Ontwerpen Van Stoomwarmtewisselaars & Tracing Systemen: Expertrichtlijnen Voor Ingenieurs

Stoomwarmtewisselaars en Tracing Systemen: Best Practices Voor Ontwerpingenieurs

Alex Chu, Industrial Steam System SME, Swagelok Field Engineering

Het ontwerpen van een correcte stoomwarmtewisselaar of stoomtracing systeem vereist eerst een volledig begrip van de operationele kenmerken waar het systeem zal functioneren. Onvoldoende prestaties worden het meest toegeschreven aan het nalaten van de ontwerpingenieur om alle stoomsysteemkenmerken te overwegen. Een grondige review moet worden uitgevoerd van de operationele parameters en documentatie van het stoomsysteem. Het niet begrijpen van de context van de toepassing resulteert vaak in onpassende controle of selectie van systeemcomponenten.

Veelvoorkomende Ontwerp- En Productselectieproblemen

Basisfundamenten moeten worden overwogen bij het ontwerpen van een industriële stoomsysteem om vroege falen of onderprestaties te vermijden. De experts bij Swagelok hebben tal van industriële warmteoverdrachtstoepassingen in diverse locaties en industrieën beoordeeld en hebben vastgesteld dat de meest voorkomende problemen worden veroorzaakt door ofwel onjuiste componentselectie of onjuiste installatiepraktijken. Voorbeeldproblemen zijn:

• Onacceptabele eindproductkwaliteit
• Vroegtijdige componentfalings
• Slecht temperatuurcontrole
• Onvoldoende warmteoverdracht
• Waterhamer
• Vervuiling van de warmteoverdrachtapparatuur
• Code- en standaardschendingen

Best Practices Voor Stoomsysteemontwerp

Het volgen van enkele eenvoudige richtlijnen en bewezen veldtechnieken kan u helpen de veelvoorkomende problemen die geassocieerd zijn met het ontwerpen van een industriële stoomsysteem te vermijden. De volgende best practices die doorheen dit artikel worden vermeld, zouden beoordeeld en geïmplementeerd moeten worden in het stoomsysteemontwerp, onderhoud en specificatieprogramma van uw faciliteit vóór het selecteren van uw volgende stoomwarmtewisselaar en tracing componenten.

1. Elimineer opbouw en meedrag van stoomtoevoercondensaat

Een stoomregelklep is ontworpen om stoomstroom te moduleren tussen 0 tot 100%. Bij lage of geen stroomscenario's kan condensaat accumuleren vóór de inlet van de regelklep. Condensaatopbouw voor de klep kan een waterhamer veroorzaken. Bovendien kan elk condensaat dat door de stoomregelklep passeert, vroege uitputting van de regelklep veroorzaken.

U kunt de opbouw van condensaat op verschillende manieren elimineren. Het installeren van een drupbeen vóór de klep, isolatieverbetering, correct graden van de stoomleiding, of installatie van een stoomscheider vóór de klep zijn slechts enkele van de methoden. Deze methoden voorkomen condensatie in de eerste plaats of laten het condensaat afvoeren van de regelklep om geëvacueerd te worden met de hulp van een stoomvang.

2. Volg turndown ratio richtlijnen voor regelkleppen

Warmteoverdrachtcomponenten vereisen correct gesizeerde regelkleppen voor effectieve proces temperatuurcontrole en zitlevensduur. Een primaire factor bij het selecteren van regelkleppen is de turndown capaciteit, rangeability of werkbereik van de klep.

Alle kleppen zullen een zeker oncontrolleerbare stroom hebben, met name bij de uiterste bereiken van de klephub vanwege afdichtingstoleranties en stroomlineariteit.

Hier volgen enkele turndown ratio richtlijnen voor regelkleppen:

• Kooi-regelklep = 40:1 turndown ratio biedt de hoogste graad van controleerbaarheid.
• Globe regelklep = 30:1 turndown ratio.
• Regulerende klep = 20:1 turndown ratio.

Onjuist gesizeerde regelkleppen kunnen leiden tot slechte proces temperatuurcontrole, vroege slijtage van de klepzittingen en overmatig lawaai.

3. Installeer manometers voor en na de regelklep

Manometers leveren de informatie die nodig is om de condities binnen het systeem te begrijpen. Het is een goede praktijk om een manometer voor en na een regelklep en op de condensaatretourbeen na de stoomvang te installeren. Dit biedt accurate data om te helpen begrijpen de drukkenmerken van de stoom die door de stoomwarmtewisselaar passeert. Bovendien moeten alle manometers geïnstalleerd worden met een spoel sifon (pigtail) om hoge temperatuurschade te voorkomen en dubbele blok isolatiekleppen om onderhoud toe te staan.

4. Installeer vacuum breakers

Elk stoomsysteem dat geïsoleerd kan worden van de stoomtoevoer en niet open staat voor de atmosfeer moet vacuum breakers installeren. Dit omvat apparatuur zoals stoomleidingen, ketels, plaat- of shell-and-tube warmtewisselaars. Wanneer stoom afkoelt binnen apparatuur, zal het condenseren. Aangezien condensaat slechts tot 1/1700ste van het totale volume van zijn massa kan innemen vergeleken met de gasfase, ontstaat er een vacuum.

Vacuum breakers beschermen stoomsystemen tegen implosie wanneer een systeem wordt afgeschakeld door een vacuumvoorkomen. Het wordt doorgaans aanbevolen dat alle stoomapparatuur een luchtafvoer en vacuum breaker heeft geïnstalleerd op door de apparatuurfabrikant aangewezen punten.

5. Installeer automatische luchtafvoeren

Tijdens afsluitingen en onderhoud dringt lucht in stoomsystemen. Lucht moet uitgeblazen worden voordat het systeem weer in dienst kan worden gesteld. Het bestaan van lucht in een stoomwarmtewisselaarsysteem heeft verschillende nadelige effecten op warmteoverdracht en is vaak de oorzaak van trage opstarts. De lucht in het systeem kan dunne grenslagen vormen op warmteoverdraagoppervlakken – een isolerend effect creërend en warmteoverdracht belemmerend. Een luchtfilm van slechts 1/1000ste van een inch dik heeft hetzelfde effect als 13 inch koper of 3 inch gietijzer.

Stoomvangen mogen niet worden betrouwd om lucht af te voeren omdat ze zich op het laagste punt in het systeem bevinden en hete lucht de neiging heeft om in plaats daarvan op het hoogste punt vast te zitten. Automatische luchtafvoeren zijn een van de meest efficiënte manieren om lucht binnen een stoomsysteem te verwijderen. Een luchtafvoer gemonteerd op het einde van een stoomhoofd, of op het hoogste punt van een apparatuur in combinatie met een vacuum breaker, zal openen wanneer lucht aanwezig is.

6. Vermijd achterdruk binnen warmteoverdrachtapparatuur

Bij het ontwerpen van warmteoverdrachtapparatuur voor uw stoomsysteem, wordt condensatafvoering bereikt door zwaartekracht of een differentiaal druk. Indien mogelijk, zou warmteoverdrachtapparatuur geïnstalleerd moeten worden om gravitationele afvoering te bevorderen zonder verticale lift voor of na stoomvangen. Dit is cruciaal in elke toepassing die een modulierende stoomregelklep heeft. Sommige toepassingen staan gravitationele afvoering niet toe, en in deze gevallen moet zorgvuldigheid worden betaald om ervoor te zorgen dat geen oneigenlijke achterdruk wordt geplaatst op condensatapparaten zoals stoomvangen of regelkleppen. Vroegtijdige falen en prestatieproblemen kunnen optreden door onverwachte achterdruk op de afvoertoestellen, wat ertoe leidt dat condensaat in de apparatuur accumuleert. Dit zal resulteren in waterhamer, onvoldoende temperatuurcontrole, verminderde efficiëntie en corrosieproblemen.

7. Voorkom oververhit stoom

Typische stoomverwarmingsapplicaties vereisen 100% kwaliteit verzadigde stoomtoevoer. Deze kwaliteitsgraad verwijst naar stoom die geen meegesleepte condensaatdruppels in de stoom bevat. Oververhitte stoom, of stoom bij een hogere temperatuur dan zijn verzadigingspunt, moet worden voorkomen om in het warmteoverdrachtproces te komen. Oververhitte stoom bevat minder energie per eenheidsvolume dan verzadigde stoom en kan prestatieproblemen veroorzaken als niet geanticipeerd in het oorspronkelijke stoomsysteemontwerp. Oververhitte stoomtoevoer kan geconditioneerd worden door een desuperheater te installeren.

8. Vergrendel balvleugels

Balvleugels kunnen een veilige, betrouwbare en kosteneffectieve oplossing bieden voor lekvrije isolatie in een stoomsysteem. Balvleugels staan toe voor snelle identificatie van isolatietoestand door zijn handvatorientatie. Balvleugels van twee inch of kleiner kunnen gekocht worden met vergrendelbare handvaten, wat de beste veiligheidspraktijk biedt voor een lockout of tagout. Zorg ervoor dat u controleert met uw veiligheids- en inspectieafdeling om de naleving van eventuele site- of lokale reguleringen betreffende lockout of tagout procedures binnen uw stoomsysteem te garanderen.

9. Correcte selectie en dimensionering van stoomvangen

Er zijn veel verschillende mechanische ontwerpen voor stoomvangen. Verschillende ontwerpen zijn geschikt voor verschillende toepassingen en sommige zijn betrouwbaarder dan andere. Voor stoomwarmtewisselaartoepassingen is een mechanisch type stoomvang het beste geschikt voor modulierende stroom. Voor stoomtracing kan een verscheidenheid aan stoomvangtypen geselecteerd worden afhankelijk van toepassingsbehoeften.

Overige overwegingen voor stoomvangselectie is dimensionering gebaseerd op maximum en minimum stroom, vereisten voor priming, luchtafvoeren, functionele testen en montageopties. Swagelok adviseert universele montage voor kleinere stoomvangen om gemak van onderhoud en vervanging toe te staan.

De mogelijkheid om stoomvangen te testen zonder speciaal apparatuur is gunstig, met name op een gesloten lus retoursysteem. Dit kan bereikt worden door een downstream bypass te installeren zodat een visuele controle van de condensatafuif gemakkelijk en snel uitgevoerd kan worden.

10. Installeer een zeef om vreemde besmetting te voorkomen

Besmetting kan prevalent worden in een stoomleiding door corrosie en zijn bijproducten. De contaminanten kunnen zich vastzetten in de regelkleptrims, isolatieklepzittingen en stoomvangzittingen – wat vroege uitputting of vervuiling van deze componenten veroorzaakt. Een zeef zal als filter fungeren, wat voorkomt dat vreemde materialen het stoomsysteem binnendringen.

Bij het installeren van de zeef, installeer altijd een blowdown-klep met een lockout-faciliteit, en vent de afvoer van de klep naar een veilige locatie. Zorg ervoor dat u de zeef installeert met het zeefgedeelte in de horizontale positie om accumulatie van condensaat binnen de zeefbody te voorkomen.

Wilt u meer weten over hoe u de stoomsystemen van uw faciliteit kunt verbeteren? Registreer u voor Swagelok's Stoom Services Training Cursus om inzicht te krijgen in stoomsysteembeheer aangepast aan uw industrie en specifieke behoeften. Neem contact op met uw geautoriseerde Swagelok verkoop- en servicecentrum om privé-training op uw faciliteit aan te vragen.