Η ερώτηση του μεγέθους
Ένα λουτρό χάραξης τιτανίου περιέχει 10% HF και 15% HNO3 σε θερμοκρασία λειτουργίας 55 βαθμούς. Ο όγκος του μπάνιου είναι 4.500 λίτρα. Η θέρμανση από τους 20 βαθμούς περιβάλλοντος πρέπει να ολοκληρωθεί εντός 90 λεπτών. Το διαθέσιμο μέσο θέρμανσης είναι κορεσμένος ατμός 3 barg.
Το ερώτημα που αντιμετωπίζει ο μηχανικός διεργασιών: ποια επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας PTFE προσφέρει αυτή την απόδοση; Το μικρότερο μέγεθος σημαίνει ότι το μπάνιο δεν φτάνει ποτέ σε θερμοκρασία εντός του απαιτούμενου χρόνου. Το υπερβολικό μέγεθος σπαταλά κεφάλαιο και καταναλώνει υπερβολικό όγκο δεξαμενής. Η σωστή απάντηση προέρχεται από τον μεθοδικό υπολογισμό του θερμικού φορτίου.
Θέρμανση-Αυξημένο φορτίο έναντι λειτουργικού φορτίου
Δύο διαφορετικά καθήκοντα θερμότητας καθορίζουν την επιφάνεια PTFE. Το φορτίο θέρμανσης{1}}φέρνει το μπάνιο από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος στη θερμοκρασία λειτουργίας εντός του καθορισμένου χρόνου. Το φορτίο λειτουργίας διατηρεί τη θερμοκρασία έναντι των απωλειών θερμότητας κατά τη διάρκεια της παραγωγής σε σταθερή-κατάσταση.
Το φορτίο θέρμανσης-υπολογίζεται από τη μάζα του λουτρού, την ειδική θερμότητα, την αύξηση της θερμοκρασίας και τον χρόνο. Για 4.500 λίτρα υδατικού διαλύματος οξέος με ειδική θερμότητα περίπου 3,8 kJ/kg·K και πυκνότητα 1.100 kg/m³, η μάζα είναι 4.950 kg. Η άνοδος της θερμοκρασίας από 20 βαθμούς σε 55 βαθμούς είναι 35 βαθμούς. Η συνολική ενέργεια που απαιτείται είναι 4.950 × 3,8 × 35=658,350 kJ. Με παράδοση σε 90 λεπτά, η μέση ισχύς θέρμανσης-είναι 122 kW.
Το λειτουργικό φορτίο αντιπροσωπεύει τις απώλειες θερμότητας από την επιφάνεια της δεξαμενής, τους τοίχους και τα καυσαέρια εξαερισμού. Μια καλά μονωμένη-δεξαμενή 4.500-λίτρων στους 55 βαθμούς σε περιβάλλον 20 μοιρών συνήθως χάνει 15-25 kW ανάλογα με την επιφάνεια και την κίνηση του αέρα. Υποθέτοντας συντηρητικά 25 kW, ο εναλλάκτης θερμότητας PTFE πρέπει να αποδίδει 122 kW κατά τη θέρμανση και 25 kW κατά τη σταθερή λειτουργία.
Το φορτίο θερμότητας-κυριαρχεί στο μέγεθος. Το πηνίο πρέπει να αποδίδει 122 kW στο τέλος της περιόδου θέρμανσης-όταν το LMTD είναι το μικρότερο-λουτρό κοντά στους 55 βαθμούς, ο ατμός στους 143 βαθμούς, το δέλτα T περίπου 88 μοίρες.
Πίνακας 1: Παράμετροι μεγέθους εναλλάκτη θερμότητας PTFE για λουτρό χάραξης τιτανίου
| Παράμετρος | Αξία | Μονάδα |
|---|---|---|
| Όγκος μπάνιου | 4,500 | L |
| Μάζα μπάνιου | 4,950 | κιλά |
| Αρχική θερμοκρασία | 20 | βαθμός |
| Θερμοκρασία στόχος | 55 | βαθμός |
| Απαιτούμενος χρόνος θέρμανσης- | 90 | ελάχ |
| Προθέρμανση- | 122 | kW |
| Λειτουργικό καθήκον | 25 | kW |
| Θερμοκρασία κορεσμού ατμού (3 barg) | 143 | βαθμός |
| Το LMTD στο τέλος της θέρμανσης-ανεβαίνει | 88 | βαθμός |
| Σχεδιασμός U-τιμή (PTFE λεπτού-τοίχου) | 280 | W/m²·K |
| Υπολογισμένη επιφάνεια | 5.0 | m² |
| Προτεινόμενη περιοχή με περιθώριο 15%. | 5.8 | m² |
Ο υπολογισμός χρησιμοποιεί Q=U × A × LMTD. Η τιμή U{2}}λογίζει την αγωγιμότητα του τοίχου από PTFE και τις αντιστάσεις του οριακού στρώματος σε μέτρια ανάδευση.
Ο παράγοντας συμβατότητας υλικού HF
Τα λουτρά χάραξης τιτανίου περιέχουν HF, το οποίο εξαλείφει τα μεταλλικά υλικά εναλλάκτη θερμότητας από την εξέταση. Το τιτάνιο διαλύεται σε HF. Ο ανοξείδωτος χάλυβας διαβρώνεται γρήγορα. Ο περιορισμός υλικού αναγκάζει την επιλογή φθοροπολυμερούς.
Το PTFE είναι χημικά αδρανές σε μείγματα HF-HNO3 σε όλες τις συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες έως 260 βαθμούς. Ο υπολογισμός του μεγέθους για το PTFE ακολουθεί τις ίδιες εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας όπως για οποιοδήποτε υλικό. Η διαφορά είναι η τιμή U-, η οποία για σωλήνες PTFE λεπτού-τοιχώματος είναι περίπου 280 W/m²·K σε σύγκριση με 800-1.200 για καθαρό ανοξείδωτο χάλυβα.
Η χαμηλότερη τιμή U-σημαίνει ότι το PTFE απαιτεί αναλογικά μεγαλύτερη επιφάνεια για την ίδια εργασία θερμότητας. Αυτό είναι το εμπόριο υλικών-: μεγαλύτερο αποτύπωμα πηνίου σε αντάλλαγμα για μόνιμη συμβατότητα HF. Τα υπολογιζόμενα 5,8 τετραγωνικά μέτρα μπορεί να είναι 3,5-4,5 τετραγωνικά μέτρα για ένα υποθετικό μέταλλο ανθεκτικό σε HF, αλλά δεν υπάρχει τέτοιο μέταλλο.
Διαμόρφωση για την περιοχή υπολογισμού
Τα 5,8 τετραγωνικά μέτρα επιφάνειας μεταφράζονται σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις σωλήνων. Χρησιμοποιώντας σωλήνες PTFE OD 10mm, κάθε γραμμικό μέτρο παρέχει 0,0314 m² επιφάνειας. Το συνολικό απαιτούμενο μήκος σωλήνα είναι 5,8 / 0.0314=185 μέτρα.
Αυτό το μήκος είναι ταξινομημένο ως πλέγμα πολλαπλών-περασμάτων. Ένα πλέγμα βάθους 10-σωλήνα-πλάτους επί 19-σωλήνα-που χρησιμοποιεί σωλήνες μήκους 1 μέτρου παρέχει συνολικό μήκος 190 μέτρα και επιφάνεια επιφάνειας 5,97 m² - κοντά στην υπολογισμένη απαίτηση. Το πλέγμα καταλαμβάνει περίπου 1,0 × 0,5 μέτρα επιφάνειας δαπέδου δεξαμενής, αποδεκτό για δεξαμενή 4.500 λίτρων.
Η κατανομή ατμού σε πολλαπλά περάσματα σωλήνων απαιτεί κεφαλίδες κατάλληλου μεγέθους. Η αφαίρεση του συμπυκνώματος από το χαμηλότερο σημείο κάθε διόδου αποτρέπει την πλημμύρα που μειώνει την αποτελεσματική περιοχή. Αυτές οι λεπτομέρειες υδραυλικού σχεδιασμού είναι εξίσου σημαντικές με τον θερμικό υπολογισμό.
Περίληψη
Το εμβαδόν επιφάνειας του εναλλάκτη θερμότητας PTFE για θέρμανση λουτρού χάραξης τιτανίου καθορίζεται από τη λειτουργία θέρμανσης-που συνήθως υπερβαίνει τη λειτουργία λειτουργίας κατά συντελεστή 3-5. Ο υπολογισμός χρησιμοποιεί τυπικές εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας με τιμές U{3}}που είναι συγκεκριμένες για σωλήνες PTFE λεπτού τοιχώματος.
Η προκύπτουσα περιοχή, με περιθώριο ασφαλείας 15%, μετατρέπεται σε μια πρακτική διαμόρφωση πλέγματος σωλήνων που ταιριάζει στη δεξαμενή διεργασίας. Η χημική συμβατότητα HF είναι εγγενής στην επιλογή υλικού PTFE και δεν απαιτεί πρόσθετα δικαιώματα σχεδιασμού.
Για εργασίες χάραξης τιτανίου που απαιτούν το μέγεθος του εναλλάκτη θερμότητας PTFE, η μηχανική ανάλυση είναι διαθέσιμη με την υποβολή του όγκου λουτρού, των συγκεντρώσεων οξέος, των αρχικών και στοχευόμενων θερμοκρασιών, του απαιτούμενου χρόνου θέρμανσης-, της διαθέσιμης πίεσης ατμού και των διαστάσεων της δεξαμενής.
