Hoe werkt een condensorpomp?
Bij het verpompen van waterdamp in een grote industriële installatie is altijd een bepaalde hoeveelheid lucht betrokken, die in de damp aanwezig is of afkomstig is van lekkages in de installatie (de volgende overwegingen voor lucht- en waterdamp gelden uiteraard ook in het algemeen voor andere dampen dan waterdamp). Daarom moet de condensor worden ondersteund door een gasballastpomp (zie afb. 2,41) en werkt dus altijd – net als de stuwpomp - in combinatie. De functie van de gasballastpomp is het verpompen van de luchtfractie, die vaak slechts een klein deel van het betreffende waterdampmengsel is, zonder tegelijkertijd veel waterdamp te verpompen. Het is daarom begrijpelijk dat binnen de combinatie van condensor en gasballastpomp in stationaire toestand de debietverhoudingen, die zich in het gebied van het grofvacuüm voordoen, niet gemakkelijk zonder verdere overweging kunnen worden beoordeeld. De eenvoudige toepassing van de continuïteitsvergelijking is niet toereikend omdat men zich niet meer bezighoudt met een bron- of putvrij stroomveld (de condensor is op basis van condensatieprocessen een put). Dit wordt vooral op dit punt benadrukt. In een praktisch geval van "niet-functioneren" van de condensor – gasballastpompcombinatie kan het onverantwoord zijn om de condensor de schuld te geven van de storing.
Fig. 2,41 Condensor (I) met stroomafwaartse gasballastpomp (II) voor het verpompen van grote hoeveelheden waterdamp in het grofvacuümbereik (III) - instelbare gashendel.
- Condensorinlaat
- Ontlading van de condensor
- Zie tekst
Toepassingen van een condensorpomp
Voor het verpompen van grotere hoeveelheden waterdamp is de condensor de meest economische pomp. In de regel wordt de condensor gekoeld met water van een zodanige temperatuur dat de condensortemperatuur voldoende onder het dauwpunt van de waterdamp ligt en een zuinige condensatie of pompwerking gegarandeerd is. Voor koeling kunnen echter ook media zoals pekel en koudemiddelen (NH3, freon) worden gebruikt.
Combinatie met gasballast
Bij het dimensioneren van de combinatie van condensor en gasballastpomp moet rekening worden gehouden met de volgende punten:
a) de fractie van permanente gassen (lucht) die gelijktijdig met de waterdamp wordt verpompt, mag niet te groot zijn. Bij deeldrukken van de lucht die meer dan ca. 5% van de totale druk bij de uitgang van de condensor bedragen, ontstaat een duidelijke luchtophoping voor de condensoroppervlakken. De condensor kan dan niet zijn volledige capaciteit bereiken (zie ook de rekening op de pagina Gassen verpompen (nat proces) over het gelijktijdig verpompen van gassen en dampen).
b) de waterdampdruk bij de condensoruitgang – dat wil zeggen aan de inlaatzijde van de gasballastpomp – mag niet groter zijn dan de waterdamptolerantie voor de betrokken gasballastpomp (wanneer de hoeveelheid permanent gas, die nader wordt beschreven op pagina Gassen verpompen (nat proces), niet tegelijkertijd wordt verpompt). Als – zoals in de praktijk niet altijd te vermijden is – een hogere deeldruk van waterdamp bij de condensoruitgang te verwachten is, is het handig om een smoorklep tussen de condensoruitgang en de inlaatpoort van de gasballastpomp te plaatsen. De geleiding van deze smoorklep moet variabel en geregeld zijn (zie pagina: Berekening van de geleiding ) zodat de druk bij de inlaatpoort van de gasballastpomp bij volledige smoorklep niet hoger kan worden dan de waterdamptolerantie. Ook het gebruik van andere koelmiddelen of een verlaging van de koelwatertemperatuur kan er vaak voor zorgen dat de waterdampdruk onder de vereiste waarde daalt.
Voor een wiskundige evaluatie van de combinatie van condensor en gasballastpomp kan ervan worden uitgegaan dat er geen drukverlies in de condensor optreedt, dat de totale druk bij de condensoringang p tot 1 gelijk is aan de totale druk bij de condensoruitgang, p tot 2 ( 2,23)
(2,23)
P tot1 = p tot2
De totale druk bestaat uit de som van de deeldrukgedeelten van de lucht pp en de waterdamp pv: ( 2.23a)
(2.23a)
pp1 + pv1 = pp2 + pv2
Als gevolg van de werking van de condensor is de waterdampdruk pD2 bij de uitgang van de condensor altijd lager dan die bij de ingang; om aan (2,23) te voldoen, moet de deeldruk van lucht pp2 bij de uitgang hoger zijn dan bij de ingang pp1, (zie Fig. 2,43), ook als er geen gasklep aanwezig is.
Fig. 2,43 Schematische weergave van de drukverdeling in de condensor. De volle lijnen komen overeen met de omstandigheden in een condensor waarin een kleine drukval plaatsvindt (ptot 2 < ptot 1).
De stippellijnen zijn die voor een ideale condensor (p tot2 ≈ p tot1 ). pD: Partiële druk van de waterdamp, pL: Partiële druk van de lucht.
- Condensoringang
- Condensoruitgang
De hogere partiële luchtdruk pp2 bij de condensoruitgang wordt geproduceerd door een ophoping van lucht, die, zolang deze aanwezig is bij de uitgang, resulteert in een stationair stromingsevenwicht. Van deze luchtophoping verwijdert de (eventueel gesmoorde) gasballastpomp in evenwicht net zoveel als stromen van de inlaat (1) door de condensor.
Berekening van de grootte van de condensor en gasballast
Alle berekeningen zijn gebaseerd op (2.23a), waarvoor echter informatie over de hoeveelheid verpompte dampen en permanente gassen, de samenstelling en de druk beschikbaar moet zijn. De grootte van de condensor en de gasballastpomp kan worden berekend, waarbij deze twee grootheden inderdaad niet van elkaar onafhankelijk zijn. Fig. 2,42 vertegenwoordigt het resultaat van een dergelijke berekening als voorbeeld van een condensor met een condensatieoppervlak van 1 m2 en bij een inlaatdruk p v1, van 40 mbar, een condensatiecapaciteit die bedraagt 33 lbs (15 kg) / uur zuivere waterdamp als de fractie van de permanente gassen zeer klein is. Er wordt 1 m3 koelwater per uur gebruikt, bij een leidingoverdruk van 3 bar en een temperatuur van 53,6 °F (12 °C). De benodigde pompsnelheid van de gasballastpomp hangt af van de bestaande bedrijfsomstandigheden, met name de grootte van de condensor. Afhankelijk van het rendement van de condensor ligt de deeldruk van de waterdamp pv2 ongeveer boven de verzadigingsdruk pS die overeenkomt met de temperatuur van het koudemiddel. (Bij koeling met water op 52,6 °F (12 °C), pS, zou dit 15 mbar zijn (zie tabel XIII in hoofdstuk 9)). Dienovereenkomstig varieert ook de partiële luchtdruk pp2 die aan de condensoruitgang heerst. Bij een grote condensor, pv2 ≈ pS, is de partiële luchtdruk pp,2 dus groot en omdat pp · V = const, is het betrokken luchtvolume klein. Daarom is slechts een relatief kleine gasballastpomp nodig. Als de condensor echter klein is, is het omgekeerde het geval: pv2 > pS · pp2, is klein. Hiervoor is een relatief grote gasballastpomp nodig. Aangezien de hoeveelheid lucht die betrokken is bij een pompproces waarbij condensors worden gebruikt niet noodzakelijk constant is, maar binnen min of meer brede grenzen wisselt, zijn de overwegingen moeilijker. Daarom is het noodzakelijk dat de pompsnelheid van de gasballastpomp die bij de condensor werkt, binnen bepaalde grenzen kan worden geregeld.
Fig. 2,42 Condensatiecapaciteit van de condensor (oppervlakte beschikbaar voor condensatie 1 m2) als functie van de inlaatdruk pD1 van de waterdamp. Curve a: Koelwatertemperatuur 53,6 °F (12 °C). Curve b: Temperatuur 77 °F (25 °C). Verbruik in beide gevallen 1 m3/h bij 3 bar overdruk.
Tabel XIII Verzadigingsdruk ps en dampdichtheid eD van water in een temperatuurbereik van -100 °C (-148 °F) tot +140 °C1 (+284 °F)
Praktische overwegingen voor het gebruik van een condensor
In de praktijk zijn de volgende maatregelen gebruikelijk:
a) Tussen de gasballastpomp en de condensor is een smoorklep geplaatst, die tijdens het ruwpompen kan worden kortgesloten. De stromingsweerstand van het smoorgedeelte moet instelbaar zijn, zodat het effectieve toerental van de pomp tot de vereiste waarde kan worden verlaagd. Deze waarde kan worden berekend met behulp van de vergelijkingen die worden gegeven op pagina voor het pompen van gassen (nat proces).
b) Naast de grote pomp voor het ruwpompen wordt een houdpomp met lage snelheid geïnstalleerd, die een grootte heeft die overeenkomt met de minimaal heersende gashoeveelheid. Het doel van deze houdpomp is enkel om de optimale bedrijfsdruk tijdens het proces te handhaven.
c) De benodigde hoeveelheid lucht wordt via een variabel lekventiel in de inlaatleiding van de pomp gelaten. Deze extra hoeveelheid lucht werkt als een grotere gasballast, waardoor de waterdamptolerantie van de pomp toeneemt. Deze maatregel leidt echter meestal tot een verminderde condensorcapaciteit. Bovendien leidt de extra toegelaten luchthoeveelheid tot een hoger stroomverbruik en een hoger olieverbruik. Aangezien het rendement van de condensor afneemt bij een te grote deeldruk van de lucht in de condensor, mag de luchttoevoer niet voor de condensor, maar in het algemeen alleen achter de condensor plaatsvinden.
Als de starttijd van een proces korter is dan de totale looptijd, wordt technisch gezien de eenvoudigste methode gebruikt – de ruwpomp en de houdpomp. Processen met sterk wisselende omstandigheden vereisen een instelbaar smoorgedeelte en indien nodig een instelbare luchttoevoer.
Aan de inlaatzijde van de gasballastpomp is altijd een waterdamppartiaaldruk pv2 aanwezig, die minstens even groot is als de verzadigingsdampdruk van water bij de koelvloeistoftemperatuur. Dit ideale geval is in de praktijk alleen haalbaar met een zeer grote condensor (zie hierboven).
Werkingsprincipe
Met het oog op de praktijk en op basis van de vermelde fundamentele regels moet u de volgende twee gevallen in overweging nemen:
- Verpompen van permanente gassen met kleine hoeveelheden waterdamp. Hier wordt de grootte van de combinatie condensor – gasballastpomp bepaald op basis van de permanent weggepompte hoeveelheid gas. De functie van de condensor is louter om de waterdampdruk bij de inlaatpoort van de gasballastpomp te verlagen tot een waarde onder de waterdamptolerantie.
- Verpompen van waterdamp met kleine hoeveelheden permanente gassen. Hierbij wordt een zo klein mogelijke deeldruk van de permanente gassen in de condensor nagestreefd om de condensor zeer efficiënt te maken. Zelfs als de deeldruk van de waterdamp in de condensor groter is dan de waterdamptolerantie van de gasballastpomp, is een relatief kleine gasballastpomp in het algemeen voldoende met de dan vereiste smoorklep om de aanwezige permanente gassen weg te pompen.
Belangrijke opmerking: als de druk in de condensor tijdens het proces onder de verzadigingsdampdruk van het condensaat daalt (afhankelijk van de koelwatertemperatuur), moet de condensor worden geblokkeerd of moet ten minste het verzamelde condensaat worden geïsoleerd. Als dit niet wordt gedaan, pompt de gasballastpomp de eerder in de condensor gecondenseerde damp weer weg.
Grondbeginselen van vacuümtechnologie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van vacuümtechnologie' om de basisprincipes en processen van vacuümpompen te ontdekken.
Referenties
- Vacuümsymbolen
- Verklarende woordenlijst
- Referenties en bronnen
Vacuümsymbolen
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie