De onderkoeling die het warmteoverdrachtregime verandert
Een chemische verwerkingsinstallatie die een PTFE-warmtewisselaar gebruikt met stoom van 6 bar (verzadigde temperatuur 165 graden) meldt dat de warmteafgifte lager is dan de ontwerpwaarde en het stoomverbruik hoger dan verwacht. Het condensaat komt uit bij 163 graden, wat duidt op 2 graden onderkoeling.
De warmtewisselaar is ontworpen voor een warmtebelasting van 80 kW met een condenserende stoomfilmcoëfficiënt van 5.000 W/m²·K. De werkelijke warmteafgifte bedraagt 68 kW, wat 15% onder de ontwerpwaarde ligt. Het stoomverbruik is 15% hoger dan verwacht.
Het probleem is de onderkoeling van het condensaat. Door de lage onderkoeling wordt het condensaat bijna op de verzadigingstemperatuur afgevoerd en is de condensaatfilm op het buisoppervlak dik. De dikke film voegt een thermische weerstand toe die de warmteoverdrachtscoëfficiënt en de warmteafgifte vermindert.
Het verhogen van de onderkoeling tot 8–12 graden zou de condensaatfilm dunner maken, de warmteoverdrachtscoëfficiënt verhogen en de warmteafgifte herstellen naar de ontwerpwaarde. De hogere onderkoeling zou ook het stoomverbruik verminderen, omdat er minder stoom nodig is voor dezelfde warmtebelasting.
Waarom onderkoeling de condensaatfilm verdunt
De condensaatfilm op het buisoppervlak is de vloeistoflaag die ontstaat wanneer de stoom condenseert. De filmdikte hangt af van de condensatiesnelheid, de condensaatviscositeit en de drainagesnelheid.
Wanneer het condensaat wordt onderkoeld, heeft de vloeistoflaag aan het buisoppervlak een lagere temperatuur dan de verzadigde stoom. De lagere temperatuur verhoogt de viscositeit en de oppervlaktespanning van het condensaat, wat de drainage bevordert en de filmdikte vermindert. De dunnere film heeft een lagere thermische weerstand en een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt.
Het effect van onderkoeling op de filmdikte is bescheiden bij lage onderkoeling, maar wordt significant bij hogere onderkoeling. Bij een onderkoeling van 10 graden kan de filmdikte 20-30% dunner zijn dan bij nul-onderkoeling, en kan de warmteoverdrachtscoëfficiënt 15-25% hoger zijn.
Het optimale onderkoelingsbereik
Het optimale onderkoelingsbereik voor een PTFE-warmtewisselaar in stoomtoepassingen wordt bepaald door de afweging-tussen het voordeel van de warmteoverdracht en het verlies van voelbare warmte in het condensaat.
Het voordeel van de warmteoverdracht neemt toe bij onderkoeling omdat de condensaatfilm dunner wordt en de warmteoverdrachtscoëfficiënt toeneemt. Het voelbare warmteverlies neemt toe bij onderkoeling, omdat het condensaat meer warmte afvoert dan gebruikt had kunnen worden om de procesvloeistof te verwarmen.
Voor een PTFE-warmtewisselaar met een condenserende stoomfilmcoëfficiënt van 5.000 W/m²·K en een proces{2}}filmcoëfficiënt van 1.000 W/m²·K, is de optimale onderkoeling doorgaans 8–12 graden. Onder de 8 graden is de film dik en is de warmteoverdrachtscoëfficiënt laag. Boven de 12 graden weegt het voelbare warmteverlies zwaarder dan het voordeel van de warmteoverdracht.
De optimale onderkoeling is hoger voor warmtewisselaars met een hoge condensatiecoëfficiënt en lager voor warmtewisselaars met een lage condensatiecoëfficiënt. De optimale waarde hangt ook af van de stoomdruk en de procestemperatuur.
Het onderkoelingseffect op het stoomverbruik
Het stoomverbruik wordt bepaald door de warmtebelasting en de latente warmte van de stoom. De latente warmte komt vrij wanneer de stoom condenseert bij de verzadigingstemperatuur. De voelbare warmte komt vrij wanneer het condensaat afkoelt tot onder de verzadigingstemperatuur.
Voor stoom bij 6 bar met een latente warmte van 2.085 kJ/kg en een soortelijke warmte van 4,2 kJ/kg·K bedraagt de voelbare warmte die vrijkomt bij 10 graden onderkoeling 42 kJ/kg, wat ongeveer 2% is van de latente warmte. De totale warmte die per kilogram stoom vrijkomt bedraagt 2.127 kJ/kg, wat 2% meer is dan de latente warmte alleen.
Door de extra warmteafgifte wordt het stoomverbruik met circa 2% verlaagd bij 10 graden onderkoeling. De reductie is in absolute termen klein, maar wordt significant na een jaar continu gebruik.
De reductie van het stoomverbruik is groter als de onderkoeling een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt en een lagere stoomtemperatuur mogelijk maakt. Een lagere stoomtemperatuur vermindert het warmteverlies uit de stoomleidingen en de warmtewisselaarmantel.
Het onderkoelingseffect op de buiswandtemperatuur
De onderkoeling beïnvloedt de temperatuur van de buiswand door de dikte van de condensaatfilm. Een dunnere film heeft een lagere thermische weerstand, waardoor het temperatuurverschil tussen de stoom en de buiswand bij een gegeven warmteflux kleiner wordt.
De lagere buiswandtemperatuur vermindert de afbraaksnelheid van het PTFE en verlengt de levensduur van de warmtewisselaar. Het effect is klein bij lage onderkoeling, maar wordt significant bij hogere onderkoeling.
Voor een warmtestroom van 2,0 W/cm² en een condensatiecoëfficiënt van 5.000 W/m²·K bedraagt het temperatuurverschil over de condensaatfilm 4 graden zonder onderkoeling en 3 graden bij 10 graden onderkoeling. Door het temperatuurverschil met 1 graad te verlagen, wordt de buiswandtemperatuur met 1 graad verlaagd, waardoor de levensduur met ongeveer 5% wordt verlengd.
Kwantificering van het onderkoelingseffect
De volgende tabel vat de warmteoverdrachtscoëfficiënt, de warmteafgifte en het stoomverbruik samen voor verschillende onderkoelingsniveaus in een PTFE-warmtewisselaar met stoom van 6 bar en een procestemperatuur van 80 graden.
| Onderkoeling | Condensaatfilmdikte | Condensatiecoëfficiënt | Algemene coëfficiënt | Warmteafgifte | Stoomverbruik | Buiswandtemperatuur |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 graad | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 kW | 100% | 168 graden |
| 2 graad | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 kW | 99% | 167 graden |
| 5 graden | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 kW | 97% | 166 graden |
| 8 graden | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76 kW | 95% | 165 graden |
| 10 graden | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 kW | 94% | 164 graden |
| 12 graden | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 kW | 93% | 163 graden |
| 15 graden | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82 kW | 92% | 162 graden |
| 20 graden | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 kW | 90% | 161 graden |
De waarden voor de warmteafgifte en het stoomverbruik zijn genormaliseerd naar het geval van nul onderkoeling. De buiswandtemperatuur is de temperatuur van het buisoppervlak dat in contact komt met de stoom.
De praktische grenzen van onderkoeling
De praktische grenzen van onderkoeling worden bepaald door het ontwerp van de warmtewisselaar en de prestaties van de condenspot.
Warmtewisselaargebied.Een groter warmtewisselaaroppervlak maakt meer onderkoeling mogelijk omdat het condensaat meer tijd heeft om af te koelen. Een kleiner gebied beperkt de onderkoeling.
Condensaatafvoer.Het condensaat moet vrij uit de warmtewisselaar kunnen wegvloeien, zodat de onderkoeling kan ontstaan. Een slecht gedraineerde warmtewisselaar heeft een lage onderkoeling.
Stoomval.De condenspot moet het onderkoelde condensaat kunnen afvoeren. Een condenspot die geschikt is voor verzadigd condensaat voert het onderkoelde condensaat mogelijk niet goed af.
Procestemperatuur.De onderkoeling wordt beperkt door de procestemperatuur. Het condensaat kan niet onder de procestemperatuur worden onderkoeld.
Stoom druk.De onderkoeling wordt beperkt door de stoomdruk. Een hogere stoomdruk zorgt voor meer onderkoelingspotentieel omdat de verzadigingstemperatuur hoger is.
Ontwerpkenmerken die onderkoeling bevorderen
Verschillende ontwerpkenmerken bevorderen onderkoeling in een PTFE-warmtewisselaar.
Condensaat-onderkoelingssectie.Een apart onderkoelgedeelte bij de condensaatuitlaat zorgt ervoor dat het condensaat tot onder de verzadigingstemperatuur kan afkoelen. Het onderkoelingsgedeelte is een klein warmteoverdrachtsgebied dat wordt blootgesteld aan de procesvloeistof.
Zwaartekracht drainage.Een warmtewisselaar die met een continu neerwaartse helling is geïnstalleerd, zorgt ervoor dat het condensaat vrij kan wegvloeien en kan afkoelen terwijl het naar de uitlaat stroomt.
Lage stoomsnelheid.Een lage stoomsnelheid vermindert het meeslepen van condensaat en zorgt ervoor dat het condensaat kan wegvloeien en afkoelen.
Juiste afmetingen van de condenspot.Een condenspot die is afgestemd op de onderkoelde condensaatstroom zorgt ervoor dat het condensaat kan worden afgevoerd zonder te flitsen.
Isolatie.Door de stoomleidingen en de mantel van de warmtewisselaar te isoleren, wordt het warmteverlies verminderd en kan het condensaat geleidelijk afkoelen.
Doelstellingen voor onderkoeling vergelijken voor verschillende toepassingen
De volgende tabel vat het aanbevolen doel voor onderkoeling samen voor verschillende stoomverwarmingstoepassingen met een PTFE-warmtewisselaar.
| Sollicitatie | Stoomdruk | Procestemperatuur | Aanbevolen onderkoeling | Verbetering van de warmteafgifte | Vermindering van het stoomverbruik |
|---|---|---|---|---|---|
| Platenbadverwarming | 4 bar | 60 graden | 8–10 graden | 10–12% | 4–5% |
| Verwarming van chemische reactoren | 6 bar | 80 graden | 10–12 graden | 12–15% | 5–7% |
| Verwarming van de verfmachine | 8 bar | 130 graden | 6–8 graden | 8–10% | 3–4% |
| Anodiseren van badverwarming | 4 bar | 20 graden | 12–15 graden | 15–18% | 6–8% |
| Verdamper verwarming | 10 bar | 150 graden | 5–7 graden | 6–8% | 2–3% |
| Sterilisatieservice | 3 bar | 121 graden | 10–12 graden | 12–15% | 5–7% |
De verbetering van de warmteafgifte en de vermindering van het stoomverbruik zijn relatief ten opzichte van het geval van nul onderkoeling. De aanbevolen doelstellingen voor onderkoeling zijn gebaseerd op de optimale balans tussen het voordeel van de warmteoverdracht en het voelbare warmteverlies.
Specificatieparameters voor onderkoelingsregeling
Apparatuuringenieurs die een PTFE-warmtewisselaar voor stoomverwarming specificeren, moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Stoom druk.Geef de stoomtoevoerdruk en de verzadigingstemperatuur op.
Procestemperatuur.Specificeer de procesvloeistoftemperatuur en de aanlooptemperatuur.
Warmtebelasting.Geef de warmtebelasting en het verwachte bereik op.
Doelstelling voor onderkoeling.Specificeer het aanbevolen doel voor onderkoeling op basis van de stoomdruk en de procestemperatuur.
Condensaatafvoer.Specificeer de oriëntatie van de warmtewisselaar en het afvoerpad.
Stoomval.Specificeer het type condenspot en de maatcriteria voor het onderkoelde condensaat.
Condensaat-onderkoelingssectie.Geef op of er een aparte onderkoelingssectie is voorzien.
Temperatuurbewaking.Specificeer de temperatuursensoren en de bewakingsmethode voor het volgen van de onderkoeling.
Onderkoeling afstemmen op stoomverwarmingsomstandigheden
Onderkoeling van condensaat beïnvloedt de warmteoverdrachtscoëfficiënt, de warmteafgifte en het stoomverbruik in een PTFE-warmtewisselaar voor stoomverwarming. Een onderkoeling van 8–12 graden is voor de meeste toepassingen optimaal. De hogere onderkoeling verdunt de condensaatfilm, verhoogt de warmteoverdrachtscoëfficiënt en vermindert het stoomverbruik.
De onderkoeling moet worden geregeld via het ontwerp van de warmtewisselaar en de selectie van de condenspot. Een aparte onderkoelingssectie en een condenspot van de juiste grootte zorgen ervoor dat de onderkoeling zich kan ontwikkelen zonder de condensafvoer in gevaar te brengen.
Voor stoomverwarmingsfaciliteiten die de opties voor PTFE-warmtewisselaars evalueren, moet het doel voor onderkoeling worden gespecificeerd in de aanbestedingsdocumenten en worden geverifieerd bij de inbedrijfstelling. De door de fabrikant geleverde standaardconfiguratie bevat mogelijk geen voorzieningen voor onderkoeling en de resulterende warmteafgifte kan lager zijn dan verwacht.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars voor stoomverwarming of andere condensatiediensten evalueren, kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met daarin de stoomdruk, procestemperatuur, warmtebelasting, onderkoelingsdoel, condensaatafvoer en condenspotselectie om te bevestigen dat de unit is afgestemd op de werkelijke stoomomstandigheden en de bedrijfskostenstructuur van de faciliteit.
