Il puzzle di Flash Steam
Uno scambiatore di calore in PTFE produce quello che sembra essere un eccessivo vapore acqueo nella linea di ritorno della condensa. Lo scaricatore di vapore è stato sostituito con una nuova unità di dimensioni corrette. La trappola funziona normalmente. Tuttavia, la linea di ritorno della condensa rimane piena di vapore, il ricevitore della condensa scarica continuamente il vapore e la perdita di energia è visibile nel consumo di combustibile della caldaia.
Il presupposto naturale è che lo scaricatore di condensa esploda-permettendo il passaggio del vapore vivo. Ma i test confermano che la trappola è intatta. La temperatura della condensa che entra nello scaricatore è pari o prossima alla temperatura di saturazione. Il problema non è una trappola malfunzionante. Il fatto è che lo scambiatore di calore in PTFE produce condensa con un'entalpia insolitamente elevata, più vicina alla saturazione rispetto alla condensa sottoraffreddata tipica degli scambiatori metallici. La fisica del trasferimento di calore nel PTFE spiega il perché.
Il deficit di sottoraffreddamento
In uno scambiatore di calore metallico, la temperatura della parete del tubo è quasi uniforme dal lato del vapore al lato del processo. La temperatura della superficie esterna è vicina alla temperatura di saturazione del vapore. Lo scarico della condensa lungo la parete del tubo è a contatto con una superficie calda quasi quanto il vapore che l'ha prodotta. La condensa esce dallo scambiatore prossima alla temperatura di saturazione.
In uno scambiatore di calore in PTFE esiste un gradiente di temperatura significativo attraverso la parete del tubo. La superficie esterna a contatto con il fluido di processo è 20-40 gradi più fredda della superficie interna a contatto con il vapore. Lo scarico della condensa lungo la parete interna è a contatto con la superficie lato vapore, che è pari o prossima alla temperatura di saturazione. La temperatura della condensa rimane prossima alla saturazione durante lo scarico.
Tuttavia, la condensa subisce un sottoraffreddamento mentre passa attraverso il collettore della condensa e si avvicina allo scaricatore. L'entità di questo sottoraffreddamento dipende dalla lunghezza del percorso del flusso della condensa, dalla temperatura del collettore e dalla perdita di calore dal collettore all'ambiente circostante.
In uno scambiatore in PTFE, la massa termica inferiore dei collettori e il design compatto spesso implicano minori possibilità di sottoraffreddamento prima che la condensa raggiunga lo scaricatore. La condensa che arriva allo scaricatore è sottoraffreddata di 2-5 gradi, rispetto ai 10-20 gradi sottoraffreddati tipici dei grandi scambiatori metallici. Il sottoraffreddamento inferiore significa che una frazione maggiore della condensa si trasforma in vapore quando passa attraverso lo scaricatore e si depressurizza.
| Parametro Flash Steam | Scambiatore metallico | Scambiatore di calore in PTFE |
|---|---|---|
| Temperatura della condensa all'ingresso del sifone | 125-135 gradi (sottoraffreddamento di 10-20 gradi da 143 gradi di saturazione) | 138-141 gradi (sottoraffreddamento 2-5 gradi) |
| Frazione di vapore di flash alla scarica atmosferica | 5-10% | 10-14% |
| Aspetto della linea di ritorno della condensa | Vapore intermittente; per lo più liquido | Vapore continuo; flusso bifase-ad alta velocità- |
| Perdita di energia per servizio di 100 kW (kW equivalente) | 3-5 | 5-7 |
| Frequenza del ciclo della trappola | 4-10 cicli/minuto | 2-5 cicli/minuto (volume maggiore per ciclo) |
La soluzione per il recupero energetico
La velocità di vapore più elevata proveniente da uno scambiatore in PTFE non è un malfunzionamento-ma è una conseguenza dell'efficiente trasferimento di calore che lascia la condensa prossima alla saturazione. Il vapore di evaporazione rappresenta l'energia recuperabile. La soluzione non è ridurre il vapore di evaporazione allo scambiatore ma recuperarlo a valle.
Un sistema di recupero del vapore di evaporazione cattura il vapore di evaporazione dallo sfiato del ricevitore di condensa e lo utilizza per applicazioni di riscaldamento a bassa pressione-a pressione inferiore-preriscaldamento dell'acqua di alimentazione, riscaldamento di ambienti o riscaldamento di processi a bassa-temperatura. L’energia recuperata compensa il consumo di combustibile della caldaia. L'efficienza netta del sistema, compreso il recupero, può superare quella di uno scambiatore metallico con un vapore di flash inferiore ma anche un'efficienza di trasferimento del calore inferiore.
Per gli impianti sprovvisti di recupero del vapore di flash, la velocità di flash più elevata degli scambiatori in PTFE può giustificare l'investimento in apparecchiature di recupero. Il risparmio energetico derivante dal recupero si applica a tutti gli scambiatori del sistema di condensa, non solo alle unità PTFE.
Verifica delle prestazioni della trappola
Prima di attribuire un'elevata evaporazione del vapore alle caratteristiche del PTFE, verificare che lo scaricatore di condensa sia correttamente dimensionato e funzionante. Una trappola troppo piccola riporterà la condensa nello scambiatore, riducendo il trasferimento di calore. Una trappola troppo grande eseguirà cicli di rado e potrebbe consentire il passaggio di vapore vivo durante il ciclo aperto.
La dimensione corretta dello scaricatore è determinata dal carico di condensa a pieno regime di riscaldamento, con un fattore di sicurezza di 1,5-2,0 per le condizioni di avvio. Lo scaricatore dovrà essere del tipo a galleggiante-e-termostatico per modulare i carichi di condensa tipici dei processi a temperatura controllata. La presa d'aria termostatica deve essere funzionale per evitare l'accumulo di aria.
La misurazione della temperatura della condensa all'ingresso dello scaricatore conferma il livello di sottoraffreddamento. Una termocoppia a contatto o un termometro a infrarossi forniscono una precisione adeguata. Se il sottoraffreddamento supera i 10 gradi, la trappola potrebbe allagare lo scambiatore-un problema diverso che richiede un'analisi della contropressione del sistema di ritorno della condensa.
Riepilogo
L'eccessivo vapore di evaporazione proveniente da uno scambiatore di calore in PTFE con uno scaricatore di vapore correttamente funzionante è causato dal basso sottoraffreddamento della condensa che lascia lo scambiatore-tipicamente a 2-5 gradi contro 10-20 gradi per gli scambiatori metallici. Questa è una conseguenza delle caratteristiche di trasferimento del calore del PTFE, non un malfunzionamento. Il vapore di flash rappresenta energia recuperabile che può essere catturata attraverso un sistema di recupero del vapore di flash, migliorando l’efficienza energetica complessiva dell’impianto.
La verifica del dimensionamento dello scaricatore e della temperatura della condensa conferma che il sistema funziona come previsto. Un sottoraffreddamento significativamente superiore a 5 gradi indica un problema diverso-allagamento di condensa-che richiede un'indagine separata.
Il supporto tecnico per l'analisi del sistema di condensa dello scambiatore di calore in PTFE e la valutazione del recupero del vapore di evaporazione è disponibile previa presentazione della pressione del vapore, delle misurazioni della temperatura del condensato, delle specifiche dello scaricatore e della configurazione attuale del sistema della condensa.
