Paradoks
Toplotni izmenjevalnik iz PTFE, dimenzioniran za delovanje 60 kW pri parnem tlaku 4 bare, ne vzdržuje nastavljene temperature procesa pri delovanju pri 4 barih. Parni ventil se popolnoma odpre. Temperatura kopeli pade pod cilj. Toda ko upravljavec zmanjša tlak pare na 2 bara, izmenjevalnik nenadoma deluje bolje-temperatura kopeli naraste in se stabilizira blizu nastavitvene točke. Izmenjevalec zagotavlja več toplote pri nižjem tlaku pare. To je kontra{10}}intuitivno.
Vzrok je zalivanje kondenzata pri višjem tlaku. Pri 4 barih je temperatura pare 152 stopinj, stopnja prenosa toplote na enoto površine pa je visoka. Stopnja nastajanja kondenzata je temu primerno visoka. Sistem za odvajanje kondenzata-parna zapora in povratna cev-ne prenesejo največje obremenitve kondenzata pri 4 barih. Kondenzat se vrača v cevi in preplavi spodnji del. Poplavljene cevi ne prispevajo nič k prenosu toplote. Učinkovita površina se zmanjša. Izmenjevalec ne more zagotoviti nazivne moči.
Pri 2 barih je temperatura pare 133 stopinj. Hitrost prenosa toplote je nižja in stopnja nastajanja kondenzata je manjša. Drenažni sistem lahko prenese manjšo obremenitev. Ne pride do poplav. Vse cevi prispevajo k prenosu toplote. Učinkovita površina je večja kot pri 4 barih (kjer je poplava odstranila del površine). Skupna toplotna moč je višja pri nižjem tlaku kljub nižjemu LMTD.
Izračun obremenitve kondenzata
Stopnja nastajanja kondenzata je: m_cond=Q / h_fg, kjer je Q toplotna obremenitev, h_fg pa latentna toplota pare. Pri 4 barih je h_fg približno 2100 kJ/kg. Pri 2 barih je približno 2.160 kJ/kg. Latentna toplota je skoraj konstantna, zato je masni pretok kondenzata neposredno sorazmeren s toplotno močjo.
Če izmenjevalnik pri 4 barih poskuša zagotoviti 60 kW, je obremenitev kondenzata 60/2,100=0.0286 kg/s=103 kg/h. Pri 2 barih je za zmanjšano delovanje 45 kW (omejeno z nižjo LMTD) obremenitev 45/2,160=0.0208 kg/s=75 kg/h-zmanjšanje za 27 %.
Parna zapora in povratni vod kondenzata morata biti dimenzionirana za največjo obremenitev s kondenzatom. Če je bil sifon izbran na podlagi običajnih delovnih pogojev pri 2-3 barih, je morda premajhen za primer 4 barov, kjer je obremenitev kondenzata večja. Zmogljivost lovilca pri delovnem diferenčnem tlaku (tlak pare minus tlak v povratnem vodu) določa, ali lahko prenese obremenitev.
| Tlak pare | Toplotna obveznost | Obremenitev kondenzata | Kapaciteta sifona (primer: DN15 F&T) | Poplave? |
|---|---|---|---|---|
| 2 bara | 45 kW | 75 kg/h | 120 kg/h pri 1,5 bar ΔP | št |
| 3 bara | 53 kW | 89 kg/h | 140 kg/h pri 2,5 bar ΔP | št |
| 4 bara | 60 kW | 103 kg/h | 100 kg/h pri 3,5 bar ΔP (zmanjšana zmogljivost zaradi bliskovite pare) | ja |
Diagnostična potrditev
Diagnozo poplave potrdimo z merjenjem profila temperature stene cevi. Če so spodnji deli cevi hladni (blizu procesne temperature), kondenzat preplavlja te dele. Merjenje lahko opravite z infrardečim termometrom ali kontaktnim termočlenom na dostopnih mestih na cevnem snopu.
Druga potrditev je začasno povečanje zmogljivosti odvajanja kondenzata. Če za kratek čas odprete obvod parne zapore (če je nameščen obvod) ali povečate odzračevanje povratnega voda kondenzata, lahko začasno odpravite poplavljanje in obnovite toplotno moč pri 4 barih. Če ta preskus obnovi delovanje, je drenažni sistem premajhen.
Korektivni ukrep
Trajna rešitev je povečanje zmogljivosti odvoda kondenzata. Možnosti vključujejo: namestitev večje parne zapore, vzporedno dodajanje druge zapore, povečanje premera povratnega voda kondenzata, zmanjšanje protitlaka v povratnem vodu kondenzata (z izboljšanjem odzračevanja ali namestitvijo črpalke za kondenzat) ali sprememba-naklona zbiralnika kondenzata za izboljšanje odvajanja.
Če povečanje drenažne zmogljivosti ni izvedljivo, se lahko tlak pare omeji na najvišjo vrednost, ki jo drenažni sistem prenese brez poplav. Ventil-za omejevanje tlaka ali omejitev nastavljene vrednosti krmilnega sistema preprečuje delovanje pri tlakih, ki povzročajo poplavljanje.
Povzetek
Toplotni izmenjevalnik iz PTFE, ki deluje bolje pri nizkem parnem tlaku kot pri konstrukcijskem tlaku, se pri višjem tlaku sooča s preplavljanjem kondenzata. Stopnja nastajanja kondenzata presega kapaciteto drenažnega sistema, poplavlja spodnje cevne dele in zmanjšuje efektivno površino. Diagnozo potrdimo s profiliranjem temperature stene cevi in testom obvoda pasti. Rešitev je povečana drenažna zmogljivost ali omejitev največjega tlaka pare.
Inženirska podpora za odpravljanje težav pri delovanju toplotnega izmenjevalnika PTFE je na voljo po predložitvi parnega tlaka, kondenzacijske obremenitve, specifikacij lovilca, konfiguracije povratnega voda kondenzata in opazovanih podatkov o delovanju.
