Stoomwarmtewisselaars en verwarmingssystemen:best practices voor ontwerpingenieurs

Stoomwarmtewisselaars en verwarmingssystemen:beste praktijken voor ontwerpingenieurs

Alex Chu, industrieel stoomsysteem SME, Swagelok Field Engineering

Het ontwerpen van een goede stoomwarmtewisselaar of stoomverwarmingssysteem vereist eerst een volledig begrip van de operationele kenmerken waar het systeem zal functioneren. Onvoldoende prestaties worden meestal toegeschreven aan het feit dat een ontwerpingenieur geen rekening heeft gehouden met alle kenmerken van het stoomsysteem. Er moet een grondige beoordeling worden uitgevoerd van de bedrijfsparameters en documentatie van het stoomsysteem. Het niet begrijpen van de context van de applicatie resulteert vaak in ongepaste controle of selectie van systeemcomponenten.

Veelvoorkomende problemen met ontwerp en productselectie

Bij het ontwerpen van een industrieel stoomsysteem moet rekening worden gehouden met de basisprincipes om voortijdige uitval of onderprestaties te voorkomen. De experts van Swagelok hebben talloze industriële warmteoverdrachtstoepassingen op verschillende locaties en industrieën beoordeeld en hebben geconstateerd dat de meest voorkomende problemen worden veroorzaakt door een onjuiste keuze van componenten of onjuiste installatiepraktijken. Voorbeelden van problemen zijn:

• Onaanvaardbare kwaliteit van het eindproduct
• Voortijdig falen van componenten
• Slechte temperatuurregeling
• Onvoldoende warmteoverdracht
• Waterhamer
• Vervuiling van de apparatuur voor warmteoverdracht
• Code- en standaardschendingen

Beste praktijken voor het ontwerpen van stoomsystemen

Door enkele eenvoudige richtlijnen en beproefde veldtechnieken te volgen, kunt u de veelvoorkomende problemen vermijden die gepaard gaan met het ontwerpen van een industrieel stoomsysteem. De volgende best practices die in dit artikel worden genoemd, moeten worden beoordeeld en geïmplementeerd in het ontwerp, het onderhoud en het specificatieprogramma van uw stoomsysteem voordat u uw volgende stoomwarmtewisselaar en verwarmingscomponenten selecteert.

1. Elimineer de vorming en overdracht van condensaat in de stoomtoevoer

Een stoomregelklep is ontworpen om de stoomstroom te moduleren tussen 0 en 100%. Bij scenario's met weinig of geen stroming kan condensaat zich ophopen vóór de inlaat van de regelklep. Ophoping van condensaat voor de klep kan een waterslag veroorzaken. Bovendien kan condensaat dat door de stoomregelklep stroomt voortijdige uitval van de regelklep veroorzaken.

Ophoping van condensaat kunt u op verschillende manieren verhelpen. Het plaatsen van een druppelpoot voorafgaand aan de klep, verbetering van de isolatie, het correct indelen van de stoomleiding of installatie van een stoomafscheider voorafgaand aan de klep zijn slechts enkele van de methoden. Deze methoden voorkomen in de eerste plaats condensatie of maken het mogelijk om het condensaat weg te leiden van de regelklep om te worden afgevoerd met behulp van een condenspot.

2. Volg de richtlijnen voor de turndown-verhouding voor regelkleppen

Warmteoverdrachtscomponenten vereisen regelkleppen van de juiste grootte voor een effectieve procestemperatuurregeling en levensduur van de zitting. Een primaire factor bij het selecteren van regelkleppen is het turndown-vermogen, het bereik of het werkbereik van de klep.

Alle kleppen zullen een bepaalde hoeveelheid oncontroleerbare stroming hebben, met name bij de extreme bereiken van de klepslag als gevolg van afdichtingstoleranties en lineariteit van de stroming.

Hieronder volgen enkele richtlijnen voor de afslagverhouding voor regelkleppen:

• Kooicontrole =40:1 turndown-ratio biedt de hoogste mate van beheersbaarheid.
• Globe regelklep =30:1 turndown ratio.
• Regelklep =20:1 turndown ratio.

Verkeerd gedimensioneerde regelkleppen kunnen leiden tot een slechte procestemperatuurregeling, voortijdige slijtage van de klepzittingen en overmatig lawaai.

3. Installeer manometers voor en na de regelklep

Manometers geven de informatie die nodig is om de omstandigheden in het systeem te begrijpen. Het is een goede gewoonte om een ​​manometer voor en na een regelklep en op de condensaatretourpoot na de condenspot te installeren. Dit levert nauwkeurige gegevens op die helpen bij het begrijpen van de drukkenmerken van de stoom die door de stoomwarmtewisselaar gaat. Bovendien moeten alle manometers worden geïnstalleerd met een spiraalsifon (pigtail) om schade door hoge temperaturen te voorkomen en dubbelbloksisolatiekleppen om onderhoud mogelijk te maken.

4. Vacuümonderbrekers installeren

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

Vacuümonderbrekers beschermen stoomsystemen tegen implosie wanneer een systeem wordt stilgelegd door het voorkomen van een vacuüm. Over het algemeen wordt aanbevolen dat alle stoomapparatuur een ontluchter en vacuümonderbreker heeft geïnstalleerd op punten die zijn aangewezen door de fabrikant van de apparatuur.

5. Installeer automatische ventilatieopeningen

Tijdens stilstand en onderhoud komt er lucht in stoomsystemen. De lucht moet worden verwijderd voordat het systeem weer in gebruik kan worden genomen. De aanwezigheid van lucht in een stoomwarmtewisselaarsysteem heeft verschillende nadelige effecten op de warmteoverdracht en is vaak de oorzaak van langzame opstart. De lucht in het systeem kan dunne grenslagen vormen op warmteoverdrachtsoppervlakken, waardoor een isolerend effect ontstaat en de warmteoverdracht wordt belemmerd. Een luchtfilm van slechts 1/1000 inch dik heeft hetzelfde effect als 13 inch koper of 3 inch gietijzer.

Er mag niet op condenspotten worden vertrouwd om lucht af te voeren, aangezien ze zich op het laagste punt in het systeem bevinden en warme lucht de neiging heeft om op het hoogste punt vast te komen te zitten. Automatische ontluchters zijn een van de meest efficiënte manieren om lucht uit een stoomsysteem te verwijderen. Een ontluchter aan het uiteinde van een stoomleiding, of op het hoogste punt van een apparaat in combinatie met een vacuümonderbreker, gaat open als er lucht aanwezig is.

6. Vermijd tegendruk in apparatuur voor warmteoverdracht

Bij het ontwerpen van apparatuur voor warmteoverdracht voor uw stoomsysteem, wordt condensaatafvoer bereikt door zwaartekracht of een drukverschil. Indien mogelijk moet warmteoverdrachtsapparatuur worden geïnstalleerd om drainage door zwaartekracht te bevorderen zonder verticale lift voor of na condenspotten. Dit is cruciaal in elke toepassing met een modulerende stoomregelklep. Sommige toepassingen laten geen zwaartekrachtafvoer toe, en in deze gevallen moet ervoor worden gezorgd dat er geen overmatige tegendruk wordt uitgeoefend op condensaatapparaten zoals condenspotten of regelkleppen. Voortijdige storingen en prestatieproblemen kunnen optreden als gevolg van onverwachte tegendruk op de afvoerinrichtingen, waardoor condensaat zich ophoopt in de apparatuur. Dit zal resulteren in waterslag, onvoldoende temperatuurregeling, verminderde efficiëntie en corrosieproblemen.

7. Voorkom oververhitte stoom

Typische stoomverwarmingstoepassingen vereisen een verzadigde stoomtoevoer van 100% kwaliteit. Dit kwaliteitsniveau verwijst naar stoom die geen condensaatdruppels in de stoom bevat. Oververhitte stoom, of stoom met een hogere temperatuur dan het verzadigingspunt, moet voorkomen worden in het warmteoverdrachtsproces. Oververhitte stoom bevat minder energie per volume-eenheid dan verzadigde stoom en kan prestatieproblemen veroorzaken als deze niet worden voorzien in het oorspronkelijke ontwerp van het stoomsysteem. De toevoer van oververhitte stoom kan worden geconditioneerd door een de-superheater te installeren.

8. Lockout kogelkranen

Kogelkranen kunnen een veilige, betrouwbare en kosteneffectieve oplossing bieden voor lekdichte isolatie in een stoomsysteem. Kogelkranen zorgen voor een snelle identificatie van de isolatietoestand door de oriëntatie van de handgreep. Kogelkranen van twee inch of kleiner kunnen worden gekocht met vergrendelingshendels, wat de beste veiligheidspraktijk biedt voor een lockout of tagout. Zorg ervoor dat u contact opneemt met uw veiligheids- en inspectieafdeling om ervoor te zorgen dat u voldoet aan de plaatselijke of plaatselijke voorschriften met betrekking tot lockout- of tagout-procedures binnen uw stoomsysteem.

9. Correcte selectie en dimensionering van condenspotten

Er zijn veel verschillende mechanische ontwerpen voor condenspotten. Verschillende ontwerpen zijn geschikt voor verschillende toepassingen en sommige zijn betrouwbaarder dan andere. Voor toepassingen met stoomwarmtewisselaars is een condenspot van het mechanische type het meest geschikt voor het moduleren van de stroom. Voor stoomverwarming kan een verscheidenheid aan condenspotten worden geselecteerd, afhankelijk van de toepassingsbehoeften.

Andere overwegingen voor de selectie van condenspotten zijn dimensionering op basis van maximale en minimale stroom, vereisten voor priming, ontluchting, functionele tests en montage-opties. Swagelok raadt het gebruik van universele steunen aan voor kleinere condenspotten om onderhoud en vervanging te vergemakkelijken.

De mogelijkheid om condenspotten te testen zonder speciale apparatuur is gunstig, vooral bij een retoursysteem met gesloten lus. Dit kan door het installeren van een nageschakelde bypass zodat een visuele controle van de condensafvoer eenvoudig en snel kan worden uitgevoerd.

10. Installeer een zeef om vreemde verontreiniging te voorkomen

In een stoomleiding kan verontreiniging optreden als gevolg van corrosie en zijn bijproducten. De verontreinigingen kunnen vast komen te zitten in de regelklepafwerkingen, isolatieklepzittingen en condenspotzittingen, waardoor deze componenten voortijdig defect raken of vervuilen. Een zeef werkt als een filter en voorkomt dat vreemde materialen het stoomsysteem binnendringen.

Installeer bij het installeren van de zeef altijd een spuiklep met een vergrendelingsvoorziening en ontlucht de afvoer van de klep naar een veilige locatie. Zorg ervoor dat u de zeef installeert met het zeefgedeelte in de horizontale positie om ophoping van condensaat in het filterhuis te voorkomen.

Wilt u meer weten over hoe u de stoomsystemen van uw faciliteit kunt verbeteren? Schrijf u in voor Swagelok's Steam Services Training Course om inzicht te krijgen in het beheer van stoomsystemen, aangepast aan uw branche en specifieke behoeften. Neem contact op met uw geautoriseerde Swagelok-verkoop- en servicecentrum om privétraining bij uw instelling aan te vragen.