Il presupposto della qualità del vapore
La maggior parte delle specifiche degli scambiatori di calore in PTFE includono la pressione e la temperatura del vapore. Pochi includono parametri di qualità del vapore-frazione di secchezza, surriscaldamento,-contenuto di gas non condensabile e purezza chimica. Il presupposto è che il vapore standard dell’impianto sia adeguato. Questa ipotesi è spesso errata.
Il vapore dell'impianto trasporta tracce di sostanze chimiche presenti nella caldaia, solidi disciolti derivanti dal riporto e quantità variabili di acqua trascinata. Per gli scambiatori di calore metallici, questi contaminanti colpiscono principalmente il lato vapore attraverso processi lenti di incrostazione e corrosione gestiti attraverso il trattamento dell'acqua della caldaia. Per gli scambiatori di calore in PTFE, gli effetti differiscono perché il materiale non si corrode né si incrosta.
Tuttavia, alcune carenze nella qualità del vapore possono danneggiare gli scambiatori in PTFE attraverso meccanismi non correlati alla corrosione. Il vapore surriscaldato può superare la temperatura di servizio continuo dei materiali di supporto. I solidi della caldaia trascinati possono erodere le superfici in PTFE ad alte velocità. I gas non-condensabili possono ricoprire le superfici di trasferimento del calore. Specificare e verificare la qualità del vapore previene questi problemi evitabili.
Frazione di secchezza: il parametro critico
La frazione di secchezza del vapore è la percentuale in massa di vapore nella miscela di vapore-acqua. Il vapore saturo al 100% di secchezza non contiene gocce d'acqua trascinate. Il vapore dell'impianto arriva tipicamente al 95-98% di secchezza, trasportando il 2-5% di acqua in massa.
Per gli scambiatori di calore in PTFE, la bassa frazione di secchezza crea due problemi. Le goccioline d'acqua trascinate alla pressione della caldaia trasportano solidi disciolti-sodio, silice, fosfati- che si depositano all'interno dei tubi in PTFE mentre l'acqua evapora. Questi depositi non sono corrosivi per il PTFE, ma isolano la parete del tubo e riducono il trasferimento di calore. Nel corso dei mesi, i solidi accumulati possono ostruire parzialmente i fori dei tubi.
Ancora più significativo, l'acqua trascinata ad alta velocità provoca l'erosione della superficie del PTFE. Le gocce d'acqua che colpiscono la parete del tubo a velocità del vapore di 20-30 m/s creano un irruvidimento superficiale localizzato. L’effetto è minore nel breve termine ma cumulativo negli anni di servizio.
Per gli scambiatori di calore in PTFE in servizio continuo si consiglia una frazione di secchezza pari o superiore al 98%. Ciò si ottiene attraverso un'adeguata separazione del vapore nella caldaia e una rete di vapore adeguatamente dimensionata con un adeguato drenaggio.
Tabella 1: Specifiche della qualità del vapore per il servizio dello scambiatore di calore in PTFE
| Parametro di qualità del vapore | Limite consigliato | Conseguenza del superamento del limite | Metodo di misurazione |
|---|---|---|---|
| Frazione di secchezza | Maggiore o uguale al 98% | Deposizione di solidi; erosione agli ingressi dei tubi | Calorimetro di limitazione |
| Surriscaldamento (sopra la saturazione) | Inferiore o uguale a 10 gradi | Supera la classificazione del materiale di supporto; rischio di degrado termico per i componenti in PVDF | Sonda di temperatura a monte dello scambiatore |
| Gas non-condensabili (CO₂, O₂, N₂) | Inferiore o uguale allo 0,5% in volume | Coperture per il trasferimento di calore; superficie effettiva ridotta | Solubilità dei gas o analisi Orsat |
| Solidi totali disciolti nel condensato | Inferiore o uguale a 10 ppm | Incrostazione interna del tubo; valore U-ridotto | Conduttimetro su campione di condensa |
| Riporti chimici del trattamento caldaia | Ammine Inferiore o uguale a 1 ppm; spazzini di ossigeno Inferiori o uguali a 0,5 ppm | Rischio di permeazione se i fluidi del lato-tubo e del lato-involucro devono rimanere separati | Analisi di ioni specifici |
| Particolato (incrostazioni nei tubi, ruggine) | Dimensione delle particelle inferiore o uguale a 100 μm | Blocco dell'ingresso del tubo; erosione in corrispondenza delle curve | Ispezione del filtro in-linea |
Limiti di surriscaldamento
Il vapore surriscaldato viene riscaldato al di sopra della sua temperatura di saturazione ad una determinata pressione. Un lieve surriscaldamento di 5-10 gradi è comune negli impianti in cui il vapore percorre lunghe distanze dalla caldaia. Livelli di surriscaldamento più elevati si verificano quando le caldaie funzionano con surriscaldatori.
La preoccupazione per gli scambiatori di calore in PTFE non è il tubo in PTFE stesso, che tollera 260 gradi. La preoccupazione è il sistema di supporto. Le piastre di supporto in PVDF hanno un limite di servizio continuo di 150 gradi. Se nello scambiatore entra vapore surriscaldato a 180-200 gradi, la sezione della testata non immersa e le prime piastre di supporto vedono temperature superiori al loro valore nominale.
Il surriscaldamento superiore a 10 gradi deve essere eliminato da un desurriscaldatore-un sistema di iniezione d'acqua che riduce la temperatura del vapore alla saturazione-prima che il vapore entri nello scambiatore in PTFE. In alternativa, dovrebbero essere specificati i materiali di supporto classificati per la massima temperatura di surriscaldamento possibile.
Gas non-condensabili
L'aria e l'anidride carbonica entrano nei sistemi a vapore durante l'avvio della caldaia, attraverso le valvole rompivuoto e dalla decomposizione dei prodotti chimici per il trattamento della caldaia. Questi gas non-condensabili non si condensano con il vapore. Si accumulano nello scambiatore di calore, formando una coltre di gas stagnante sul lato vapore della parete del tubo.
La coperta antigas è un isolante efficace. Il trasferimento di calore attraverso lo strato di gas avviene solo per conduzione, senza apporto di calore latente. Una concentrazione di gas pari solo all'1% in volume può ridurre il coefficiente di scambio termico effettivo del 10-15% nella zona interessata.
La scelta corretta dello scaricatore di condensa con-capacità di sfiato dell'aria incorporata-prese d'aria termostatiche o galleggiante-e-trappole termostatiche-rimuove continuamente i gas non{5}condensabili dallo scambiatore. Il sistema a vapore dovrebbe includere prese d'aria in tutti i punti alti in cui i gas possono accumularsi.
Riepilogo
Le prestazioni affidabili dello scambiatore di calore in PTFE richiedono parametri di qualità del vapore che vanno oltre la pressione e la temperatura. Una frazione di secchezza minima del 98% previene la deposizione di solidi e l'erosione. Il surriscaldamento dovrebbe essere limitato a 10 gradi sopra la saturazione per proteggere i materiali di supporto. Il contenuto di gas non-condensabile deve essere mantenuto al di sotto dello 0,5% attraverso un'adeguata ventilazione dell'aria e la selezione dello scaricatore di vapore.
Queste specifiche, se incluse nell'approvvigionamento dello scambiatore e nella progettazione del sistema del vapore, garantiscono che lo scambiatore di calore in PTFE offra le prestazioni termiche di progettazione per tutta la sua durata di servizio senza incrostazioni sui lati del vapore-o degrado del materiale di supporto.
Le raccomandazioni tecniche per il miglioramento della qualità del vapore nelle installazioni esistenti di scambiatori di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione delle misurazioni attuali della qualità del vapore, dei dati sulle prestazioni dello scambiatore e di qualsiasi incrostazione interna osservata o degrado del supporto.
