Il bilancio del sottoraffreddamento
La condensa lascia uno scambiatore di calore in PTFE riscaldato a vapore-a una temperatura inferiore alla temperatura di saturazione del vapore. Questa differenza di temperatura è il grado di sottoraffreddamento. Se la condensa viene scaricata troppo calda-con un sottoraffreddamento insufficiente-si trasforma in vapore nella linea di ritorno della condensa a-pressione inferiore. Il vapore di evaporazione rappresenta l'energia persa che deve essere sostituita dalla caldaia. Se la condensa viene sottoraffreddata eccessivamente, la linea della condensa diventa fredda e il rischio di colpi d'ariete dovuti alla condensazione delle sacche di vapore diminuisce-ma lo scambiatore di calore potrebbe funzionare con tubi allagati, riducendo la superficie effettiva.
Il grado di sottoraffreddamento ottimale bilancia questi fattori concorrenti. Fornisce un raffreddamento sufficiente per ridurre al minimo la perdita di vapore di evaporazione mantenendo la temperatura della condensa sufficientemente elevata da garantire che i tubi dello scambiatore di calore non siano allagati da condensa di ristagno.
Per gli scambiatori di calore in PTFE, l'intervallo di sottoraffreddamento ottimale differisce leggermente da quello degli scambiatori metallici perché i tubi in PTFE hanno una massa termica inferiore e rispondono più rapidamente alle variazioni del livello della condensa.
Il meccanismo del vapore flash
La condensa alla temperatura e alla pressione di saturazione contiene calore sensibile all'entalpia di saturazione. Quando questa condensa passa attraverso lo scaricatore di condensa in una linea di ritorno a pressione inferiore-, l'entalpia in eccesso fa sì che una parte della condensa si trasformi rapidamente in vapore. La frazione che lampeggia è: Frazione flash=(hf1 - hf2) / hfg2, dove hf1 è l'entalpia di condensa alla pressione a monte, hf2 è l'entalpia di condensa alla pressione a valle e hfg2 è il calore latente alla pressione a valle.
Per lo scarico della condensa da un sistema a 3 barg (143 gradi) in una linea di ritorno atmosferico (100 gradi), la frazione di flash è di circa il 10%. Un chilogrammo di condensa produce 0,1 kg di vapore flash. Questo vapore evaporato viaggia lungo la linea di ritorno, spesso sfogandosi nell'atmosfera nel ricevitore della condensa. Il vapore perduto deve essere sostituito mediante un'ulteriore accensione della caldaia.
Il sottoraffreddamento della condensa prima che passi attraverso la trappola riduce la frazione di flash. Con un sottoraffreddamento di 10 gradi (scarica a 133 gradi invece di 143 gradi), la frazione di flash scende a circa il 6%. Con un sottoraffreddamento di 20 gradi, scende al 2%.
Tabella 1: Relazione tra vapore istantaneo e sottoraffreddamento (vapore a 3 barg, ritorno della condensa atmosferica)
| Temperatura di scarico della condensa (gradi) | Grado di sottoraffreddamento (gradi) | Frazione di vapore flash (%) | Perdita di energia (kW per servizio di 100 kW) | Rischio colpo d'ariete | Rischio di allagamento della metropolitana |
|---|---|---|---|---|---|
| 143 (saturo) | 0 | 10 | 3.5 | Alto (flusso bifase-nella linea di ritorno) | Nessuno |
| 138 | 5 | 7.5 | 2.6 | Moderare | Molto basso |
| 133 | 10 | 5.5 | 1.9 | Basso | Basso |
| 128 | 15 | 3.5 | 1.2 | Molto basso | Moderare |
| 123 | 20 | 2.0 | 0.7 | Nessuno | Alto (probabile tubi allagati) |
Il metodo di controllo del sottoraffreddamento in PTFE
Il sottoraffreddamento è controllato dal design del drenaggio della condensa, non da un regolatore di temperatura. Uno scaricatore di condensa termostatico a galleggiante-e-di dimensioni adeguate mantiene la tenuta della condensa nella linea di scarico scaricando la condensa in modo continuo. La guarnizione impedisce al vapore vivo di fuoriuscire attraverso lo scaricatore. Lo scarico continuo evita gli colpi intermittenti che causano colpi d'ariete.
Il sottoraffreddamento naturale che si verifica quando la condensa viene scaricata attraverso i tubi dello scambiatore di calore in PTFE e il collettore della condensa fornisce 5-10 gradi di sottoraffreddamento senza alcuna attrezzatura aggiuntiva. La parete del tubo in PTFE sul lato condensa è a contatto con il fluido di processo, che è a una temperatura inferiore rispetto al vapore. Quando la condensa scorre lungo questo muro, si raffredda.
Se si desidera un sottoraffreddamento aggiuntivo, è possibile farlo con un breve tratto di tubazione della condensa non riscaldata tra lo scambiatore e lo scaricatore. Il tubo funge da scambiatore di calore tra la condensa e l'aria ambiente. Per i sistemi PTFE ciò è raramente necessario poiché il sottoraffreddamento naturale di 5-10 gradi è vicino all'ottimale.
La connessione del colpo d'ariete
Il colpo d'ariete nelle linee di ritorno della condensa è causato dal collasso delle sacche di vapore. Quando vapore flash e condensa sottoraffreddata coesistono in un tubo, le bolle di vapore collassano rapidamente mentre si condensano. La bolla che collassa crea un vuoto localizzato che attira il liquido circostante verso l'interno. L'impatto delle masse liquide crea l'impulso di pressione del martello.
L'eliminazione del vapore acqueo mantenendo un sottoraffreddamento di 10{2}}15 gradi elimina la fonte delle bolle di vapore. La linea di ritorno della condensa scorre come un liquido monofase, silenzioso e meccanicamente innocuo. La perdita di energia dal vapore di evaporazione è ridotta del 50-65% rispetto allo scarico della condensa satura.
Riepilogo
Il grado ottimale di sottoraffreddamento della condensa per gli scambiatori di calore in PTFE è di 10-15 gradi. Ciò riduce la perdita di vapore di evaporazione al 3,5-5,5% del flusso totale di vapore, rispetto al 10% per lo scarico saturo, mantenendo il drenaggio del tubo senza allagamenti. Il sottoraffreddamento naturale che si verifica quando la condensa viene scaricata attraverso i tubi e il collettore in PTFE fornisce la maggior parte di questo sottoraffreddamento senza apparecchiature aggiuntive.
Il sottoraffreddamento di 10-15 gradi elimina inoltre i colpi d'ariete garantendo un flusso di liquido monofase nella linea di ritorno della condensa. Il risparmio energetico derivante dalla riduzione del vapore di evaporazione, combinato con la ridotta manutenzione derivante dall'eliminazione del colpo d'ariete, fornisce un rapido ritorno su qualsiasi investimento nell'ottimizzazione del sistema di condensa.
I consigli tecnici per la progettazione del sistema di condensa dello scambiatore di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione della pressione del vapore, della pressione del sistema di ritorno della condensa, del carico termico e di eventuali colpi d'ariete osservati o temperature elevate della condensa.
