Steam Sparger: applicazioni, criteri di selezione e guida pratica

Uno sparger di vapore è un pezzo di tubo economico fino al momento in cui inizia a martellare contro i suoi supporti, e a quel punto il serbatoio in cui si trova solitamente alimenta una linea di produzione.

Prendiamo un serbatoio da 20 metri cubi che deve passare da 15°C a 80°C in 45 minuti. Il dazio è di circa 2.000 kW. A 6 bar g, con la condensa in uscita prossima alla temperatura del serbatoio, un chilogrammo di vapore cede circa 2.400 kJ una volta accreditato il calore sensibile, quindi lo sparger deve passare circa 3,0 t/h. Quella singola cifra determina l'alesaggio, il numero di fori e la velocità a cui il tubo deve sopravvivere.

Se lo dimensioni troppo piccolo, il lotto non raggiungerà mai la temperatura. Se lo si dimensiona troppo grande, la pipa fischia, vibra e si spezza tra le file di fori entro un paio di stagioni.

Cosa fa uno sparger a vapore

Uno sparger di vapore è un riscaldatore a contatto diretto: un tubo forato inserito in un recipiente pieno di liquido, attraverso il quale il vapore viene iniettato e condensato nel liquido stesso.

Definizione: uno sparger di vapore, chiamato anche tubo di sparge, è un tubo forato per l'iniezione di vapore che scarica sotto la superficie del liquido di un serbatoio o di un recipiente. Il calore si muove per condensazione diretta all'interfaccia della bolla anziché attraverso una parete metallica.

Come funziona il trasferimento di calore

Il vapore esce da ciascun foro come un getto ad alta velocità, si rompe in bolle e collassa quando il calore latente passa nel liquido circostante. Nessuna parete separa il vapore dal prodotto, quindi l'efficienza nel punto di iniezione è vicina al 100%. I vincoli sono altri: la condensa diluisce il batch, il liquido non può superare la temperatura di saturazione del vapore alla pressione di alimentazione e l'energia di miscelazione deve provenire dai getti stessi.

Dove vengono utilizzati gli sparger

• Lavare, risciacquare e pulire i serbatoi negli stabilimenti alimentari e delle bevande
• Bagni di lavaggio e fosfatazione particolari in finitura metallica
• Disaeratori dell'acqua di alimentazione delle caldaie e serbatoi di condensa
• Vasche di trattamento e neutralizzazione delle acque

La maggior parte degli sparger funziona con vapore compreso tra 2 e 8 bar g e passa da 500 kg/h a 15 t/h, quindi la finestra di progettazione è ampia ma le modalità di guasto sono coerenti.

Dimensionamento dello sparger: carico di vapore, foro e area del foro

Il dimensionamento dello sparger si riduce a tre numeri e tutto il resto, compresi rumore e vibrazioni, deriva da questi: flusso di massa del vapore, diametro del tubo di sparge e area totale del foro.

Il flusso di vapore deriva dal bilancio energetico. Moltiplicare la massa liquida più l'equivalente d'acqua della parete del serbatoio per il calore specifico e l'aumento di temperatura, dividere per il tempo di riscaldamento per ottenere kW, quindi dividere per il calore rilasciato da ogni chilogrammo di vapore: il calore latente alla pressione di alimentazione più il calore sensibile ceduto dalla condensa scendendo alla temperatura del liquido.

A 6 bar g il denominatore è di circa 2.400 kJ/kg. A 3 bar g scende a circa 2.250 kJ/kg e lo sparger necessita di circa il 7% in più di vapore per lo stesso lavoro. Aggiungere dal 5 al 10% per le perdite di calore dalla superficie del serbatoio.

Schema dei fori e regole di disposizione

La disposizione dei fori determina se un serbatoio si riscalda in modo uniforme o sviluppa un gradiente di 10-15 gradi C da un'estremità all'altra.

1. Impostare il diametro del flusso di vapore massimo a 20-25 m/s, quindi verificare che lo stesso tubo non scenda al di sotto di 10 m/s al minimo turndown.
2. Calcolare l'area totale dei fori dal limite di velocità di uscita, quindi aggiungere dal 50 al 100% in più di fori per consentire il blocco parziale.
3. Disporre i fori in due file sfalsate di 45 gradi sotto l'orizzontale o in una singola fila rivolta verso il basso. Non rivolgerli mai verso l'alto.
4. Distanziare i fori da 8 a 12 diametri l'uno dall'altro per tutta la lunghezza del percorso in modo che i getti spazzino il serbatoio anziché un angolo.
5. Inclinare il tubo verso l'ingresso e drenare l'estremità inferiore, in modo che la condensa non possa spostarsi come una lumaca quando la valvola si apre.

Uno sparger non è un dispositivo di miscelazione. Dove non esiste altra agitazione, i getti devono spazzare l'intero volume, il che normalmente significa un percorso più lungo con più fori più piccoli piuttosto che un tubo corto con pochi grandi.

Modalità di errore e confronti tra lo sparging

Tre guasti sono responsabili della maggior parte dei tempi di inattività dello diffusore: colpo d'ariete all'avvio, fessurazione per fatica termica tra le file di fori e danni da vibrazioni ai supporti e alle connessioni di derivazione.

• Un colpo quando la valvola del vapore si apre indica la formazione di condensa nella linea. Montare una tasca di scarico all'estremità inferiore e aprire lentamente la valvola.
• Le crepe che si irradiano tra i fori dopo 12-24 mesi indicano che la parte superiore del tubo passa dal bagnato all'asciutto. Aumentare la sommersione o stringere la banda di controllo del livello.
• I supporti usurati e le saldature dei rami fessurate sono dovuti alle vibrazioni. Portare la velocità di uscita del foro al di sotto di 30 m/s e aggiungere una guida vicino al punto medio.
• Una zona calda vicino all'ingresso con liquido freddo più lontano significa che ci sono troppo pochi fori di diametro troppo grande. Ricalcolare prima l'area totale del foro.

Lo sparging è il modo più economico per riscaldare un liquido e il meno controllabile. Quando il processo necessita degli ultimi due gradi, uno sparger da solo non sarà in grado di fornirli.

Materiali, Codici e Controlli sugli Approvvigionamenti

Per l'acqua e la maggior parte dei liquidi di processo, l'acciaio inossidabile 316L con uno spessore minimo della parete pari a schedula 40 è l'impostazione predefinita pratica per un tubo di dispersione. L'acciaio al carbonio è accettabile solo in sistemi chiusi e trattati in cui la chimica dell'acqua è controllata.

• Confermare quale codice di tubazione regola la linea: ASME B31.1 per tubazioni di alimentazione, B31.3 per tubazioni di processo.
• Richiedi il disegno dello schema dei fori con diametro, spaziatura, numero di file e tolleranza di posizione.
• Richiedere un test idrostatico a 1,5 volte la pressione di progetto e un'ispezione con liquidi penetranti delle file di fori sulle linee critiche.
• Richiedi i certificati dei materiali secondo EN 10204 3.1 e una mappa di saldatura con i registri delle qualifiche dei saldatori.
• Acquista da un produttore che può confermare l'apporto di calore e convertire i modelli di layout 3D prima che inizi la saldatura, poiché è lì che inizia la maggior parte delle rilavorazioni sul campo.

Un tubo di sparge è una parte in pressione. Dovrebbe essere acquistato con la stessa documentazione di qualsiasi altro componente a pressione nel sistema a vapore, anche quando sembra un pezzo di tubo forato.

Il sistema di recupero del calore dietro lo sparger

Nella maggior parte degli impianti il vapore iniettato dallo sparger non viene generato allo scopo. Viene recuperato dai gas di scarico o dal calore di scarto dei processi, ed è questo che fa funzionare l'economia.

Una specifica dello sparger arriva solitamente con la fonte di vapore già fissata: un generatore di vapore a recupero di calore sullo scarico di una turbina a gas, una caldaia per il calore di recupero a valle di un forno o una fornace, o una conduttura del vapore dell'impianto. Recuperare un altro 10% del calore nei gas di scarico cambia il recupero dell'investimento su un'installazione di diffusori da anni a mesi e spesso aumenta la pressione disponibile sullo diffusore, ampliando l'intervallo di temperature che il serbatoio può raggiungere.

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La catena di recupero è importante quanto lo sparger stesso. I tubi alettati sono l'elemento base di trasferimento del calore sia negli economizzatori che nei generatori di vapore a recupero di calore e la scelta tra design di tipo H, a spirale e con tubi di calore decide la quantità di incrostazioni tollerata da un'unità e la facilità con cui può essere pulita. Nei gas di scarico polverosi, un tubo alettato di tipo H mantiene le corsie del gas diritte ed è più facile da soffiare la fuliggine, mentre il tubo alettato a spirale racchiude più superficie nello stesso volume e si adatta a gas più puliti.

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A valle del fascio tubiero, l'economizzatore svolge il lavoro a bassa temperatura, sottraendo ai fumi l'ultimo calore utile prima che raggiungano il camino. Negli scarichi delle apparecchiature di processo, la corrosione dell'estremità fredda e il punto di rugiada acido devono essere bilanciati rispetto al calore extra recuperato.

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Qualunque sia la configurazione, la superficie di trasferimento del calore è il luogo in cui compaiono per prime incrostazioni, erosioni e vibrazioni pianificazione dell'ispezione dei tubi alettati appartiene alla stessa conversazione della manutenzione degli sparger.

Uno sparger è economico tanto quanto il vapore che c'è dietro. Recupera quel vapore a monte e tutto il calcolo cambia.

Domande frequenti

Come si calcola la portata di vapore per uno sparger?

Moltiplicare la massa liquida più l'equivalente d'acqua del serbatoio per il calore specifico e l'aumento di temperatura, dividere per il tempo di riscaldamento per ottenere kW, quindi dividere per il calore rilasciato per chilogrammo di vapore. A 6 bar g con condensa in uscita alla temperatura del serbatoio che è di circa 2.400 kJ/kg, quindi un servizio da 2.000 kW richiede circa 3,0 t/h. Aggiungere dal 5 al 10% per le perdite di calore durante il riscaldamento.

Perché un tubo di distribuzione batte quando si apre la valvola del vapore?

Condensa. Un tubo di sparge inattivo si riempie d'acqua e il vapore che entra a pieno flusso spinge il residuo lungo la linea. Inclinare il tubo verso una tasca di scarico, rimuovere la condensa prima che la valvola si apra e far salire lentamente il flusso. Sulle linee più grandi un bypass di riscaldamento costa molto meno del danno che un colpo d'ariete può causare.

A quale profondità dovrebbe essere immerso uno sparger?

Almeno 300 mm al di sotto del livello minimo di esercizio del liquido, con uno spazio libero compreso tra 100 e 200 mm sopra il fondo del serbatoio. Una sommersione meno profonda provoca spruzzi e rumore e lascia che la parte superiore del tubo si asciughi e si cicla, che è l'origine abituale delle cricche da fatica tra le file di fori.

Tre numeri governano uno sparger: flusso di vapore, area del foro e profondità di immersione. Fateli tutti e tre bene e il resto è documentazione.

Gli sparger non devono essere complicati, ma devono essere calcolati. Il volume del serbatoio determina il carico, il carico determina il flusso di vapore, il flusso di vapore determina il foro e l'area del foro e la sommersione decide se il tubo dura la sua vita prevista o si rompe nella sua seconda stagione.

Uno sparger è una parte in pressione con una funzione di processo. Dimensionalo dal bilancio energetico, disponi i fori per l'intera gamma di turndown e acquistalo con la stessa documentazione del resto del sistema a vapore.