En quin rang de pressió específic (1-5 bar) l'eficiència tèrmica d'un escalfador de titani cau per sota del 90% a causa de la coberta de condensats?

Per a un enginyer de processos que fa servir un escalfador d'immersió de titani en un sistema a pressió (per exemple, un autoclau, un reactor a pressió o un recipient-escalfat per vapor), l'eficiència tèrmica es redueix dràsticament quan es produeix una cobertura de condensat. La cobertura de condensats es produeix quan la temperatura de la superfície de l'escalfador cau per sota de la temperatura de saturació del vapor al seu voltant, de manera que es forma condensat líquid i s'acumula a la superfície. Aquesta capa líquida augmenta la resistència tèrmica i disminueix l'eficiència de transmissió de calor. Per a un escalfador de titani que funciona en vapor saturat o líquid en ebullició a pressions d'1 a 5 bar (absoluta), l'eficiència tèrmica és inferior al 90% per a un gruix de capa de condensat superior a uns 0,5 mm. El rang de pressió precís on això esdevé una preocupació depèn de la diferència de temperatura entre la funda de l'escalfador i la temperatura de saturació i l'orientació de l'escalfador.

Cobriment de l'escalfador de titani mitjançant un mecanisme de condensació
Quan un escalfador de titani funciona en un medi de vapor (o en un líquid bullent amb ebullició nucleada inestable), la temperatura de la superfície pot ser inferior a la temperatura de saturació del medi circumdant. El condensat es forma en forma de gotes o una pel·lícula contínua. En el cas dels tubs horitzontals, el condensat s'escorre, de manera que la capa es manté raonablement prima (0,1-0,3 mm). Per als tubs verticals, el condensat flueix cap avall i s'espesseix a mesura que flueix. Una capa de condensat de 0,5 mm afegeix una resistència tèrmica al voltant de R_cond=t/k on k per a l'aigua és de 0,6 W/m·K, de manera que R_cond=0.0005 / 0.6=0.00083 m²·K/W. Per exemple, amb un coeficient de transferència de calor sense condensat de 2.000 W/m2·K (Rconv=0.0005 m2·K/W), la resistència total augmenta un 166% amb una capa de condensat de 0,5 mm, donant lloc a una caiguda d'eficiència del 100% al 38%. Amb una capa de condensat de 0,1 mm (R_cond=0.00017) l'eficiència cau al voltant del 75%.

Quantificació de les condicions de pressió i temperatura per a la cobertura de condensats Pressió (bar abs) Temp. de saturació ( grau ) Mín. Temp. de la funda. per evitar la condensació (grau) ΔT crític (saturació de la funda -) Eficiència a ΔT=5 grau (present de condensat) Eficiència a ΔT=15 grau (sense condensació)
1.0 100 > 105 5 grau 65–75% 95–98% 1.5 111 > 116 5 grau 70–80% 95–98% 2.0 120 > 125 5 grau 75–85% 96–98% 2.5 127 > 2.5 127–8% 132 5–8% grau
3.0 133 > 138 5 grau 82-90% 96-98% 4.0 144 > 149 5 grau 85-92% 97-98% 5.0 152 > 157 5 grau 88-94% 97-98%
A menor pressió (1 bar) la temperatura de saturació és més baixa i el condensat es forma més fàcilment, perquè el coeficient de transferència de calor al vapor és menor. La major densitat de vapor a pressions més altes (5 bar) condueix a una millor transferència de calor i menys acumulació de condensats. El problema de l'eficiència de la coberta de condensats és més important en el rang de pressió d'1 a 3 bar. Per sobre de 3 bar, la densitat de vapor més alta afavoreix l'arrossegament de gotes i les capes de condensat més fines.

Una guia basada en escenaris-per a la configuració de la pressió i l'escalfador
Pressió de funcionament (bar abs.) Orientació de l'escalfador Risc crític de condensació Acció recomanada per mantenir l'eficiència per sobre del 90%
1.0 (atmosfèric) Horizontal Alta Orientació vertical. Mantingueu ΔT > 10 graus (la funda 10 graus per sobre de la saturació).
1,0 (atmosfèric) Vertical Moderat Assegureu-vos que una densitat de watts > 3 W/cm² per mantenir la temperatura de la funda > 110 graus.
1.5 Escalfador d'alta inclinació horitzontal 15-30 graus des de l'horitzontal per al drenatge de condensats.
1.5 Baixa vertical L'orientació vertical normalment pot mantenir una eficiència > 90% per a ΔT > 8 graus.
2.0 Horitzontal Moderat Afegiu aletes o trencaclosques de condensació als tubs horitzontals.
2.0 Vertical Baix Disseny vertical acceptable estàndard
3.0 Baixa Mínima cobertura de condensats. Disseny estàndard permès.
4.0–5.0 Very low No extra measures needed >95% d'eficiència fins i tot amb una mica de condensació.
Solucions d'enginyeria per evitar la coberta de condensats
Efficiency loss from condensate blanketing in the critical pressure range (1–3 bar) is prevented by many design improvements. The best way to solve this is to have the heater standing up. In the vertical tubes condensate is removed by gravity, which keeps the film thickness below 0.1 mm for a length less than 1 m. Vertical heater at 2 bar, >95% d'eficiència fins i tot a baixa densitat de watts Alternativament, es podria augmentar la densitat de watts. També podem augmentar la temperatura de la funda entre 10 i 15 graus per sobre de la saturació, que evaporarà el condensat a mesura que es formi perquè no s'acumuli. Per a un sistema de 2 bars (saturació 120 graus), un nivell de funcionament de 8 W/cm2 dóna una temperatura de la funda d'uns 135-140 graus. Això dóna un sobreescalfament de 15-20 graus que elimina el condensat líquid. Una tercera alternativa és col·locar característiques de drenatge de condensats, com ara solcs circumferencials, costelles helicoïdals o aletes de degoteig en tubs horitzontals que trenquen la pel·lícula de condensat i milloren l'alliberament de gotes, reduint el gruix efectiu de la pel·lícula en un 50-70%.

Conclusió: eficiència<90% @1-3 bar with condensate blanketing
Per a un escalfador de titani que funciona amb vapor saturat o líquid bullint a 1-3 bar (absoluta) de pressió, quan es produeix un encapsulament de condensat, l'eficiència tèrmica cau per sota del 90% (cosa que es produeix quan la temperatura de la funda és inferior a 5-10 graus per sobre de la temperatura de saturació). Amb un escalfador horitzontal a 2 W/cm$^2$, l'eficiència pot ser només del 65-75% a 1 bar (saturació de 100 graus) a causa de l'acumulació de condensats. L'augment de la densitat del vapor i una millor transmissió de calor a 5 bar (saturació a 152 graus) es manté per sobre del 95% d'eficiència amb una mica de condensat. Per a eficiències superiors al 90% en el rang crític d'1-3 bar, seleccioneu l'orientació vertical de l'escalfador, manteniu la densitat de watts per sobre de 5 W/cm² (o sobreescalfament de la funda d'almenys 10 graus) o proporcioneu instal·lacions de drenatge de condensats en tubs horitzontals. Per al funcionament a pressió, el proveïdor ha de rebre el rang de pressió de funcionament, la densitat de watts estimada i l'orientació de l'escalfador. Això permetrà una avaluació de la cobertura de condensats i recomanacions de disseny.