Che cos'è un condensatore: principi di funzionamento, tipi e applicazioni industriali

Che cos'è un condensatore: principi di funzionamento, tipi e applicazioni industriali

Rispondendo alla domanda fondamentale:Che cos'è un condensatore e come funziona?Un condensatore è uno scambiatore di calore che rimuove energia termica sufficiente da un vapore per convertirlo in un liquido a o vicino alla saturazione.dove il lambda per il vapore a 100°C è 2,257 kJ/kg, mentre per i vapori organici tipici è di 200-600 kJ/kg. La stessa carica viene erogata attraverso la superficie per Q = U x A x LMTD,dove LMTD è la differenza di temperatura media log tra il vapore di condensazione e il liquido di raffreddamento e U è il coefficiente complessivoI valori rappresentativi di U sono di 800-1.500 W/m2K per la condensazione del vapore in un'unità di tubo raffreddata ad acqua, 400-700 W/m2K per i vapori organici e 300-500 W/m2K per un condensatore raffreddato ad aria.Perché il vapore si condensa a una temperatura sostanzialmente costante, il fattore di correzione LMTD è generalmente vicino a 1,0 in un servizio di condensazione a passaggio singolo, il che rende la dimensione insolitamente semplice una volta che U è conosciuto.

1Principi che determinano le prestazioni del condensatore

Cinque principi spiegano perché due condensatori della stessa area possono avere prestazioni molto diverse:

• Filmwise Versus Dropwise Condensation:In quasi tutte le attrezzature industriali, il condensato bagna la superficie e forma una pellicola continua, e il vapore deve condensarsi attraverso quella pellicola.e l'analisi di Nusselt mostra che il coefficiente diminuisce man mano che il film si ispessa verso il fondo di un fascio di tubi, per cui i condensatori verticali sono generalmente inferiori a quelli orizzontali per lo stesso compito.dà coefficienti da cinque a dieci volte più elevati, ma per sostenerlo al di fuori del laboratorio sono necessari promotori o rivestimenti idrofobici permanenti che hanno una durata di vita limitata.I progettisti quindi sempre dimensione per la condensazione film e trattare il comportamento gocciolante come un bonus piuttosto che una base.
• Gas non condensabili:Niente degrada un condensatore più velocemente di un non condensabile.quindi si accumula all' interfaccia del film liquido e costringe il vapore a diffondersi attraverso uno strato di confine ricco di gas prima che possa raggiungere la superficie freddaSolo l'1% di volume d'aria può ridurre l'U efficace del 30-50%, e il 5% può ridurlo dell'80%.il punto di ventilazione deve essere situato nella posizione più fredda dello spazio vapore, a valle e sotto l'entrata, dimensionati per il carico di gas previsto e, in servizio a vuoto,connesso a un egiector o a una pompa a vuoto dimensionata per la velocità di fuga d'aria piuttosto che per la velocità di vapore di processo da sola.
• Sotto raffreddamento e drenaggio del condensato:La maggior parte dei condensatori fornisce una piccola quantità di sotto raffreddamento, in genere 2-5 ° C al di sotto della saturazione, che protegge le pompe a valle dalla cavitazione e riduce il lampeggiamento nella linea di condensato.Ma il sotto raffreddamento consuma superficie inefficientemente, perché si tratta di un trasferimento di calore sensibile con una differenza di temperatura molto minore rispetto alla zona di condensazione, quindi un eccessivo fabbisogno di sotto raffreddamento può richiedere un aumento sproporzionato della superficie.La disposizione fisica è importante quanto la dimensione termica: il condensato deve scorrere liberamente, il guscio deve essere inclinato o i tubi inclinati e l'uscita non deve mai essere inondata, a meno che non venga utilizzata un'immersione intenzionale per il controllo del livello.I tubi inondati si comportano come un sotto raffreddatore e rimuovono efficacemente l'area di condensazione dal servizio.
• La contaminazione e il margine di progettazioneOgni condensatore è dimensionato con una resistenza all'inquinamento che rappresenta il deterioramento atteso tra le pulizie, in genere 0,0001-0,0005 m2K/W a seconda della qualità dell'acqua,e questa indennità può aggiungere il 15-35% all'area richiestaL'acqua di raffreddamento è il solito colpevole: la scalabilità dalla durezza, la crescita biologica, la deposizione di fango e i prodotti di corrosione aggiungono resistenza e un'unità che inizia con un U pulito di 1,200 W/m2K possono scendere a 700 W/m2K entro un anno di servizio con acqua non trattataTrattamento dell'acqua, filtrazione, velocità controllata sul lato del tubo di 1-2,5 m/s per limitare la deposizione e limitare l'erosione,e un regime di pulizia pianificato determinano se il margine di progettazione viene consumato in un anno o in cinque.
• Selezione del liquido di raffreddamento e approccio:La temperatura del liquido di raffreddamento determina la pressione di condensazione raggiungibile, perché un condensatore ha bisogno di una differenza di temperatura finita per respingere il calore.la differenza tra la temperatura di condensazione e la temperatura di uscita del liquido refrigerante, è in genere di 3-10°C nelle unità raffreddate ad acqua e di 10-25°C nelle unità raffreddate ad aria.che aumenta la contropressione del compressore e della turbina e costa energiaQuesto è il motivo per cui l'ottimizzazione economica non è semplicemente il più piccolo condensatore:una superficie più ampia con un approccio più stretto costa più capitale ma riduce la pressione di esercizio e il consumo di energia durante tutta la vita dell'impiantoLa temperatura ambiente della lampadina secca rispetto a quella della lampadina umida è l'input decisivo per i progetti raffreddati ad aria e evaporativi, e il caso di progettazione è di solito un picco estivo con un superamento definito.

2Principali tipi di condensatori industriali

Quattro configurazioni coprono la grande maggioranza dei compiti di condensazione industriale:

• Condensatore a conchiglia e tubo:Il cavallo di battaglia delle industrie di processo, generalmente costruito per TEMA con un cofano BEM, un guscio a passaggio unico, una disposizione in tubo U o un BEU con un fascio di tubo U per il servizio di vapore pulito.Il vapore normalmente si condensa sul lato della conchiglia e l'acqua di raffreddamento scorre attraverso i tubi, perché tale disposizione consente un migliore drenaggio, una più facile pulizia del lato dell'acqua e una migliore accoglienza del grande volume di vapore a bassa pressione.Le unità orizzontali con il vapore che entra in cima e il condensato che esce in fondo sono standardI progettisti devono vigilare sulle velocità di ingresso del vapore, che possono raggiungere i 30-60 m/s in servizio a vuoto, e fornire una piastra di impatto o una grande cupola di ingresso per prevenire l'erosione del tubo e il danno da vibrazioni.
• Condensatore raffreddato ad aria:Un condensatore raffreddato ad aria utilizza tubi a pinne e grandi ventilatori assiali per respingere il calore direttamente nell'atmosfera, eliminando completamente l'acqua di raffreddamento.E' la scelta standard per impianti remoti., per molti servizi aerei di raffinazione e per la condensazione di vapore delle centrali elettriche nelle regioni secche.sensibilità alla temperatura ambiente e alla ricircolazione dell'aria tra i comparti, e potenza del ventilatore che può raggiungere l'1-2% del peso rifiutato.Quindi il raffreddamento dell'aria deve essere valutato sul costo totale di proprietà piuttosto che solo sul costo dell'attrezzatura.
• Condensatore a piastra e a spirale:Un condensatore a piastra con guarnizione o saldata raggiunge coefficienti di 3.000-6.000 W/m2K perché i canali ondulati inducono turbolenze a bassi numeri di Reynolds e la piastra è sottile.Il risultato è un'unità molto compatta con un approccio ravvicinato di 1-3°C e un piccolo volume di contenimentoI limiti sono la pressione, in genere a 25 bar per le unità con guarnizione e superiore per le unità saldate o brasate, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, lafissato dal materiale della guarnizione a circa 150-180°CLe unità a piattaforma a spirale gestiscono meglio i flussi sporchi e inquinanti e sono in una certa misura auto-pulite.e sono utilizzati per le attività di condensazione di liquami e viscosi.
• Condensatore barometrico e a contatto diretto:Un condensatore barometrico mescola il vapore direttamente con l'acqua di raffreddamento, dando un approccio essenzialmente zero e un costo di capitale molto basso,al prezzo della produzione di un grande volume di condensato contaminato che deve essere trattato- è classico nei sistemi a vuoto: il condensatore è montato almeno 10,3 m sopra il pozzo caldo in modo che l'acqua scorra lungo un tratto barometrico contro la pressione atmosferica,mantenimento del vuoto senza pompaEsistono sistemi a spruzzo, a baffle-tray e a getto. Il contatto diretto viene utilizzato quando il condensato è inutile o facilmente trattato, come nei sistemi a vuoto degli evaporatori,Deodorizzatori di olio di palma e evaporazioni multi-effetto, ma è escluso quando il condensato deve essere recuperato come prodotto pulito o quando il vapore è pericoloso e non può essere scaricato con l'acqua.

Matrice di confronto dei tipi di condensatori industriali

Domande frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra un condensatore e uno scambiatore di calore?

R: Un condensatore è un tipo di scambiatore di calore, quindi la distinzione è di servizio piuttosto che di categoria.considerando che un condensatore elimina specificamente il calore latente e produce un cambiamento di fase dal vapore al liquidoQuesta differenza guida la progettazione: in un condensatore il flusso caldo rimane a temperatura sostanzialmente costante poiché rilascia calore latente, quindi la correzione LMTD è di solito vicina a 1.0■ la pellicola di condensato, non il liquido di raffreddamento, è spesso la resistenza di controllo; e il recipiente deve fornire una distribuzione del vapore ad alta velocità di entrata,drenaggio del condensato e ventilazione non condensabile, nessuno dei quali appare in uno scambiatore liquido-liquido. Alcune unità fanno entrambe le cose, come un condensatore-sotto raffreddatore che condensa e poi raffredda sensibilmente il liquido in una sezione allagata.

D: Perché le prestazioni del condensatore a vuoto diminuiscono all'improvviso?

R: La causa più comune è la perdita di aria. In un recipiente che opera sotto la pressione atmosferica, ogni guarnizione di flangia, fusto della valvola, collegamento dello strumento e vetro di vista è un potenziale percorso di perdita,e l'aria aspirata si accumula invece di condensarsiCome si è notato, l'1% di aria per volume può ridurre l'U efficace del 30-50%. La seconda ragione è un sistema di vuoto difettoso o di dimensioni insufficienti: gli ejectori di vapore perdono prestazioni quando la pressione o la qualità del vapore del motore scende,e pompe a anello liquido perdono capacità quando l'acqua di tenuta si riscalda al di sopra della temperatura di progettoLa terza è l'inondazione da condensato, in cui un scarico bloccato o di dimensioni ridotte rimette il liquido nel fascio e trasforma l'area di condensazione in un'area di sotto raffreddamento inutile.se si allarga mentre il flusso del liquido di raffreddamento e la temperatura di entrata sono invariati, cercare prima per le perdite d'aria e poi per le inondazioni.

D: Quanto sotto raffreddamento dovrebbe fornire un condensatore?

R: Per la maggior parte dei servizi di processo,2-5°C al di sotto della temperatura di saturazione è sufficiente e di solito si ottiene involontariamente con il condensato che scorre attraverso una parte più fredda del fascio o con una piccola sezione allagataUn subcooling più elevato di questo è costoso, perché è un compito ragionevole a una piccola differenza di temperatura e consuma superficie in modo sproporzionato; ogni grado aggiuntivo può richiedere un aumento della superficie del 3-8%.Tuttavia, più sotto raffreddamento è deliberatamente specificato quando il condensato va a una pompa centrifughe vicino al suo punto di ebollizione, dove il sotto raffreddamento aggiuntivo è un'assicurazione economica contro la cavitazione,o quando il condensato viene flashato a una pressione inferiore a valle e le perdite di flash devono essere ridotte al minimoUna pompa di condensato dovrebbe generalmente ricevere un sotto raffreddamento di almeno 5-10°C, oppure il ricevitore deve essere elevato per fornire un NPSH adeguato.

D: Quale manutenzione è più importante per un condensatore?

R: Tre attività predominano: la pulizia del lato dell'acqua secondo un programma adeguato alla qualità dell'acqua, dato che uno strato di inquinamento di soli 0,5 mm di scala può ridurre l'U del 25-40%;la pulizia meccanica con spazzole o acqua ad alta pressione è di routine per le unità di guscio e tubo, mentre le unità di piastra vengono pulite chimicamente sul posto.con la valvola di ventilazione o l'orificio controllato per il blocco e il sistema di vuoto testato per la capacità con un tasso di fuga d'aria noto annualmente. e rilevamento delle perdite, perché una perdita di tubo permette l'acqua di raffreddamento nel lato del processo o fluido di processo nell'acqua di raffreddamento, entrambi i quali sono un evento di contaminazione e di sicurezza;prova periodica del tubo con corrente di vortice, i metodi di tenuta della pressione o di tracciamento identificano l'assottigliamento prima che diventi un guasto.la pressione di condensazione e la temperatura del condensato devono essere tutte orientate in modo che un avvicinamento in aumento sia rilevato precocemente.