Pod jakým specifickým rozsahem tlaku (1-5 bar) klesne tepelná účinnost titanového ohřívače pod 90 % kvůli kondenzační pokrývce?

Pro procesního inženýra provozujícího titanový ponorný ohřívač v tlakovém systému (např. autoklávu, tlakovém reaktoru nebo parní -nádobě) se tepelná účinnost dramaticky snižuje, když dojde k zakrytí kondenzátu. Krytí kondenzátu nastává, když teplota povrchu ohřívače klesne pod teplotu nasycení páry kolem něj, takže se tvoří kapalný kondenzát a kaluže na povrchu. Tato tekutá vrstva zvyšuje tepelný odpor a snižuje účinnost přenosu tepla. Pro titanový ohřívač pracující v nasycené páře nebo vroucí kapalině při tlacích od 1 do 5 barů (absolutních) je tepelná účinnost nižší než 90 % pro tloušťku vrstvy kondenzátu větší než asi 0,5 mm. Přesný rozsah tlaku, kde se to stává problémem, závisí na teplotním rozdílu mezi pláštěm ohřívače a teplotou nasycení a orientací ohřívače.

Titanový topný kryt prostřednictvím kondenzačního mechanismu
Když titanový ohřívač pracuje v parním médiu (nebo ve vroucí kapalině s nestabilním jaderným varem), teplota povrchu může být nižší než teplota nasycení okolního média. Kondenzát se tvoří jako kapičky nebo souvislý film. U vodorovných trubek odtéká kondenzát, takže vrstva zůstává přiměřeně tenká (0,1-0,3 mm). U svislých trubek kondenzát stéká dolů a prouděním houstne. Vrstva kondenzátu o tloušťce 0,5 mm dodává tepelný odpor přibližně R_cond=t/k, kde k pro vodu je 0,6 W/m·K, takže R_cond=0.0005 / 0.6=0.00083 m²·K/W. Například s koeficientem prostupu tepla bez kondenzátu 2 000 W/m2·K (Rconv=0.0005 m2·K/W) se celkový odpor s 0,5mm vrstvou kondenzátu zvýší o 166 %, což má za následek pokles účinnosti ze 100 % na přibližně 38 %. S 0,1 mm vrstvou kondenzátu (R_cond=0.00017) účinnost klesá na přibližně 75 %.

Kvantifikace tlakových a teplotních podmínek pro zakrytí kondenzátu Tlak (abs. bar) Nasycení Teplota ( stupně ) Min. Sheath Temp. k zabránění kondenzátu ( stupeň ) Kritická ΔT (saturace pláště -) Účinnost při ΔT=5 stupně (přítomnost kondenzátu) Účinnost při ΔT=15 stupně (žádný kondenzát)
1.0 100 > 105 5 stupeň 65–75 % 95–98 % 1.5 111 > 116 5 stupeň 70–80 % 95–98 % 2.0 120 > 125 5 stupeň 75–85 % 96–98 % 2.5 127 > {{198}} stupeň 966 % 80
3.0 133 > 138 5 stupeň 82-90 % 96-98 % 4.0 144 > 149 5 stupeň 85-92 % 97-98 % 5.0 152 > 157 5 stupeň 88-94 % 97-98 %
Při nižším tlaku (1 bar) je teplota nasycení nižší a kondenzát se tvoří snadněji, protože součinitel přestupu tepla do páry je nižší. Vyšší hustota par při vyšších tlacích (5 barů) vede k lepšímu přenosu tepla a menšímu hromadění kondenzátu. Problém účinnosti zakrytí kondenzátu je nejdůležitější v rozsahu tlaků 1 až 3 bar. Vyšší hustota páry nad 3 bar podporuje strhávání kapiček a tenčí vrstvy kondenzátu.

Průvodce konfigurací tlaku a ohřívače-založený na scénáři
Provozní tlak (abs. bar) Orientace ohřívače Kritické riziko kondenzátu Doporučené opatření k udržení účinnosti nad 90 %
1,0 (atmosférický) Horizontální Vysoká Vertikální orientace. Udržujte ΔT > 10 stupňů (plášť 10 stupňů nad saturací).
1,0 (atmosférický) Vertikální Střední Zajistěte hustotu wattů > 3 W/cm² pro udržení teploty pláště > 110 stupňů .
1.5 Horizontální ohřívač s vysokým nakloněním 15-30 stupňů od horizontály pro odvod kondenzátu.
1.5 Vertikální nízká Vertikální orientace může normálně udržet účinnost > 90 % pro ΔT > 8 stupňů.
2.0 Horizontální Střední Do vodorovných trubek přidejte padací žebra nebo lapače kondenzátu.
2.0 Vertical Low Standardně přijatelné vertikální provedení
3,0 Nízká Minimální zakrytí kondenzátu. Standardní provedení povoleno.
4.0–5.0 Very low No extra measures needed >95% účinnost i při určité kondenzaci.
Technická řešení pro zamezení kondenzace
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% účinnost i při nízké hustotě wattů Alternativně lze hustotu wattů zvýšit. Můžeme také zvýšit teplotu pláště o 10–15 stupňů nad saturaci, která při vzniku kondenzátu vypaří a nebude se hromadit. Pro 2 barový systém (nasycení 120 stupňů) provozní úroveň 8 W/cm2 poskytuje teplotu pláště asi 135-140 stupňů. To poskytuje přehřátí 15-20 stupňů, které odstraňuje kapalný kondenzát. Třetí alternativou je umístit prvky pro odvod kondenzátu, jako jsou obvodové drážky, spirálová žebra nebo odkapávací žebra na vodorovné trubky, které rozruší film kondenzátu a zvýší uvolňování kapiček, čímž se sníží účinná tloušťka filmu o 50–70 %.

Závěr: Účinnost<90% @1-3 bar with condensate blanketing
U titanového ohřívače provozovaného v nasycené páře nebo vroucí kapalině při tlaku 1-}3 bar (absolutní) když dojde k zakrytí kondenzátu, tepelná účinnost klesne pod 90 % (což nastane, když je teplota pláště méně než 5–10 stupňů nad teplotou nasycení). S horizontálním ohřívačem při 2 W/cm$^2$ může být účinnost pouze 65-75 % při 1 baru (100 stupňů nasycení) kvůli hromadění kondenzátu. Zvýšená hustota páry a lepší přenos tepla při 5 barech (nasycení při 152 stupních) je udržován nad 95% účinností s trochou kondenzátu. Pro účinnost vyšší než 90 % v kritickém rozsahu 1-3 bar zvolte vertikální orientaci ohřívače, udržujte hustotu wattů nad 5 W/cm² (nebo přehřátí pláště alespoň 10 stupňů) nebo zajistěte odvod kondenzátu na horizontálních trubkách. Pro provoz pod tlakem by měl být dodavatel poskytnut rozsah provozního tlaku, odhadovaná wattová hustota a orientace ohřívače. To umožní vyhodnocení zakrytí kondenzátu a doporučení návrhu.