La paradoxa
Un intercanviador de calor de PTFE dimensionat per a un servei de 60 kW a una pressió de vapor de 4 barg no manté el punt de consigna de temperatura del procés quan funciona a 4 barg. La vàlvula de vapor s'obre completament. La temperatura del bany baixa per sota de l'objectiu. No obstant això, quan l'operador redueix la pressió del vapor a 2 barg, l'intercanviador fa millor-la temperatura del bany augmenta i s'estabilitza prop del punt de consigna. L'intercanviador ofereix més calor a una pressió de vapor més baixa. Això és contra{10}}intuïtiu.
La causa és la inundació de condensats a la pressió més alta. A 4 barg, la temperatura del vapor és de 152 graus i la velocitat de transferència de calor per unitat d'àrea és alta. La taxa de generació de condensats és corresponentment alta. El sistema de drenatge de condensats-el purgador de vapor i la canonada de retorn-no poden suportar la càrrega màxima de condensat a 4 barg. El condensat torna als tubs, inundant la part inferior. Els tubs inundats no aporten res a la transferència de calor. La superfície efectiva es redueix. L'intercanviador no pot lliurar el seu deure nominal.
A 2 barg, la temperatura del vapor és de 133 graus. La velocitat de transferència de calor és menor i la taxa de generació de condensats és menor. El sistema de drenatge pot suportar la càrrega reduïda. No es produeix cap inundació. Tots els tubs contribueixen a la transferència de calor. La superfície efectiva és més gran que a 4 barg (on les inundacions van eliminar part de la zona). La producció de calor total és més alta a la pressió més baixa malgrat la LMTD més baixa.
Càlcul de la càrrega de condensats
La velocitat de generació de condensat és: m_cond=Q / h_fg, on Q és el deure calorífic i h_fg és la calor latent del vapor. A 4 barg, h_fg és d'aproximadament 2.100 kJ/kg. A 2 barg, és d'aproximadament 2.160 kJ/kg. La calor latent és gairebé constant, de manera que el flux de massa del condensat és directament proporcional al deure de calor.
Si l'intercanviador a 4 barg intenta lliurar 60 kW, la càrrega de condensat és de 60/2,100=0.0286 kg/s=103 kg/h. A 2 barg, per a un servei reduït de 45 kW (limitat pel LMTD més baix), la càrrega és de 45/2,160=0.0208 kg/s=75 kg/h-una reducció del 27%.
El purgador de vapor i la línia de retorn del condensat s'han de dimensionar per a la càrrega màxima de condensat. Si la trampa s'ha seleccionat en funció de la condició de funcionament normal a 2-3 barg, pot ser que sigui de mida inferior al cas de 4 barg on la càrrega de condensat és més alta. La capacitat de la trampa a la pressió diferencial de funcionament (pressió de vapor menys pressió de retorn) determina si pot suportar la càrrega.
| Pressió de vapor | Servei de calor | Càrrega de condensats | Capacitat de la trampa (exemple: DN15 F&T) | Inundacions? |
|---|---|---|---|---|
| 2 barg | 45 kW | 75 kg/h | 120 kg/h a 1,5 bar ΔP | No |
| 3 barg | 53 kW | 89 kg/h | 140 kg/h a 2,5 bar ΔP | No |
| 4 barg | 60 kW | 103 kg/h | 100 kg/h a 3,5 bar ΔP (capacitat reduïda a causa del vapor flash) | Sí |
La confirmació diagnòstica
El diagnòstic d'inundació es confirma mesurant el perfil de temperatura de la paret del tub. Si les seccions inferiors dels tubs estan fredes (prop de la temperatura del procés), el condensat està inundant aquestes seccions. La mesura es pot fer amb un termòmetre d'infrarojos o un termoparell de contacte en punts accessibles del feix de tubs.
Una segona confirmació és un augment temporal de la capacitat de drenatge de condensats. Obrir breument el bypass de la purga de vapor (si s'ha instal·lat un bypass) o augmentar la ventilació de la línia de retorn del condensat pot esborrar temporalment la inundació i restablir la sortida de calor a 4 barg. Si aquesta prova restaura el rendiment, el sistema de drenatge està subdimensionat.
L'Acció Correctiva
La solució permanent és augmentar la capacitat de drenatge de condensats. Les opcions inclouen: instal·lar una trampa de vapor més gran, afegir una segona trampa en paral·lel, augmentar el diàmetre de la línia de retorn de condensats, reduir la contrapressió de la línia de retorn de condensats (millorant la ventilació o instal·lant una bomba de condensats) o re-inclinar la capçalera de condensats per millorar el drenatge.
Si no és possible augmentar la capacitat de drenatge, la pressió del vapor es pot limitar al màxim que el sistema de drenatge pugui suportar sense inundacions. Una vàlvula limitadora de pressió-o un límit de consigna del sistema de control impedeix el funcionament a pressions que provoquen inundacions.
Resum
Un intercanviador de calor de PTFE que funciona millor a pressió de vapor baixa que a pressió de disseny està experimentant inundacions de condensats a pressió més alta. La taxa de generació de condensats supera la capacitat del sistema de drenatge, inundant les seccions inferiors del tub i reduint la superfície efectiva. El diagnòstic es confirma mitjançant un perfil de temperatura de la paret del tub i una prova de bypass de trampa. La solució és augmentar la capacitat de drenatge o limitar la pressió màxima del vapor.
El suport d'enginyeria per a la resolució de problemes de rendiment de l'intercanviador de calor de PTFE està disponible quan s'envien la pressió de vapor, la càrrega de condensat, les especificacions de la trampa, la configuració de la línia de retorn de condensat i les dades de rendiment observades.
