Come funziona una pompa con condensatore?
Nel pompaggio di vapore acqueo negli impianti industriali di grandi dimensioni, è sempre coinvolta una determinata quantità di aria, contenuta nel vapore oppure originata da perdite nell'impianto (le considerazioni che seguono per aria e vapore acqueo sono ovviamente applicabili, in generale, anche per vapori diversi dal vapore acqueo). Pertanto, il condensatore deve essere supportato da una pompa con zavorra a gas (vedere la Fig. 2.41) e quindi funziona sempre, come la pompa Roots, in combinazione. La pompa con zavorra a gas ha la funzione di pompare la frazione di aria, che spesso è solo una piccola parte della miscela di vapore acqueo interessata, senza pompare contemporaneamente una quantità elevata di vapore acqueo. Pertanto, è comprensibile che, con la combinazione del condensatore e della pompa con zavorra a gas in condizioni stazionarie, i rapporti di flusso che si hanno nell'intervallo del vuoto basso non siano facilmente valutabili in assenza di ulteriori considerazioni. La semplice applicazione dell'equazione di continuità non è adeguata poiché non si tratta più di un campo di flusso sorgente o privo di pozzo (il condensatore è, in base ai processi di condensazione, un pozzo). Questo aspetto è enfatizzato soprattutto a questo punto. In un caso pratico di "non funzionamento" della combinazione condensatore - pompa con zavorra a gas, potrebbe non essere giustificabile attribuire il guasto al condensatore.
Fig 2.41 Condensatore (I) con pompa con zavorra a gas a valle (II) per il pompaggio di grandi quantità di vapore acqueo nell'intervallo del vuoto basso (III) - valvola a farfalla regolabile.
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Applicazioni della pompa con condensatore
Per pompare grandi quantità di vapore acqueo, il condensatore è la pompa più economica. Di norma, il condensatore viene raffreddato con acqua a una temperatura tale da portare la temperatura del condensatore sufficientemente al di sotto del punto di rugiada del vapore acqueo, garantendo un'azione di pompaggio o condensazione economica. Per il raffreddamento, tuttavia, è possibile utilizzare anche mezzi quali acqua salata e refrigeranti (NH3, Freon).
Combinazione con una zavorra a gas
Nel dimensionamento della combinazione condensatore e pompa con zavorra a gas, è necessario considerare i seguenti punti:
a) La frazione di gas permanenti (aria) pompata contemporaneamente al vapore acqueo non deve essere eccessiva. A pressioni parziali dell'aria superiori al 5% circa della pressione totale all'uscita del condensatore, si ha la produzione di un marcato accumulo di aria davanti alle superfici del condensatore. Il condensatore non può quindi raggiungere la massima capacità (vedere anche la pagina Pompaggio dei gas (processo a umido) sul pompaggio simultaneo di gas e vapori).
b) La pressione del vapore acqueo all'uscita del condensatore, cioè sul lato di ingresso della pompa con zavorra a gas, non deve (quando la quantità di gas permanente, descritta in dettaglio nella pagina Pompaggio dei gas (processo a umido), non viene pompata contemporaneamente) essere superiore alla tolleranza al vapore acqueo della pompa con zavorra a gas in questione. Se, come non sempre evitabile nella pratica, si prevede una pressione parziale del vapore acqueo più elevata all'uscita del condensatore, è comodo inserire una valvola a farfalla tra l'uscita del condensatore e la luce di ingresso della pompa con zavorra a gas. La conduttanza di questa valvola a farfalla deve essere variabile e regolata (vedere la pagina Calcolo della conduttanza) in modo che, con limitazione massima, la pressione alla luce di ingresso della pompa con zavorra a gas non possa superare la tolleranza al vapore acqueo. Inoltre, l'uso di altri refrigeranti o una diminuzione della temperatura dell'acqua di raffreddamento può spesso consentire alla pressione del vapore acqueo di scendere al di sotto del valore richiesto.
Per una valutazione matematica della combinazione condensatore e pompa con zavorra a gas, si può presumere che non si verifichi alcuna perdita di pressione nel condensatore e che la pressione totale all'ingresso del condensatore ptot 1, sia uguale alla pressione totale all'uscita del condensatore, ptot 2 ( 2.23)
(2.23)
Ptot1 = ptot2
La pressione totale è data dalla somma delle frazioni di pressione parziale dell'aria pp e del vapore acqueo pv: (2.23a)
(2.23a)
pp1 + pv1 = pp2 + pv2
A seguito dell'azione del condensatore, la pressione del vapore acqueo pD2 all'uscita del condensatore è sempre inferiore a quella all'ingresso; affinché la (2.23) sia soddisfatto, la pressione parziale pp2 dell'aria all'uscita deve essere superiore alla pp1 all'ingresso (vedere la Fig. 2.43), anche in assenza della valvola a farfalla.
Fig 2.43 Rappresentazione schematica della distribuzione della pressione nel condensatore. Le linee intere corrispondono alle condizioni in un condensatore in cui si verifica una piccola caduta di pressione (ptot 2 < ptot 1).
Le linee tratteggiate sono quelle per un condensatore ideale (ptot 2 ≈ ptot 1). pD: pressione parziale del vapore acqueo, pL: pressione parziale dell'aria.
- Ingresso del condensatore
- Uscita del condensatore
La maggiore pressione parziale dell'aria pp2 all'uscita del condensatore è dovuta a un accumulo di aria che, finché presente all'uscita, determina un equilibrio del flusso stazionario. Da questo accumulo di aria, la pompa con zavorra a gas (eventualmente limitata) in equilibrio rimuove solo tanto quanto entra dall'ingresso (1) attraverso il condensatore.
Calcolo delle dimensioni del condensatore e della zavorra a gas
Tutti i calcoli si basano su (2.23a) per cui, tuttavia, devono essere disponibili informazioni sulla quantità di vapori e gas permanenti pompati, sulla composizione e sulla pressione. È possibile calcolare le dimensioni del condensatore e della pompa con zavorra a gas, due quantità che non sono, in effetti, indipendenti tra loro. La Fig. 2.42 mostra il risultato di tale calcolo con l'esempio di un condensatore con una superficie di condensazione di 1 m2 e, a una pressione di ingresso pv1 di 40 mbar, una capacità di condensazione pari a 15 kg/h (33 libbre/h) di vapore acqueo puro se la frazione di gas permanenti è molto ridotta. Viene utilizzato 1 m3 di acqua di raffreddamento all'ora, con una sovrappressione della linea di 3 bar e una temperatura di 12 °C (53,6 °F). La velocità di pompaggio necessaria della pompa con zavorra a gas dipende dalle condizioni operative esistenti, in particolare dalle dimensioni del condensatore. A seconda dell'efficienza del condensatore, la pressione parziale del vapore acqueo pv2è superiore o inferiore alla pressione di saturazione pS corrispondente alla temperatura del refrigerante. [Raffreddando con acqua a 12 °C (53,6 °F), pS, sarebbe di 15 mbar (vedere la Tabella XIII nella Sezione 9)]. Di conseguenza, varia anche la pressione parziale dell'aria pp2 che prevale all'uscita del condensatore. Con un condensatore di grandi dimensioni, pv2 ≈ pS, la pressione parziale dell'aria pp2 è così grande e, poiché pp · V = cost, il volume dell'aria coinvolta è ridotto. Pertanto, è necessaria solo una pompa con zavorra a gas relativamente piccola. Se, invece, il condensatore è piccolo, si verifica il caso opposto: pv2 > pS · pp2, è piccola. In questo caso è necessaria una pompa con zavorra a gas relativamente grande. Poiché la quantità di aria coinvolta durante un processo di pompaggio che utilizza condensatori non è necessariamente costante, ma si alterna entro limiti più o meno ampi, le considerazioni da fare sono più difficili. Pertanto, è necessario che la velocità di pompaggio della pompa con zavorra a gas effettiva nel condensatore possa essere regolata entro determinati limiti.
Fig 2.42 Capacità di condensazione del condensatore (area superficiale disponibile per la condensazione 1 m2) in funzione della pressione di aspirazione pD1 del vapore acqueo. Curva a: temperatura dell'acqua di raffreddamento 12 °C (53,6 °F). Curva b: temperatura 25 °C (77 °F). Consumo in entrambi i casi 1 m3/h con 3 bar di sovrappressione.
Tabella XIII Pressione di saturazione ps e densità di vapore eD dell'acqua in un intervallo di temperatura compreso tra -100 °C (-148 °F) e +140 °C1 (+284 °F)
Considerazioni pratiche per l'uso di un condensatore
Nella pratica, si adottano solitamente le misure seguenti:
a) Tra la pompa con zavorra a gas e il condensatore è presente una sezione di regolazione, che può essere cortocircuitata durante il pompaggio di pre-vuoto. La resistenza del flusso della sezione limitata deve essere regolabile in modo che la velocità effettiva della pompa possa essere ridotta al valore richiesto. Questo valore può essere calcolato utilizzando le equazioni riportate nella pagina Pompaggio dei gas (processo a umido).
b) Accanto alla pompa grande per il pompaggio di pre-vuoto è installata una pompa di mantenimento a bassa velocità, di dimensioni corrispondenti alla quantità minima di gas prevalente. L'obiettivo di questa pompa di mantenimento è semplicemente quello di mantenere una pressione di esercizio ottimale durante il processo.
c) La quantità necessaria di aria viene immessa nella tubazione di ingresso della pompa attraverso una valvola a perdita variabile. Questa quantità aggiuntiva di aria agisce come una zavorra a gas maggiorata, aumentando la tolleranza al vapore acqueo della pompa. Tuttavia, questa misura di solito determina una capacità ridotta del condensatore. Inoltre, l'ulteriore quantità di aria immessa comporta un ulteriore consumo energetico e un aumento del consumo di olio. Poiché l'efficienza del condensatore si riduce con una pressione parziale troppo elevata dell'aria nel condensatore stesso, l'ingresso dell'aria non deve avvenire davanti, ma generalmente solo dietro il condensatore.
Se il tempo di avviamento di un processo è inferiore a quello di funzionamento totale, viene utilizzato tecnicamente il metodo più semplice, ovvero pre-vuoto e pompa primaria. I processi in condizioni molto variabili richiedono una sezione di limitazione regolabile e, se necessario, un'immissione dell'aria regolabile.
Sul lato di ingresso della pompa con zavorra a gas è sempre presente una pressione parziale del vapore acqueo pv2, almeno pari alla pressione del vapore di saturazione dell'acqua alla temperatura del liquido di raffreddamento. Questo caso ideale è realizzabile in pratica solo con un condensatore molto grande (vedere sopra).
Principi di funzionamento
Nell'ottica della pratica e delle regole fondamentali indicate, considerare i due casi seguenti:
- Pompaggio di gas permanenti con piccole quantità di vapore acqueo. In questo caso, le dimensioni della combinazione condensatore - pompa con zavorra a gas vengono stabilite in base alla quantità di gas permanente pompata. La funzione del condensatore è solo quella di ridurre la pressione del vapore acqueo alla luce di ingresso della pompa con zavorra a gas a un valore inferiore alla tolleranza al vapore acqueo.
- Pompaggio di vapore acqueo con piccole quantità di gas permanenti. In questo caso, per rendere il condensatore estremamente efficace, si cerca di avere una pressione parziale dei gas permanenti presenti nel condensatore la più piccola possibile. Anche se la pressione parziale del vapore acqueo nel condensatore deve essere superiore alla tolleranza al vapore acqueo della pompa con zavorra a gas, una pompa con zavorra a gas relativamente piccola è, in generale, sufficiente, insieme alla limitazione necessaria per eliminare i gas permanenti prevalenti.
Nota importante: durante il processo, se la pressione nel condensatore scende al di sotto della pressione del vapore di saturazione della condensa (dipendente dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento), il condensatore deve essere bloccato o almeno la condensa raccolta isolata. In caso contrario, la pompa con zavorra a gas pomperà nuovamente il vapore precedentemente condensato nel condensatore
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
