperatura di saturazione.
Temperatura di processo.Specificare la temperatura del fluido di processo e la temperatura di avvicinamento.
Carico termico.Specificare il carico termico e l'intervallo previsto.
Obiettivo del sottoraffreddamento.Specificare l'obiettivo di sottoraffreddamento consigliato in base alla pressione del vapore e alla temperatura di processo.
Drenaggio della condensa.Specificare l'orientamento dello scambiatore di calore e il percorso di drenaggio.
Trappola di vapore.Specificare il tipo di scaricatore di condensa e i criteri di dimensionamento della condensa sottoraffreddata.
Sezione di sottoraffreddamento condensa.Specificare se è prevista una sezione di sottoraffreddamento separata.
Monitoraggio della temperatura.Specificare i sensori di temperatura e il metodo di monitoraggio per monitorare il sottoraffreddamento.
Adattamento del sottoraffreddamento alle condizioni di riscaldamento a vapore
Il sottoraffreddamento della condensa influisce sul coefficiente di trasferimento del calore, sulla potenza termica e sul consumo di vapore in uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio di riscaldamento a vapore. Un sottoraffreddamento di 8–12 gradi è ottimale per la maggior parte delle applicazioni. Un sottoraffreddamento maggiore assottiglia il film di condensa, aumenta il coefficiente di trasferimento del calore e riduce il consumo di vapore.
Il sottoraffreddamento deve essere controllato attraverso la progettazione dello scambiatore di calore e la selezione dello scaricatore di vapore. Una sezione di sottoraffreddamento separata ed uno scaricatore di condensa opportunamente dimensionato consentono lo sviluppo del sottoraffreddamento senza compromettere il drenaggio della condensa.
Per gli impianti di riscaldamento a vapore che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, l'obiettivo del sottoraffreddamento deve essere specificato nei documenti di approvvigionamento e verificato al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore potrebbe non includere disposizioni per il sottoraffreddamento e la potenza termica risultante potrebbe essere inferiore al previsto.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per il riscaldamento del vapore o altri servizi di condensazione possono richiedere una revisione del progetto riguardante la pressione del vapore, la temperatura di processo, il carico termico, l'obiettivo del sottoraffreddamento, il drenaggio della condensa e la selezione dello scaricatore di vapore per confermare che l'unità sia adatta alle effettive condizioni del vapore e alla struttura dei costi operativi dell'impianto.
