Η σημασία U-Αξίας
Ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας-U-τιμή-καθορίζει πόση θερμότητα μεταφέρει ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE ανά τετραγωνικό μέτρο ανά βαθμό διαφοράς θερμοκρασίας. Μια ανακριβής εκτίμηση τιμής U- παράγει έναν εναλλάκτη θερμότητας εσφαλμένου μεγέθους. Το πηνίο είναι είτε πολύ μικρό για να ανταποκριθεί στο καθήκον θερμότητας είτε άσκοπα μεγάλο και ακριβό.
Η εκτίμηση τιμής U-για τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE διαφέρει από τους μεταλλικούς εναλλάκτες σε μια κρίσιμη πτυχή: η αντίσταση του τοιχώματος του σωλήνα είναι σημαντική. Για τον ανοξείδωτο χάλυβα, η αντίσταση του τοίχου είναι συχνά αμελητέα. Για PTFE, με θερμική αγωγιμότητα 60 φορές χαμηλότερη, η αντίσταση του τοίχου είναι ένα κύριο συστατικό της συνολικής τιμής U-. Η αγνόησή του οδηγεί σε σημαντικά σφάλματα μεγέθους.
Η ακριβής εκτίμηση U-τιμής απαιτεί το άθροισμα τριών αντιστάσεων σε σειρά: το εσωτερικό ατμό-πλευρικό φιλμ, το τοίχωμα του σωλήνα PTFE και το εξωτερικό φιλμ-διεργασίας. Το καθένα συνεισφέρει στο σύνολο. Η μεγαλύτερη αντίσταση κυριαρχεί στην τιμή U-.
Οι Τρεις Αντιστάσεις σε Σειρά
Ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι το αντίστροφο του αθροίσματος των επιμέρους αντιστάσεων. Κάθε αντίσταση αντιπροσωπεύει ένα φράγμα θερμότητας που πρέπει να διασχίσει.
Η εσωτερική αντίσταση του φιλμ εξαρτάται από τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας από την πλευρά του ατμού. Για τη συμπύκνωση ατμού μέσα σε ένα σωλήνα, αυτός ο συντελεστής είναι υψηλός-συνήθως 5.000-10.000 W/m²·K. Η αντίσταση είναι μικρή, συχνά μικρότερη από το 10% του συνόλου.
Η αντίσταση του τοιχώματος του σωλήνα εξαρτάται από τη θερμική αγωγιμότητα από PTFE και το πάχος του τοιχώματος. Για σωλήνες PTFE τοίχου 1,0 mm με αγωγιμότητα 0,25 W/m·K, η αντίσταση τοιχώματος είναι 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Αυτή η αντίσταση καθορίζεται από την επιλογή υλικού και το πάχος του τοιχώματος. Συνήθως αντιπροσωπεύει το 20-40% της συνολικής αντίστασης.
Η εξωτερική αντίσταση του φιλμ εξαρτάται από την πλευρική μεταφορά της διεργασίας. Υπό εξαναγκασμένη μεταφορά με ταχύτητα ρευστού 0,5-0,8 m/s πέρα από τους σωλήνες, ο εξωτερικός συντελεστής κυμαίνεται από 400-800 W/m²·K για υδατικά διαλύματα. Η αντίσταση είναι 0,00125-0,0025 m²·K/W. Αυτή είναι συχνά η μεγαλύτερη μεμονωμένη αντίσταση, που αντιπροσωπεύει το 40-60% του συνόλου.
Πίνακας 1: U-Στοιχεία υπολογισμού τιμής για εναλλάκτη θερμότητας PTFE (OD 10 mm, τοίχος 1 mm, εξαναγκασμένη μεταφορά)
| Εξάρτημα αντίστασης | Συντελεστής (W/m²·K) | Αντίσταση (m²·K/W) | % της Ολικής Αντίστασης |
|---|---|---|---|
| Εσωτερικό (ατμός συμπύκνωσης) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Τοίχωμα σωλήνα PTFE (1,0 mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Εξωτερική (αναγκαστική μεταφορά, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Επίδομα ρύπανσης (καθαρή υπηρεσία) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Συνολική U-τιμή | 167 | 0.006 | 100% |
Υπολογισμός για υδατικό διάλυμα οξέος στους 60 βαθμούς με ταχύτητα εγκάρσιας ροής 0,6 m/s. Περιθώριο ρύπανσης για αρχικά καθαρή επιφάνεια PTFE. Η πραγματική τιμή U-του πεδίου υποβαθμίζεται καθώς συσσωρεύονται ρύπανση.
Επιδράσεις εξαναγκασμένης μεταφοράς στην τιμή U-
Η εξαναγκασμένη συναγωγή αυξάνει τον εξωτερικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, μειώνοντας την αντίσταση του εξωτερικού φιλμ. Αυτό βελτιώνει τη συνολική τιμή U-. Αλλά η βελτίωση έχει όρια επειδή η αντίσταση του τοίχου από PTFE είναι σταθερή και ουσιαστική.
Ο διπλασιασμός της ταχύτητας του ρευστού από 0,3 m/s σε 0,6 m/s αυξάνει τον εξωτερικό συντελεστή από περίπου 350 σε 600 W/m²·K. Η συνολική τιμή U-βελτιώνεται από 145 σε 167 W/m²·K-μόνο κατά 15% αύξηση. Περαιτέρω αυξήσεις της ταχύτητας παράγουν φθίνουσες αποδόσεις καθώς η σταθερή αντίσταση τοιχώματος γίνεται κυρίαρχη.
Αυτή η συμπεριφορά διαφέρει από τους μεταλλικούς εναλλάκτες θερμότητας, όπου η αύξηση της ταχύτητας μπορεί να βελτιώσει δραματικά την τιμή U- επειδή η αντίσταση του τοίχου είναι αμελητέα. Για τους εναλλάκτες PTFE, η αντίσταση του τοίχου θέτει ένα ανώτατο όριο στην επιτεύξιμη τιμή U- ανεξάρτητα από τις συνθήκες ροής.
Μέτρηση πεδίου έναντι υπολογισμού
Οι υπολογισμένες τιμές U- παρέχουν εκτιμήσεις σχεδιασμού. Η μέτρηση πεδίου επιβεβαιώνει την πραγματική απόδοση. Η τιμή U{3}} του πεδίου προσδιορίζεται με τη μέτρηση του φόρτου θερμότητας (από τον ρυθμό ροής και την αλλαγή θερμοκρασίας και στις δύο πλευρές) και διαιρώντας με τη γνωστή επιφάνεια και το μετρούμενο LMTD.
Μια τιμή πεδίου U- σημαντικά χαμηλότερη από την υπολογισμένη εκτίμηση υποδηλώνει ρύπανση, πλημμύρα συμπυκνώματος ή κακή κατανομή ροής. Οι τακτικές τάσεις U-τιμής παρέχουν έγκαιρη προειδοποίηση για αναπτυσσόμενα προβλήματα προτού επηρεάσουν την παραγωγή.
Για νέους εναλλάκτες θερμότητας PTFE, θα πρέπει να καθοριστεί μια βασική τιμή U- κατά τη θέση σε λειτουργία. Αυτή η γραμμή βάσης γίνεται η αναφορά για όλες τις μελλοντικές συγκρίσεις απόδοσης.
Περίληψη
Η εκτίμηση τιμής U{0}}του εναλλάκτη θερμότητας PTFE αθροίζει τις αντιστάσεις εσωτερικού φιλμ, τοιχώματος σωλήνα και εξωτερικού φιλμ. Η αντίσταση τοιχώματος PTFE, που καθορίζεται από την αγωγιμότητα και το πάχος του υλικού, αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό κλάσμα του συνόλου-συνήθως 30-45%. Αυτή η αντίσταση τοίχου περιορίζει τη μέγιστη επιτεύξιμη τιμή U ανεξάρτητα από τις βελτιώσεις ροής.
Η εξαναγκασμένη συναγωγή βελτιώνει τον συντελεστή εξωτερικού φιλμ αλλά παράγει μειωμένες αποδόσεις καθώς κυριαρχεί η αντίσταση του τοίχου. Οι υπολογισμένες τιμές U-θα πρέπει να επαληθεύονται με μέτρηση πεδίου και να διαμορφώνονται με την πάροδο του χρόνου για την ανίχνευση ρύπανσης ή άλλης υποβάθμισης.
Η μηχανική ανάλυση για τον υπολογισμό τιμής U{0}}του εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε συγκεκριμένες συνθήκες διεργασίας είναι διαθέσιμη με την υποβολή των ιδιοτήτων του ρευστού, της ταχύτητας ροής, των προδιαγραφών του σωλήνα, των συνθηκών ατμού και των δεδομένων θερμοκρασίας λειτουργίας.
