Condensaatafvoer bij stoomwisselaars

In de industrie wordt vaak verwarmd met stoom, zowel direct als indirect. Bij indirecte verwarming worden warmtewisselaars ingezet, bijvoorbeeld buizenwisselaars voor het verwarmen van water en gevinde buizen of verwarmingsbatterijen voor het verwarmen van lucht. In de praktijk komen we veel situaties tegen waarbij de condensaatafvoer van deze warmtewisselaars niet goed functioneert. Deze problemen doen zich met name voor in deellast bedrijf van de warmtewisselaars. In dit artikel lichten we toe wat de oorzaak van deze problemen vaak is en hoe deze verholpen kunnen worden.

Warmtewisselaar bij vollast

Een stoomwarmtewisselaar wordt geselecteerd op basis van de maximaal benodigde capaciteit en de beschikbare stoomdruk. Onderstaand figuur geeft een voorbeeld weer van een warmtewisselaar met een ontwerpcapaciteit van 1.000 kW bij 3 barg stoom. Deze warmtewisselaar wordt ingezet om een warmwatercircuit te verwarmen tot 90 °C.
Stoomwisselaar bij vollast
Bij een vollast situatie is de regelklep volledig geopend en staat de volledige stoomdruk van 3 barg op de warmtewisselaar. Het condensaat heeft voor de condenspot nagenoeg dezelfde druk van 3 barg. De druk na de condenspot is afhankelijk van het condensaat retournet. Als dit een lange leiding is die terug gaat naar de ontgasser in het ketelhuis, dan is het niet ongebruikelijk dat deze een tegendruk van 1 barg heeft. Bij een condensaatdruk van 3 barg voor de condenspot en een druk in het condensaatnet van 1 barg is er nog 2 barg drukverschil om het condensaat af te voeren. Bij de selectie van een voldoende grote condenspot geeft dit een goed werkende condensafvoer.

Warmtewisselaar bij deellast

In de praktijk functioneren warmtewisselaars vrijwel altijd op een belasting lager dan vollast, dit heeft gevolgen voor de stoomdruk in de warmtewisselaar. Dit komt doordat het temperatuurverschil tussen stoom en water gerelateerd is aan de capaciteit van de warmtewisselaar volgens onderstaande vergelijking:

Q = k x A x dT

Hierin is:

Q = Capaciteit van de warmtewisselaar
k = Warmteoverdrachtscoëfficient van de warmtewisselaar
A = Warmtewisselend oppervlak van de warmtewisselaar
dT = Temperatuurverschil tussen stoom en water

k en A zijn eigenschappen van de warmtewisselaar en veranderen niet of nauwelijks bij deellast bedrijf van de warmtewisselaar. Dit betekent dat het temperatuurverschil tussen stoom en water kleiner wordt bij deellast van de warmtewisselaar. Omdat de stoomtemperatuur gerelateerd is aan de stoomdruk, zal de stoomdruk dalen bij een warmtewisselaar in deellast. Onderstaand figuur geeft voor de eerder genoemde warmtewisselaar de relatie weer tussen de belasting en de stoomdruk.
Stoomdruk in wisselaar bij deellast
In deze figuur is te zien dat de stoomdruk in de warmtewisselaar afneemt naarmate de belasting van de warmtewisselaar afneemt.

De situatie waarbij de warmtewisselaar op 50% belasting draait is in onderstaand figuur weergegeven. Hierbij zal de regelklep de stoomtoevoer beperken en daalt de stoomdruk in de warmtewisselaar tot 0,8 barg. Dit betekent bij een tegendruk in het condensaatnet van 1 barg dat het condensaat niet meer kan worden afgevoerd!
Stoomwisselaar bij deellast
Door een te lage stoomdruk in de warmtewisselaar zal de wisselaar vol gaan lopen met condensaat. Hierdoor zal het nuttige warmtewisselende oppervlak tussen stoom en water gaan afnemen, waardoor de stoomdruk langzaam gaat stijgen. Zodra de stoomdruk hoger is geworden dan 1 barg, zal het condensaat uit de warmtewisselaar worden gedrukt. Hierdoor daalt de druk in de wisselaar weer en zal het voorgaande zich gaan herhalen. Deze situatie zorgt voor grote fluctuaties in de drukken en warmte-overdracht en is niet gewenst.

Mogelijke oplossingen

Er zijn diverse mogelijkheden om problemen met condensaat afvoer te verhelpen of te verminderen. Hieronder worden een aantal mogelijke oplossingen toegelicht:

Condensaatpomp
Door het toepassen van een (stoomgedreven) condensaatpomp kan het condensaat uit de warmtewisselaar in druk worden verhoogd en onafhankelijk van de stoomdruk in de warmtewisselaar worden afgevoerd naar het ketelhuis. Als de druk in de warmtewisselaar hoog genoeg is, zal de condensaatpomp als condenspot functioneren. Als het drukverschil tussen warmtewisselaar en condensaatnet te klein wordt, zal de condensaatpomp het condensaat gaan verpompen, waarbij de pomp wordt aangedreven door stoom met een hogere druk. De condensaatpomp is een zeer goede oplossing om het condensaat onder alle condities af te kunnen voeren, maar is wel vrij kostbaar.

Condensaatzijdige regeling
In plaats van een regeling in de stoomtoevoer kan ook gekozen worden voor een condensaatzijdige regeling. Hierbij wordt een regelafsluiter in de condensaatafvoer geplaatst en wordt het condensaatniveau in de warmtewisselaar gevarieerd. De warmtewisselaar staat hierbij continu op de volledige stoomdruk van 3 barg. In de formule Q = k x A x dT blijft dT constant en wordt het nuttige warmtewisselende oppervlak A gevarieerd door het condensaatniveau in de warmtewisselaar te variëren. Dit is een relatief eenvoudige oplossing om een constante condensaatafvoer te verkrijgen. Bovendien wordt het condensaat met deze oplossing onderkoeld, zodat meer warmte uit de stoom wordt benut. Aandachtspunt bij deze oplossing is het voorkomen van waterslag, met name bij opstart van de warmtewisselaar.

Condensaat naar riool
Door het condensaat niet terug te voeren naar het ketelhuis, maar af te voeren naar het riool, is geen tegendruk in het condensaatnet aanwezig en kan het condensaat makkelijker worden afgevoerd. Door het toepassen van een vacuümbreker op de stoomtoevoer, zal het condensaat ook onder vacuümcondities uit de warmtewisselaar lopen. Nadeel van deze oplossing is dat alle condensaat verloren gaat (energie- en waterverlies).

Driewegklep secundaire zijde
Door de secundaire zijde (watercircuit) te voorzien van een driewegklep en een circulatiepomp kan het water dat over de warmtewisselaar circuleert op een hogere temperatuur worden gehouden. Hierdoor blijft ook de stoomdruk in de warmtewisselaar hoger. De toevoer van warm water naar het warmwatercircuit kan met de driewegklep worden geregeld. Deze oplossing is echter niet in alle situaties mogelijk.

Meerdere warmtewisselaars parallel
Door het installeren van meerdere kleine warmtewisselaars in plaats van één grote warmtewisselaar kunnen warmtewisselaars in deellast worden uitgeschakeld, waardoor de andere warmtewisselaars beter belast worden en de stoomdruk in de warmtewisselaar voldoende hoog blijft om het condensaat af te kunnen voeren. Hiervoor is het wel van belang dat elke warmtewisselaar afzonderlijk kan worden geregeld. Deze optie is met name bij het ontwerp van een nieuw systeem interessant.

Niet teveel overdimensioneren
In de praktijk worden warmtewisselaars vaak overgedimensioneerd om er zeker van te zijn dat er voldoende capaciteit beschikbaar is. Deze overdimensionering zorgt er echter voor dat de stoomdruk in de warmtewisselaar onder normale bedrijfscondities lager is en er problemen met de condensaatafvoer kunnen ontstaan. Het advies is dus om stoom warmtewisselaars niet teveel te overdimensioneren.

Wilt u meer tips over het optimaliseren van uw stoominstallatie kijk dan bij onze energietips voor stoominstallaties

Indien u specifieke vragen over uw stoominstallatie heeft, neem dan contact op met Hans Lucassen