El supuesto de calidad del vapor
La mayoría de las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE incluyen la presión y la temperatura del vapor. Pocos incluyen parámetros de calidad del vapor-fracción de sequedad, sobrecalentamiento, contenido de gas no-condensable y pureza química. Se supone que el vapor estándar de la planta es adecuado. Esta suposición suele ser incorrecta.
El vapor de la planta transporta trazas de sustancias químicas de la caldera, sólidos disueltos provenientes del arrastre y cantidades variables de agua arrastrada. En el caso de los intercambiadores de calor metálicos, estos contaminantes afectan principalmente el lado del vapor a través de incrustaciones y corrosión-procesos lentos gestionados mediante el tratamiento del agua de la caldera. Para los intercambiadores de calor de PTFE, los efectos difieren porque el material no se corroe ni se incrusta.
Sin embargo, ciertas deficiencias en la calidad del vapor pueden dañar los intercambiadores de PTFE mediante mecanismos no relacionados con la corrosión. El vapor sobrecalentado puede exceder la temperatura de servicio continuo de los materiales de soporte. Los sólidos arrastrados por la caldera pueden erosionar las superficies de PTFE a altas velocidades. Los gases no-condensables pueden cubrir las superficies de transferencia de calor. Especificar y verificar la calidad del vapor evita estos problemas evitables.
Fracción de sequedad: el parámetro crítico
La fracción de sequedad del vapor es el porcentaje en masa de vapor en la mezcla de vapor-agua. El vapor saturado con un 100% de sequedad no contiene gotas de agua arrastradas. El vapor de la planta normalmente llega con un 95-98 % de sequedad, transportando entre un 2 y un 5 % de agua arrastrada en masa.
Para los intercambiadores de calor de PTFE, la baja fracción de sequedad crea dos problemas. Las gotas de agua arrastradas a la presión de la caldera transportan sólidos disueltos-sodio, sílice y fosfatos-que se depositan dentro de los tubos de PTFE a medida que el agua se evapora. Estos depósitos no son corrosivos para el PTFE, pero aíslan la pared del tubo y reducen la transferencia de calor. Con el paso de los meses, los sólidos acumulados pueden obstruir parcialmente los orificios de los tubos.
Más importante aún, el agua arrastrada a alta velocidad provoca la erosión de la superficie de PTFE. Las gotas de agua que impactan la pared del tubo a velocidades de vapor de 20-30 m/s crean rugosidad localizada en la superficie. El efecto es menor a corto plazo pero acumulativo a lo largo de los años de servicio.
Se recomienda una fracción de sequedad del 98 % o superior para los intercambiadores de calor de PTFE en servicio continuo. Esto se logra mediante una adecuada separación del vapor en la caldera y tuberías de vapor del tamaño adecuado con un drenaje adecuado.
Tabla 1: Especificaciones de calidad del vapor para el servicio de intercambiador de calor de PTFE
| Parámetro de calidad del vapor | Límite recomendado | Consecuencia de exceder el límite | Método de medición |
|---|---|---|---|
| Fracción de sequedad | Mayor o igual al 98% | Deposición de sólidos; erosión en las entradas de los tubos | Calorímetro de estrangulamiento |
| Sobrecalentamiento (por encima de la saturación) | Menor o igual a 10 grados | Excede la calificación del material de soporte; Riesgo de degradación térmica de los componentes de PVDF. | Sonda de temperatura aguas arriba del intercambiador |
| Gases no-condensables (CO₂, O₂, N₂) | Menor o igual al 0,5% en volumen | Cobertura de transferencia de calor; superficie efectiva reducida | Solubilidad del gas o análisis Orsat |
| Sólidos disueltos totales en el condensado | Menor o igual a 10 ppm | Ensuciamiento del tubo interno; valor U-reducido | Medidor de conductividad en muestra de condensado |
| Remanentes de sustancias químicas en el tratamiento de calderas | Aminas Menor o igual a 1 ppm; Eliminadores de oxígeno Menos o igual a 0,5 ppm. | Riesgo de permeación si los fluidos del lado del tubo-y del armazón-deben permanecer separados | Análisis de iones específicos |
| Partículas (incrustaciones de tuberías, óxido) | Tamaño de partícula menor o igual a 100 μm | Obstrucción de la entrada del tubo; erosión en curvas | Inspección del filtro en línea- |
Límites de sobrecalentamiento
El vapor sobrecalentado es vapor calentado por encima de su temperatura de saturación a una presión determinada. Un recalentamiento leve de 5 a 10 grados es común en plantas donde el vapor viaja largas distancias desde la caldera. Se producen niveles de sobrecalentamiento más altos cuando las calderas funcionan con sobrecalentadores.
La preocupación por los intercambiadores de calor de PTFE no es la tubería de PTFE en sí, que tolera 260 grados. La preocupación es el sistema de apoyo. Las placas de soporte de PVDF tienen un límite de servicio continuo de 150 grados. Si entra vapor sobrecalentado a 180-200 grados al intercambiador, la sección del cabezal no sumergido y las primeras placas de soporte ven temperaturas superiores a su clasificación.
El recalentamiento superior a 10 grados debe eliminarse mediante un atemperador-un sistema de inyección de agua que reduce la temperatura del vapor a la saturación-antes de que el vapor ingrese al intercambiador de PTFE. Alternativamente, se deben especificar materiales de soporte clasificados para la temperatura de sobrecalentamiento máxima posible.
Gases no-condensables
El aire y el dióxido de carbono ingresan a los sistemas de vapor durante el arranque de la caldera, a través de interruptores de vacío y por la descomposición de los químicos del tratamiento de la caldera. Estos gases no-condensables no se condensan con el vapor. Se acumulan en el intercambiador de calor, formando una capa de gas estancado en el lado del vapor de la pared del tubo.
La manta de gas es un aislante eficaz. La transferencia de calor a través de la capa de gas se realiza únicamente por conducción, sin contribución de calor latente. Una concentración de gas de sólo el 1% en volumen puede reducir el coeficiente efectivo de transferencia de calor entre un 10 y un 15% en la zona afectada.
La selección adecuada de trampas de vapor con-capacidad de ventilación de aire incorporada-ventiladores de aire termostáticos o flotador-y-trampas termostáticas-elimina continuamente los gases no-condensables del intercambiador. El sistema de vapor debe incluir salidas de aire en todos los puntos altos donde se puedan acumular gases.
Resumen
El rendimiento confiable del intercambiador de calor de PTFE requiere parámetros de calidad del vapor más allá de la presión y la temperatura. Una fracción de sequedad mínima del 98% previene la deposición de sólidos y la erosión. El sobrecalentamiento debe limitarse a 10 grados por encima de la saturación para proteger los materiales de soporte. El contenido de gas no-condensable debe mantenerse por debajo del 0,5 % mediante una ventilación de aire adecuada y una selección de trampas de vapor.
Estas especificaciones, cuando se incluyen en la adquisición del intercambiador y en el diseño del sistema de vapor, garantizan que el intercambiador de calor de PTFE proporcione el rendimiento térmico de diseño durante toda su vida útil sin-incrustaciones en el lado del vapor ni degradación del material de soporte.
Las recomendaciones de ingeniería para mejorar la calidad del vapor en instalaciones existentes de intercambiadores de calor de PTFE están disponibles previa presentación de las mediciones actuales de la calidad del vapor, los datos de rendimiento del intercambiador y cualquier contaminación interna o degradación del soporte observada.
