Dampfwärmetauscher und Begleitheizungssysteme:Best Practices für Konstrukteure

Dampfwärmetauscher und Begleitheizungssysteme:Best Practices für Konstrukteure

Alex Chu, Industrielles Dampfsystem KMU, Swagelok Field Engineering

Die Konstruktion eines geeigneten Dampfwärmetauschers oder Dampfbegleitheizungssystems erfordert zunächst ein umfassendes Verständnis der Betriebseigenschaften, in denen das System funktionieren wird. Unzureichende Leistung wird am häufigsten dem Versäumnis eines Konstrukteurs zugeschrieben, alle Merkmale des Dampfsystems zu berücksichtigen. Eine gründliche Überprüfung der Betriebsparameter und der Dokumentation des Dampfsystems sollte durchgeführt werden. Wenn der Kontext der Anwendung nicht verstanden wird, führt dies häufig zu einer unangemessenen Steuerung oder Auswahl von Systemkomponenten.

Allgemeine Design- und Produktauswahlprobleme

Beim Entwurf eines industriellen Dampfsystems müssen grundlegende Grundlagen berücksichtigt werden, um einen vorzeitigen Ausfall oder eine Minderleistung zu vermeiden. Die Experten von Swagelok haben zahlreiche industrielle Wärmeübertragungsanwendungen an verschiedenen Standorten und in verschiedenen Branchen untersucht und festgestellt, dass die häufigsten Probleme entweder durch falsche Komponentenauswahl oder unsachgemäße Installationspraktiken verursacht werden. Beispiele für Probleme sind:

• Inakzeptable Qualität des Endprodukts
• Vorzeitiger Ausfall von Komponenten
• Schlechte Temperaturregelung
• Unzureichende Wärmeübertragung
• Wasserschlag
• Fouling der Wärmeübertragungseinrichtung
• Verstöße gegen den Kodex und die Standards

Best Practices für das Steam-Systemdesign

Das Befolgen einiger einfacher Richtlinien und erprobter Praxistechniken kann Ihnen helfen, die üblichen Probleme zu vermeiden, die mit der Konstruktion eines industriellen Dampfsystems verbunden sind. Die folgenden Best Practices, die in diesem Artikel aufgeführt sind, sollten überprüft und in das Dampfsystemdesign-, Wartungs- und Spezifikationsprogramm Ihrer Einrichtung implementiert werden, bevor Sie Ihren nächsten Dampfwärmetauscher und Begleitheizungskomponenten auswählen.

1. Beseitigen Sie die Ansammlung und Verschleppung von Kondensat in der Dampfversorgung

Ein Dampfregelventil ist dafür ausgelegt, den Dampfstrom zwischen 0 und 100 % zu modulieren. Bei Szenarien mit geringem oder keinem Durchfluss kann sich Kondensat vor dem Einlass des Steuerventils ansammeln. Kondensatansammlung vor dem Ventil kann einen Wasserschlag verursachen. Außerdem kann durch das Dampfregelventil strömendes Kondensat zu einem vorzeitigen Ausfall des Regelventils führen.

Sie können die Bildung von Kondensat auf verschiedene Weise beseitigen. Die Installation eines Tropfrohrs vor dem Ventil, die Verbesserung der Isolierung, die richtige Abstufung der Dampfleitung oder die Installation eines Dampfabscheiders vor dem Ventil sind nur einige der Methoden. Diese Methoden verhindern Kondensation entweder von vornherein oder ermöglichen es, das Kondensat mit Hilfe eines Kondensatableiters vom Regelventil wegzuleiten und abzuleiten.

2. Befolgen Sie die Richtlinien für das Turndown-Verhältnis für Regelventile

Wärmeübertragungskomponenten erfordern richtig dimensionierte Regelventile für eine effektive Prozesstemperaturregelung und Sitzlebensdauer. Ein Hauptfaktor bei der Auswahl von Steuerventilen ist die Turndown-Fähigkeit, das Stellverhältnis oder der Arbeitsbereich des Ventils.

Alle Ventile haben einen gewissen unkontrollierbaren Durchfluss, insbesondere in den extremen Bereichen des Ventilhubs aufgrund von Dichtungstoleranzen und Linearität des Durchflusses.

Im Folgenden finden Sie einige Richtlinien für das Turndown-Verhältnis für Regelventile:

• Käfigsteuerung =40:1 Turndown-Verhältnis bietet das höchste Maß an Steuerbarkeit.
• Kugelregelventil =Regelverhältnis 30:1.
• Regelventil =Regelverhältnis 20:1.

Regelventile mit falscher Größe können zu einer schlechten Prozesstemperaturregelung, vorzeitigem Verschleiß der Ventilsitze und übermäßigen Geräuschen führen.

3. Installieren Sie Manometer vor und nach dem Regelventil

Manometer liefern die Informationen, die zum Verständnis der Bedingungen im Inneren des Systems erforderlich sind. Es hat sich bewährt, ein Manometer vor und nach einem Regelventil und am Kondensatrücklauf nach dem Kondensatableiter zu installieren. Dies liefert genaue Daten zum Verständnis der Druckeigenschaften des Dampfes, der durch den Dampfwärmetauscher strömt. Darüber hinaus sollten alle Manometer mit einem Spulensiphon (Pigtail) installiert werden, um Schäden durch hohe Temperaturen zu vermeiden, und Doppelblock-Absperrventilen, um die Wartung zu ermöglichen.

4. Installieren Sie Vakuumbrecher

Jedes Dampfsystem, das von der Dampfversorgung isoliert werden kann und nicht zur Atmosphäre hin offen ist, muss Vakuumbrecher installieren. Dazu gehören Geräte wie Dampfleitungen, Kessel, Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher. Wenn Dampf in Geräten abkühlt, kondensiert er. Da Kondensat im Vergleich zur Gasphase nur bis zu 1/1700 seines Gesamtvolumens einnehmen kann, entsteht ein Vakuum.

Vakuumbrecher schützen Dampfsysteme vor Implosion, wenn ein System abgeschaltet wird, indem sie das Auftreten eines Vakuums verhindern. Es wird allgemein empfohlen, dass alle Dampfgeräte eine Entlüftung und einen Vakuumbrecher haben, die an den vom Gerätehersteller angegebenen Stellen installiert sind.

5. Installieren Sie automatische Entlüfter

Bei Abschaltungen und Wartungsarbeiten dringt Luft in Dampfsysteme ein. Die Luft muss abgelassen werden, bevor das System wieder in Betrieb genommen werden kann. Das Vorhandensein von Luft in einem Dampfwärmetauschersystem hat mehrere nachteilige Auswirkungen auf die Wärmeübertragung und ist oft die Ursache für langsames Anfahren. Die Luft im System kann an Wärmeübertragungsflächen dünne Grenzschichten bilden, die isolierend wirken und die Wärmeübertragung behindern. Ein Luftfilm von nur 1/1000 Zoll Dicke hat die gleiche Wirkung wie 13 Zoll Kupfer oder 3 Zoll Gusseisen.

Man sollte sich nicht auf Kondensatableiter verlassen, um Luft abzulassen, da sie sich am tiefsten Punkt im System befinden und heiße Luft stattdessen dazu neigt, am höchsten Punkt eingeschlossen zu werden. Automatische Entlüfter sind eine der effizientesten Möglichkeiten, Luft aus einem Dampfsystem zu entfernen. Eine am Ende einer Dampfleitung oder am höchsten Punkt eines Geräts in Verbindung mit einem Vakuumbrecher angebrachte Entlüftung öffnet sich, wenn Luft vorhanden ist.

6. Gegendruck in Wärmeübertragungsgeräten vermeiden

Bei der Konstruktion von Wärmeübertragungsgeräten für Ihr Dampfsystem erfolgt die Kondensatableitung entweder durch Schwerkraft oder eine Druckdifferenz. Wenn möglich, sollten Wärmeübertragungsgeräte installiert werden, um die Gravitationsentwässerung ohne vertikalen Auftrieb vor oder nach Kondensatableitern zu fördern. Dies ist bei allen Anwendungen mit modulierendem Dampfregelventil von entscheidender Bedeutung. Einige Anwendungen erlauben keine Gravitationsentwässerung, und in diesen Fällen muss darauf geachtet werden, dass kein übermäßiger Gegendruck auf Kondensatvorrichtungen wie Kondensatableiter oder Regelventile ausgeübt wird. Vorzeitige Ausfälle und Leistungsprobleme können aufgrund eines unerwarteten Gegendrucks an den Ablassvorrichtungen auftreten, wodurch sich Kondensat in der Ausrüstung ansammeln kann. Dies führt zu Wasserschlägen, unzureichender Temperaturkontrolle, reduzierter Effizienz und Korrosionsproblemen.

7. Heißdampf vermeiden

Typische Dampfheizanwendungen erfordern eine Sattdampfversorgung von 100 % Qualität. Diese Qualitätsstufe bezieht sich auf Dampf, der keine mitgeführten Kondensattröpfchen im Dampf enthält. Überhitzter Dampf oder Dampf mit einer höheren Temperatur als seinem Sättigungspunkt sollte daran gehindert werden, in den Wärmeübertragungsprozess einzutreten. Überhitzter Dampf enthält weniger Energie pro Volumeneinheit als Sattdampf und kann Leistungsprobleme verursachen, wenn dies nicht im ursprünglichen Dampfsystemdesign vorgesehen ist. Die Versorgung mit überhitztem Dampf kann durch die Installation eines Heißdampfkühlers konditioniert werden.

8. Absperrkugelhähne

Kugelhähne können eine sichere, zuverlässige und kostengünstige Lösung für eine leckdichte Absperrung in einem Dampfsystem bieten. Kugelhähne ermöglichen durch ihre Griffausrichtung eine schnelle Identifizierung des Isolationszustands. Kugelhähne von 2 Zoll oder kleiner können mit Verriegelungsgriffen erworben werden und bieten die beste Sicherheitspraxis für eine Verriegelung oder Kennzeichnung. Wenden Sie sich unbedingt an Ihre Sicherheits- und Inspektionsabteilung, um sicherzustellen, dass alle Standort- oder örtlichen Vorschriften in Bezug auf Sperr- oder Kennzeichnungsverfahren in Ihrem Dampfsystem eingehalten werden.

9. Richtige Auswahl und Dimensionierung von Kondensatableitern

Es gibt viele verschiedene mechanische Konstruktionen für Kondensatableiter. Unterschiedliche Designs sind für unterschiedliche Anwendungen geeignet und einige sind zuverlässiger als andere. Für Anwendungen mit Dampfwärmetauschern ist ein mechanischer Kondensatableiter am besten geeignet, um den Durchfluss zu modulieren. Für die Dampfbegleitheizung können je nach Anwendungsanforderungen verschiedene Typen von Kondensatableitern ausgewählt werden.

Weitere Überlegungen zur Auswahl von Kondensatableitern sind die Dimensionierung basierend auf maximalem und minimalem Durchfluss, Anforderungen für das Vorfüllen, Entlüften, Funktionstests und Montageoptionen. Swagelok empfiehlt die Verwendung von Universalhalterungen für kleinere Kondensatableiter, um Wartung und Austausch zu erleichtern.

Die Möglichkeit, Kondensatableiter ohne spezielle Ausrüstung zu testen, ist von Vorteil, insbesondere bei einem Rücklaufsystem mit geschlossenem Kreislauf. Dies kann durch die Installation eines nachgeschalteten Bypasses erreicht werden, so dass eine visuelle Kontrolle des Kondensatablaufs einfach und schnell durchgeführt werden kann.

10. Installieren Sie ein Sieb, um Verunreinigungen durch Fremdkörper zu vermeiden

In einer Dampfleitung kann es aufgrund von Korrosion und ihren Nebenprodukten zu Verunreinigungen kommen. Die Verunreinigungen können sich in den Steuerventil-Innengarnituren, Absperrventilsitzen und Kondensatableitersitzen festsetzen und zu vorzeitigem Ausfall oder Verschmutzung dieser Komponenten führen. Ein Sieb dient als Filter und verhindert, dass Fremdstoffe in das Dampfsystem gelangen.

Installieren Sie bei der Installation des Schmutzfängers immer ein Ablassventil mit Absperrvorrichtung und entlüften Sie den Auslass des Ventils an einem sicheren Ort. Achten Sie darauf, das Sieb mit dem Siebabschnitt in horizontaler Position zu installieren, um eine Ansammlung von Kondensat im Siebkörper zu vermeiden.

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