Getikt van uw stoomgeregelde warmtewisselaar

  

U herkent het vast wel: het tikken van warmtewisselaars die met stoom een secundair medium zoals cv-water of lucht voor heteluchtverwarming verhitten. Vooral in het voor- en naseizoen – dus wanneer de capaciteitsvraag minder dan 100% is – produceren warmtewisselaars voor centrale verwarming storende geluiden. Bovendien schommelt de temperatuur dan ontoelaatbaar en kan hevige waterslag optreden. De kans bestaat zelfs dat de stoomleiding barst, waarbij een ongeval niet is uitgesloten. De vraag is: waarom kan zelfs de nauwkeurigste temperatuurregeling dit niet voorkomen?

Oorzaak: condensaat

Het getik wordt veroorzaakt doordat de warmtewisselaar aan de primaire zijde (stoomzijde) volloopt met condensaat en de toegevoerde verse stoom vervolgens met dit relatief koude condensaat in aanraking komt. De stoom koelt hierdoor direct af en zal als het ware imploderen. We noemen dit: ‘thermische waterslag’. Dat er condensaat in de warmtewisselaar blijft staan, kan diverse oorzaken hebben:

  • Verkeerde condenspot

Een te klein bemeten condenspot kan logischerwijs onvoldoende condensaat afvoeren. Is een verkeerd type condenspot gekozen – bijvoorbeeld een thermisch type – dan zal het condensaat onderkoelen voordat het door de condenspot wordt afgevoerd. In beide situaties blijft er condensaat in de warmtewisselaar staan.

 
  • Drukverschil

Is de druk in de warmtewisselaar lager dan in het condensaatsysteem (doordat de regelklep door een afnemende vraag aan de secundaire zijde moet sluiten), dan neemt de stoomdruk in de warmtewisselaar af. Vaak wordt dit effect nog versterkt door toepassing van oversized warmtewisselaars. Tijdens het berekenen van de benodigde capaciteit wordt immers doorgaans ‘voor de zekerheid’ al enige marge ingebouwd. Zijn warmtewisselaars vervolgens alleen leverbaar in vooraf bepaalde vermogens, dan wordt vaak gekozen voor een vermogen dat boven de eerder berekende – te hoge – waarde ligt.

Laten we eens kijken wat bovenstaande oorzaken in de praktijk voor gevolgen kunnen hebben.

Figuur 1: oversized warmtewisselaar met verkeerde condenspot

Verkeerde condenspot

De warmtewisselaar in figuur 1 is oversized en voorzien van een te kleine of verkeerd gekozen type condenspot. Door de te grote capaciteit zal de warmtewisselaar de lucht toch op de gewenste temperatuur voorverwarmen, zelfs als deze voor de helft is gevuld met condensaat. Condensaat is echter vaak agressief en zal het materiaal van de warmtewisselaar aantasten op de punten waar het blijft staan, met alle nadelige gevolgen van dien. In de situatie zoals weergegeven in figuur 1 kan het condensaat zelfs bevriezen door de binnenstromende koude lucht (0°C) die met een snelheid van 3 m/s langs de warmtewisselaar stroomt. Dit kan ertoe leiden dat de warmtewisselaar scheurt en dus gerepareerd of zelfs vervangen moet worden.

Lagere druk

De voorbeelden in figuur 2 en figuur 3 maken duidelijk waardoor in de warmtewisselaar een lagere druk ontstaat dan in het condensaatsysteem. Deze voorbeelden zijn gebaseerd op de volgende uitgangspunten:

  • De stoomdruk bedraagt 4 bar(o)
  • De temperatuur bedraagt circa 152°C
  • Het condensaatsysteem is drukloos
  • Het systeem draait in de winter op een inlaattemperatuur van 70°C en een uitlaattemperatuur van 90°C
  • In het voor- en naseizoen wordt de inlaattemperatuur verlaagd naar 45°C en de uitlaattemperatuur naar 55°C. 

We trekken eerst een lijn (AB) van de inlaattemperatuur van het secundaire medium naar de gewenste uitlaattemperatuur, vervolgens een lijn (CB) van de stoomtemperatuur bij 4 bar(o) naar de gewenste secundaire uitlaattemperatuur en tot slot een lijn (DE) die de verzadigingstemperatuur van de stoom, behorend bij de tegendruk in het condensaatsysteem, aangeeft. Zonder tegendruk bedraagt de verzadigingstemperatuur 100°C. Bij volop warmtevraag staat de regelklep vol open en condenseert de stoom. In de warmtewisselaar is echter genoeg druk aanwezig om het condensaat door de condenspot te drukken.


 

Figuur 2: wintersituatie ‚Äč

Figuur 3: voor- en naseizoen

Daalt de warmtebehoefte, dan gaat de regelafsluiter knijpen (sluiten) en daalt de druk in de warmtewisselaar. Dit kan doorgaan tot de druk in de warmtewisselaar gelijk is aan de druk achter de condenspot: het ‘kritische belastingpunt’. Vanaf dit punt – waar de lijnen CB en DE elkaar snijden – wordt er geen condensaat meer afgevoerd. In dit voorbeeld kan zelfs vacuüm ontstaan als de warmtevraag nog verder daalt. De warmtewisselaar zal nu vollopen met condensaat. 

Zodra de warmtevraag iets toeneemt, stroomt verse hete stoom tegen het relatief koude condensaat en ontstaat het tikken en – in het ongunstige geval – zelfs waterslag in uw warmtewisselaar. In de wintersituatie (figuur 2) ligt het kritische punt bij 16%. Dit betekent dat er bij een belasting <16% geen condensaatafvoer meer plaatsvindt. In het voor- en naseizoen (figuur 3) ligt het kritische punt echter al bij een belasting van 46%.


Figuur 4: wintersituatie met tegendruk

Effect tegendruk

Aangezien het condensaat na een warmtewisselaar meestal retour gaat naar een condensaattank, zal in het condensaatretoursysteem vaak tegendruk aanwezig zijn. Toepassing van stijgleidingen zorgt zowel voor tegendruk als voor een bepaalde druk in de condensaattank. In combinatie met leidingweerstand resulteert dit in totale tegendruk. De invloed hiervan op het kritische punt van de warmtewisselaar wordt duidelijk in figuur 4, dat dezelfde warmtewisselaar onder dezelfde omstandigheden als in figuur 2 toont. 

In dit voorbeeld heerst in het condensaatretoursysteem echter een druk van 1 bar(o), wat correspondeert met een verzadigingstemperatuur van 120°C.

Door de tegendruk komt lijn DE hoger te liggen en snijdt deze lijn CB al bij 48% in plaats van bij 16%, zoals in figuur 2. Een hogere tegendruk heeft dus een negatief effect op de afvoer van condensaat: er ontstaat stuwing in de warmtewisselaar en het rendement van de warmtewisselaar zal dalen.

Andere effecten zijn onder meer:

  • Schommelingen in de uitlaattemperatuur van het secundaire medium
  • Constant tussen open en dicht pendelen van de regelklep 
  • ‘Koude’ condenspot
  • Waterslag
  • Verminderde capaciteit warmtewisselaar
  • Verminderde productkwaliteit
  • Corroderende warmtewisselaars (lekkage)

Condensaatafvoer onder vacuümbelasting

Omdat alle bovengenoemde effecten de prestaties van de installatie negatief beïnvloeden, moet worden gezocht naar oplossingen om het condensaat onder alle omstandigheden te verwijderen. Hierna bespreken we er drie.
 

Methode 1: vrije uitlaat en vacuümbreker

In figuur 5 heeft de condenspot een vrije uitlaat, waardoor achter de condenspot geen tegendruk heerst. In de stoomtoevoerleiding tussen de regelklep en de warmtewisselaar wordt een vacuümbreker geplaatst. Zodra in de warmtewisselaar vacuüm – en dus stuwing – optreedt, belucht de vacuümbreker de warmtewisselaar en kan het condensaat door de aantrekkingskracht vrij uit de warmtewisselaar stromen. Het condensaat gaat in deze opstelling verloren, maar kan ook worden opgevangen in een atmosferisch vat en via een pomp worden afgevoerd. 

 













Figuur 5: vrije uitlaat en vacuümbreker












Figuur 6: vrije uitlaat, vacuümbreker en hulpcondenspot

 
 

Een alternatief voor deze opstelling ziet u in figuur 6, waarin niet al het condensaat verloren gaat. Zolang in de warmtewisselaar een hogere druk heerst dan in het condensaatsysteem, wordt het condensaat via het condensaatretoursysteem afgevoerd. Ontstaat er echter stuwing doordat de druk in de warmtewisselaar te laag wordt, dan zal het condensaat worden afgevoerd via een hulpcondenspot die afvoert naar atmosferische druk.

Methode 2: stoomaangedreven gecombineerde pompcondenspot

In figuur 7 wordt het condensaat afgevoerd in het condensaatretoursysteem. Zolang er een positief drukverschil is, werkt de gecombineerde pompcondenspot als een standaard condenspot. Wordt het drukverschil negatief, dan loopt het reservoir in de pompcondenspot vol en stijgt de vlotter tot deze op enig moment een mechanisme omschakelt waardoor de stoomklep opent. 


Figuur 7: stoomgedreven gecombineerde pompcondenspot

De stoomdruk is voldoende om het condensaat tegen de druk in het condensaatsysteem weg te drukken. Voordeel: de gecombineerde pompcondenspot heeft weinig  ruimte nodig en is toepasbaar voor capaciteiten tot 2.500 kg/u. Voor een optimale werking moet de pompcondenspot lager worden geplaatst dan de warmtewisselaar én moet tijdens de pompslag het gevormde condensaat uit de warmtewisselaar in een reservoir kunnen stromen dat tussen de warmtewisselaar en de pompcondenspot is geplaatst.


Figuur 8: stoomgedreven pomp met gescheiden condenspot

Methode 3: stoomaangedreven pomp met gescheiden condenspot

De in figuur 8 weergegeven methode is qua principe gelijk aan methode 2. Het condensaat stroomt hier echter naar een reservoir én naar een stoomaangedreven pomp waarin dezelfde druk heerst als in de warmtewisselaar. 

Bij een positief drukverschil voert de condenspot het condensaat af. Is er een negatief drukverschil, dan stroomt de pomp vol en stijgt de vlotter in de pomp. Is het reservoir van de pomp vol, dan opent de stoomklep en wordt het condensaat weggedrukt. De stoomaangedreven pomp is geschikt voor grote capaciteiten (vanaf 2.500 kg/u). Wordt het reservoir atmosferisch gemaakt, dan kan hierin condensaat van meerdere locaties worden aangevoerd.

Conclusie

Het is belangrijk om te voorkomen dat in de warmtewisselaar stuwing kan plaatsvinden. Door tijdens het ontwerp de warmtewisselaar correct te dimensioneren én te zorgen voor een efficiënte ontwatering en condensaatafvoer, waarborgt u het rendement, de betrouwbaarheid en de lange levensduur van uw installatie.

Eric Kanaar, Product Group Manager Stoom
Linkedin Twitter Facebook Youtube Google+ Pinterest
Printen Email
Econosto