Condensor: werking, toepassingen en bescherming tegen corrosie

Wat is een condensor?

Een condensor is een warmtewisselaar met één specifieke taak: een gas of damp zo ver afkoelen dat het overgaat in een vloeistof. De damp geeft zijn warmte af aan een koelmedium, meestal koelwater en soms lucht, via een metalen wand. Het condensaat wordt afgevoerd en vaak hergebruikt, zoals het voedingswater van een stoomketel of het vloeibare koudemiddel in een koelinstallatie.

Technisch is een condensor dus een gewone warmtewisselaar, zoals beschreven in wat is een warmtewisselaar. Het verschil zit in de faseovergang aan de warme zijde. Die maakt de warmtestroom per vierkante meter groot en stelt bijzondere eisen aan het ontwerp, de koelwatervoorziening en de bescherming van het oppervlak.

Hoe werkt condensatie in een condensor?

Condensatie werkt doordat een damp bij afkoeling tot onder zijn condensatietemperatuur zijn verdampingswarmte afstaat en vloeibaar wordt. Die verdampingswarmte (latente warmte) is veel groter dan de warmte die nodig is om een vloeistof een paar graden af te koelen. Een kilogram stoom levert bij het condenseren ruwweg vijf keer zoveel warmte als een kilogram water dat van 100 °C naar 0 °C afkoelt. De condensor moet al die warmte afvoeren, bij een vrijwel constante temperatuur aan de dampzijde.

Dat heeft twee gevolgen. Ten eerste is het temperatuurverschil tussen damp en koelwater klein, zodat de condensor een groot oppervlak of een grote koelwaterstroom nodig heeft. Ten tweede is de koelwatertemperatuur bepalend voor de druk waarbij de damp condenseert: kouder koelwater betekent een lagere condensatiedruk. Bij een stoomturbine levert die lagere druk direct meer vermogen op, bij een koelinstallatie een lager energieverbruik van de compressor.

Aan de dampzijde vormt het condensaat een film op de wand die zelf weer isoleert. Ontwerpers houden die film dun met een goede afvoer en een juiste oriëntatie van de buizen. Niet-condenseerbare gassen, zoals lucht die via lekkages binnenkomt, hopen zich op en verlagen de warmteoverdracht sterk; ze worden daarom afgezogen.

Welke typen condensors zijn er?

De meeste industriële condensors zijn shell and tube warmtewisselaars: de damp stroomt door de mantel en condenseert op de buitenzijde van de buizen, het koelwater stroomt door de buizen. Daarnaast komen deze uitvoeringen voor:

• Oppervlaktecondensor: grote shell and tube condensor achter een stoomturbine, werkend onder vacuüm, met duizenden buizen en een eigen koelwaterpompinstallatie.
• Watergekoelde condensor in de koeltechniek: compacte shell and tube of platenwarmtewisselaar waarin koudemiddel condenseert tegen koelwater uit een koeltoren of oppervlaktewater.
• Luchtgekoelde condensor: gevinde buizen met ventilatoren, waarbij de damp in de buizen condenseert en lucht de warmte afvoert. Zie het artikel over de luchtkoeler en lamellenkoeler.
• Verdampingscondensor: buizen die van buiten met water besproeid en door lucht aangeblazen worden, zodat het water verdampt en extra warmte afvoert.

Aan boord van schepen vind je condensors achter stoomturbines en hulpketels, in de koel- en vriesinstallatie en in de drinkwatermaker, waar zeewater het koelmedium is.

Waarom zijn koelwater en vacuüm bepalend voor een condensor?

Koelwater en vacuüm bepalen samen de prestatie van een condensor, omdat de condensatiedruk volgt uit de temperatuur aan de koelwaterzijde. Hoe beter de warmte door de buiswand naar het koelwater gaat, hoe lager de druk aan de dampzijde en hoe hoger het rendement van de turbine of de koelmachine. Elke weerstand op de koelwaterzijde, zoals een laag kalk, slib, biofilm of corrosieproducten, verhoogt de condensatiedruk en verlaagt het rendement.

Bij een vacuümcondensor komt daar een risico bij: de dampzijde staat onder een druk die lager is dan de buitenlucht en vaak ook lager dan de koelwaterdruk. Elk lek in een buis of in de rolverbinding met de pijpenplaat zuigt koelwater de dampzijde in. Bij een stoomcondensor komen dan zouten en zuurstof in het condensaat en daarmee in de ketel, met ketelcorrosie en afzetting tot gevolg. Een lekkende condensor is daarom een urgent probleem, niet alleen een rendementsprobleem.

Welke problemen ontstaan aan de koelwaterzijde?

De koelwaterzijde van een condensor is de plek waar de meeste schade ontstaat, omdat het koelwater zouten, zuurstof, slib en organismen meebrengt en in grote hoeveelheden langs het metaal stroomt. De typische problemen zijn:

• Vervuiling (fouling): kalk uit hard water, slib, biofilm, schelpen en algen uit oppervlaktewater of zeewater. Ze isoleren de wand en verstoppen buizen, waardoor de condensatiedruk stijgt.
• Putcorrosie en spleetcorrosie: onder afzettingen en in de rolverbindingen ontstaat plaatselijke aantasting van koper, messing en zelfs roestvast staal, vooral bij chloriden.
• Galvanische corrosie: buizen van koperlegering in een stalen of gietijzeren pijpenplaat en waterkast vormen in geleidend water een galvanisch element; zie galvanische corrosie.
• Erosiecorrosie: bij de buisinlaat, waar het water turbulent en snel is, slijt de beschermende oxidelaag van koperlegeringen weg.
• Corrosie van de waterkasten: de kasten en deksels zijn vaak van gewoon staal of gietijzer en roesten snel in zee- en brakwater.

Wat corrosie precies is en hoe zee-, brak- en rivierwater verschillen in agressiviteit, staat in het thema over corrosie en bescherming.

Hoe bescherm je een condensor tegen corrosie?

Een condensor bescherm je door de koelwaterzijde gesloten af te dekken met een laag die het metaal van het water scheidt, de warmteoverdracht nauwelijks hindert en het oppervlak glad houdt. Materiaalkeuze (cupronikkel, titanium) en opofferingsanoden in de waterkasten helpen, maar nemen de aantasting van buizen en pijpenplaat niet weg. Een phenol-epoxy inbrandcoating op de binnenzijde van de buizen, de pijpenplaten en de waterkasten doet dat wel.

Zo'n inbrandcoating wordt in dunne lagen aangebracht en in de oven uitgehard tot een homogene, glasachtige laag. Ze is chemisch resistent, bestand tegen zeewater, brak water, rivierwater en gedeïoniseerd water, elektrisch isolerend tegen galvanische corrosie en warmtegeleidend. De hydrofobe eindlaag laat kalk en biofilm minder goed hechten, zodat de buizen langer schoon blijven en eenvoudiger te reinigen zijn. Voor de buitenzijde van de bundel en de mantel, waar de damp condenseert, wordt per medium bekeken of een coating nodig en zinvol is.

Wat betekent dit voor jouw condensor?

Een condensor die aan de koelwaterzijde schoon en intact blijft, houdt de condensatiedruk laag en het rendement van de turbine, de koelmachine of het proces op peil. Een condensor die vervuilt of lekt kost eerst energie en daarna de ketel of het proces. De koelwaterzijde beschermen is dus geen cosmetische maatregel, maar de goedkoopste manier om capaciteit en bedrijfszekerheid vast te houden.

Novocoatings coat shell and tube warmtewisselaars en condensors aan de binnen- en buitenzijde met Novotherm phenol-epoxy inbrandcoatings, na een chemische voorbehandeling die ook de binnenzijde van lange buizen bereikt. Voor gebruikte condensors loopt dat via het refit programma, inclusief inspectie, eventueel re-tuben en een druktest. De mogelijkheden per installatie staan op de pagina warmtewisselaars en condensors; andere artikelen over dit onderwerp vind je op de themapagina warmtewisselaars.