De paradox
Een PTFE-warmtewisselaar die geschikt is voor een vermogen van 60 kW bij een stoomdruk van 4 barg slaagt er niet in het instelpunt van de procestemperatuur te handhaven bij werking bij 4 barg. De stoomklep gaat volledig open. De badtemperatuur zakt onder de streefwaarde. Maar wanneer de operator de stoomdruk verlaagt tot 2 barg, presteert de wisselaar plotseling beter.-De badtemperatuur stijgt en stabiliseert zich rond het instelpunt. De wisselaar levert meer warmte bij een lagere stoomdruk. Dit is contra-intuïtief.
De oorzaak is condensaatoverstroming bij hogere druk. Bij 4 barg is de stoomtemperatuur 152 graden en is de warmteoverdracht per oppervlakte-eenheid hoog. De condensaatontwikkelingssnelheid is dienovereenkomstig hoog. Het condensafvoersysteem-de condenspot en de retourleidingen-kunnen de maximale condensaatbelasting van 4 barg niet aan. Het condensaat hoopt zich op in de buizen, waardoor het onderste gedeelte onder water komt te staan. De ondergelopen buizen dragen niets bij aan de warmteoverdracht. Het effectieve oppervlak wordt verkleind. De wisselaar kan zijn nominale plicht niet vervullen.
Bij 2 barg is de stoomtemperatuur 133 graden. De warmteoverdrachtsnelheid is lager en de condensaatgeneratiesnelheid is lager. Het drainagesysteem kan de verminderde belasting aan. Er vindt geen overstroming plaats. Alle buizen dragen bij aan de warmteoverdracht. Het effectieve oppervlak is groter dan bij 4 barg (waar de overstroming een deel van het gebied verwijderde). De totale warmteafgifte is ondanks de lagere LMTD hoger bij de lagere druk.
De condensaatbelastingberekening
De condensaatgeneratiesnelheid is: m_cond=Q / h_fg, waarbij Q de warmtebelasting is en h_fg de latente warmte van stoom. Bij 4 barg is h_fg ongeveer 2.100 kJ/kg. Bij 2 barg is dit ongeveer 2.160 kJ/kg. De latente warmte is vrijwel constant, dus de condensaatmassastroom is recht evenredig met de warmtebelasting.
Als de wisselaar bij 4 barg 60 kW probeert te leveren, is de condensaatbelasting 60/2,100=0.0286 kg/s=103 kg/u. Bij 2 barg, voor een verlaagd vermogen van 45 kW (beperkt door de lagere LMTD), is de belasting 45/2,160=0.0208 kg/s=75 kg/u-een reductie van 27%.
De condenspot en de condensaatretourleiding moeten geschikt zijn voor de piekbelasting van het condensaat. Als de condenspot is geselecteerd op basis van de normale bedrijfsomstandigheden bij 2-3 barg, kan deze te klein zijn voor het geval van 4 barg, waar de condensaatbelasting hoger is. De opvangcapaciteit bij het bedrijfsverschildruk (stoomdruk minus retourleidingdruk) bepaalt of deze de belasting aankan.
| Stoomdruk | Warmtebelasting | Condensaatbelasting | Capaciteit sifon (voorbeeld: DN15 F&T) | Overstromingen? |
|---|---|---|---|---|
| 2 barg | 45 kW | 75 kg/u | 120 kg/u bij 1,5 bar ΔP | Nee |
| 3 barg | 53 kW | 89 kg/u | 140 kg/u bij 2,5 bar ΔP | Nee |
| 4 barg | 60 kW | 103 kg/u | 100 kg/u bij 3,5 bar ΔP (verminderde capaciteit door flitsstoom) | Ja |
De diagnostische bevestiging
De overstromingsdiagnose wordt bevestigd door het meten van het temperatuurprofiel van de buiswand. Als de onderste delen van de buizen koel zijn (bijna procestemperatuur), overspoelt condensaat die secties. De meting kan worden uitgevoerd met een infraroodthermometer of contactthermokoppel op toegankelijke punten op de buizenbundel.
Een tweede bevestiging is een tijdelijke verhoging van de condensafvoercapaciteit. Het kortstondig openen van de bypass van de condenspot (als er een bypass is geïnstalleerd) of het vergroten van de ontluchting van de condensaatretourleiding kan de overstroming tijdelijk verhelpen en de warmteafgifte op 4 barg herstellen. Als deze test de prestaties herstelt, is het drainagesysteem te klein.
De corrigerende actie
De permanente oplossing is het vergroten van de condensafvoercapaciteit. Opties zijn onder meer: het installeren van een grotere condenspot, het parallel toevoegen van een tweede condenspot, het vergroten van de diameter van de condensaatretourleiding, het verminderen van de tegendruk van de condensaatretourleiding (door de ontluchting te verbeteren of een condensaatpomp te installeren), of-het opnieuw hellen van de condensaatverzamelleiding om de afvoer te verbeteren.
Indien het vergroten van de afvoercapaciteit niet haalbaar is, kan de stoomdruk beperkt worden tot het maximum dat het afvoersysteem aankan zonder overstroming. Een druk-begrenzingsklep of een instelpuntlimiet van het besturingssysteem voorkomt werking bij drukken die overstromingen veroorzaken.
Samenvatting
Een PTFE-warmtewisselaar die beter presteert bij lage stoomdruk dan bij ontwerpdruk ondervindt condensaatoverstromingen bij de hogere druk. De condensaatproductiesnelheid overschrijdt de capaciteit van het afvoersysteem, waardoor de onderste buissecties onder water komen te staan en het effectieve oppervlak wordt verkleind. De diagnose wordt bevestigd door temperatuurprofilering van de buiswand en een condenspot-bypasstest. De oplossing is een grotere afvoercapaciteit of het beperken van de maximale stoomdruk.
Technische ondersteuning voor het oplossen van problemen met de prestaties van PTFE-warmtewisselaars is beschikbaar na indiening van de stoomdruk, de condensaatbelasting, de sifonspecificaties, de configuratie van de condensaatretourleiding en de waargenomen prestatiegegevens.
