Το LMTD που ορίζει το καθήκον ψύξης
Μια γραμμή σκληρής ανοδίωσης Τύπου III που λειτουργεί στους 2 βαθμούς απαιτεί έναν εναλλάκτη θερμότητας για την αφαίρεση 50 kW θερμότητας αντίδρασης. Η παροχή κρύου νερού είναι στους -2 βαθμούς και η επιστροφή είναι στους 2 βαθμούς. Το ρευστό διεργασίας εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας στους 4 βαθμούς και φεύγει στους 2 βαθμούς.
Για μια διάταξη μετρητή- ροής, οι διαφορές θερμοκρασίας στα δύο άκρα είναι: θερμό άκρο (είσοδος διεργασίας 4 μοίρες − έξοδος κρύου νερού 2 μοίρες )=2 μοίρες , και ψυχρό άκρο (έξοδος διεργασίας 2 μοίρες − είσοδος κρύου νερού −2 μοίρες )=4 βαθμοί . Το LMTD υπολογίζεται από αυτές τις δύο τιμές και είναι περίπου 2,9 μοίρες.
Το LMTD των 2,9 μοιρών είναι πολύ μικρό. Για έναν εναλλάκτη θερμότητας με συνολικό συντελεστή 200 W/m²·K και θερμικό φορτίο 50 kW, η απαιτούμενη επιφάνεια είναι 86 m². Αυτός είναι ένας πολύ μεγάλος εναλλάκτης θερμότητας και το κόστος κεφαλαίου είναι σημαντικό.
Το μικρό LMTD είναι ο καθοριστικός περιορισμός της ψύξης με σκληρή ανοδίωση. Ο εναλλάκτης θερμότητας πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος για να μεταφέρει τη θερμότητα στη μικρή διαφορά θερμοκρασίας και η απαίτηση επιφάνειας καθορίζει το κόστος κεφαλαίου και το αποτύπωμα.
Γιατί το LMTD είναι μικρό στην υπηρεσία ανοδίωσης
Το LMTD είναι μικρό στην υπηρεσία ανοδίωσης για τρεις λόγους.
Πρώτον, η θερμοκρασία της διαδικασίας είναι χαμηλή. Η σκληρή ανοδίωση τύπου III λειτουργεί στους 0–5 βαθμούς και η θειική ανοδίωση τύπου II λειτουργεί στους 20–22 βαθμούς. Η χαμηλή θερμοκρασία διεργασίας περιορίζει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της διαδικασίας και του κρύου νερού.
Δεύτερον, η θερμοκρασία παροχής κρύου νερού περιορίζεται από το σύστημα ψύξης. Μια τυπική παροχή κρύου νερού είναι στους 5–7 βαθμούς για ανοδίωση Τύπου II και στους -5 έως 0 βαθμούς για την σκληρή ανοδίωση Τύπου III. Η θερμοκρασία παροχής δεν μπορεί να μειωθεί επ' αόριστον επειδή μειώνεται η απόδοση του συστήματος ψύξης και αυξάνεται ο κίνδυνος παγώματος.
Τρίτον, η ανοχή στη θερμοκρασία της διαδικασίας είναι αυστηρή. Ο ρυθμός αντίδρασης ανοδίωσης και οι ιδιότητες επικάλυψης εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και η ανοχή είναι τυπικά ±1 βαθμός. Η αυστηρή ανοχή περιορίζει την αύξηση της θερμοκρασίας του ρευστού διεργασίας κατά μήκος του εναλλάκτη θερμότητας, γεγονός που μειώνει το LMTD.
Το LMTD στην ανοδίωση θειικού οξέος τύπου II
Η ανοδίωση θειικού οξέος τύπου II λειτουργεί στους 20–22 βαθμούς με ανοχή ±1 βαθμό. Η παροχή κρύου νερού είναι συνήθως στους 10–12 βαθμούς και η επιστροφή στους 15–17 βαθμούς. Το ρευστό διεργασίας εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας στους 22 βαθμούς και φεύγει στους 20 βαθμούς.
Για μια διάταξη μετρητή- ροής, οι διαφορές θερμοκρασίας στα δύο άκρα είναι: θερμό άκρο (είσοδος διεργασίας 22 μοίρες − έξοδος κρύου νερού 17 μοίρες )=5 μοίρες , και ψυχρό άκρο (έξοδος διεργασίας 20 μοίρες − είσοδος κρύου νερού 10 μοίρες )=10 μοίρες . Το LMTD είναι περίπου 7,2 μοίρες.
Το LMTD των 7,2 μοιρών είναι μεγαλύτερο από τη θήκη σκληρής ανοδίωσης, αλλά εξακολουθεί να είναι μικρό σε σύγκριση με τις τυπικές εφαρμογές εναλλάκτη θερμότητας. Για έναν εναλλάκτη θερμότητας με συνολικό συντελεστή 200 W/m²·K και θερμικό φορτίο 50 kW, η απαιτούμενη επιφάνεια είναι 35 m².
Το LMTD σε σκληρή ανοδίωση τύπου III
Η σκληρή ανοδίωση τύπου III λειτουργεί στους 0–5 βαθμούς με ανοχή ±0,5 μοίρες. Η παροχή κρύου νερού είναι συνήθως στους -5 έως 0 βαθμούς και η επιστροφή είναι στους 0-3 βαθμούς. Το ρευστό διεργασίας εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας στους 4 βαθμούς και φεύγει στους 2 βαθμούς.
Για μια διάταξη μετρητή-ροής, οι διαφορές θερμοκρασίας στα δύο άκρα είναι: θερμό άκρο (είσοδος διεργασίας 4 μοίρες − έξοδος κρύου νερού 3 μοίρες )=1 μοίρες , και ψυχρό άκρο (έξοδος διεργασίας 2 μοίρες − είσοδος κρύου νερού −5 μοίρες )=7 βαθμοί . Το LMTD είναι περίπου 3,2 μοίρες.
Το LMTD των 3,2 μοιρών είναι πολύ μικρό. Για έναν εναλλάκτη θερμότητας με συνολικό συντελεστή 200 W/m²·K και θερμικό φορτίο 50 kW, η απαιτούμενη επιφάνεια είναι 78 m².
Η επίδραση της διάταξης ροής στο LMTD
Η διάταξη ροής επηρεάζει το LMTD. Μια διάταξη μετρητή-ροής παρέχει το μεγαλύτερο LMTD για ένα δεδομένο σύνολο θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου. Μια παράλληλη-διάταξη ροής παρέχει το μικρότερο LMTD. Μια διάταξη εγκάρσιας-ροής παρέχει ένα ενδιάμεσο LMTD.
Για την υπηρεσία ανοδίωσης, προτιμάται η διάταξη μετρητή- ροής επειδή μεγιστοποιεί το LMTD και ελαχιστοποιεί την απαιτούμενη επιφάνεια. Η διάταξη ροής μετρητή-είναι ιδιαίτερα σημαντική στην υπηρεσία σκληρής ανοδίωσης, όπου το LMTD είναι πολύ μικρό και η απαίτηση για εμβαδόν επιφάνειας είναι υψηλή.
Σύγκριση τιμών LMTD για διαφορετικές συνθήκες ανοδίωσης
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει το LMTD και την απαιτούμενη επιφάνεια για διαφορετικές συνθήκες ανοδίωσης με θερμικό φορτίο 50 kW και συνολικό συντελεστή 200 W/m²·K.
| Τύπος ανοδίωσης | Θερμοκρασία διεργασίας | Παροχή κρύου νερού | Επιστροφή κρύου νερού | Διαδικασία ΔT | LMTD | Απαιτούμενη επιφάνεια |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Τύπος II, χαμηλό φορτίο | 22 μοίρες | 12 μοίρες | 16 βαθμοί | 1 βαθμός | 8,5 μοίρες | 29 m² |
| Τύπος II, μέτριο φορτίο | 22 μοίρες | 10 μοίρες | 15 μοίρες | 2 βαθμοί | 7,2 μοίρες | 35 m² |
| Τύπος II, υψηλού φορτίου | 22 μοίρες | 8 μοίρες | 14 μοίρες | 3 μοίρες | 6,1 μοίρες | 41 m² |
| Τύπος III, χαμηλό φορτίο | 4 μοίρες | 0 βαθμός | 2 βαθμοί | 1 βαθμός | 3,5 μοίρες | 71 m² |
| Τύπος III, μέτριο φορτίο | 4 μοίρες | −2 βαθμοί | 2 βαθμοί | 2 βαθμοί | 2,9 μοίρες | 86 m² |
| Τύπος III, υψηλού φορτίου | 4 μοίρες | −5 βαθμοί | 2 βαθμοί | 3 μοίρες | 2,4 μοίρες | 104 m² |
| Τύπος III, πολύ υψηλό φορτίο | 4 μοίρες | −8 μοίρες | 2 βαθμοί | 4 μοίρες | 2,0 μοίρες | 125 m² |
Οι απαιτούμενες τιμές επιφάνειας προϋποθέτουν μια διάταξη μετρητή-ροής και συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας 200 W/m²·K. Η πραγματική επιφάνεια θα εξαρτηθεί από το υλικό του σωλήνα, το πάχος του τοιχώματος και τις ταχύτητες ροής.
Τα Πρακτικά Όρια του LMTD στην Υπηρεσία Ανοδίωσης
Τα πρακτικά όρια του LMTD στην υπηρεσία ανοδίωσης καθορίζονται από την αντιστάθμιση- μεταξύ του μεγέθους του εναλλάκτη θερμότητας και του κόστους ψύξης. Ένα μικρότερο LMTD απαιτεί μεγαλύτερο εναλλάκτη θερμότητας, αλλά επιτρέπει υψηλότερη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού, γεγονός που μειώνει το κόστος ψύξης. Ένα μεγαλύτερο LMTD επιτρέπει έναν μικρότερο εναλλάκτη θερμότητας, αλλά απαιτεί χαμηλότερη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού, γεγονός που αυξάνει το κόστος ψύξης.
Για την ανοδίωση με θειικό οξύ Τύπου II, το πρακτικό εύρος LMTD είναι 6–10 μοίρες. Κάτω από τους 6 βαθμούς, ο εναλλάκτης θερμότητας γίνεται πρακτικά μεγάλος. Πάνω από τους 10 βαθμούς, η θερμοκρασία παροχής κρύου νερού γίνεται πολύ υψηλή για να παρέχει επαρκή ψύξη.
Για σκληρή ανοδίωση τύπου III, το πρακτικό εύρος LMTD είναι 2–5 μοίρες. Κάτω από τις 2 μοίρες, ο εναλλάκτης θερμότητας γίνεται πρακτικά μεγάλος. Πάνω από 5 βαθμούς, η θερμοκρασία παροχής κρύου νερού γίνεται πολύ υψηλή για να διατηρήσει τη θερμοκρασία της διαδικασίας.
Χαρακτηριστικά σχεδιασμού που επιτρέπουν μικρότερο LMTD
Πολλά χαρακτηριστικά σχεδιασμού επιτρέπουν μικρότερο LMTD χωρίς υπερβολική αύξηση του μεγέθους του εναλλάκτη θερμότητας.
Υλικό σωλήνα υψηλότερης αγωγιμότητας.Μια γεμάτη ένωση PTFE με θερμική αγωγιμότητα 0,5 W/m·K έχει τη μισή θερμική αντίσταση τοιχώματος από το παρθένο PTFE, η οποία αυξάνει τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και μειώνει την απαιτούμενη επιφάνεια.
Λεπτότερο τοίχωμα σωλήνα.Ένα λεπτότερο τοίχωμα μειώνει τη θερμική αντίσταση και αυξάνει τον συνολικό συντελεστή. Ένας τοίχος 0,5 mm έχει τη μισή θερμική αντίσταση ενός τοίχου 1,0 mm.
Υψηλότερη ταχύτητα ροής.Μια υψηλότερη ταχύτητα ροής αυξάνει τους συντελεστές φιλμ και στις δύο πλευρές του τοιχώματος του σωλήνα, γεγονός που αυξάνει τον συνολικό συντελεστή και μειώνει την απαιτούμενη επιφάνεια.
Βελτιωμένη επιφάνεια σωλήνα.Μια επιφάνεια σωλήνα με πτερύγια ή αυλακώσεις αυξάνει την επιφάνεια ανά μονάδα μήκους και τον συντελεστή φιλμ, γεγονός που επιτρέπει μικρότερο LMTD.
Μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας σε όλη τη διαδικασία.Επιτρέποντας στο ρευστό διεργασίας να ανέβει ή να πέσει κατά μεγαλύτερη ποσότητα στον εναλλάκτη θερμότητας αυξάνει το LMTD. Η ανοχή θερμοκρασίας διεργασίας περιορίζει την επιτρεπόμενη αλλαγή θερμοκρασίας.
Διαιρούμενη διαμόρφωση εναλλάκτη θερμότητας.Η διαίρεση του θερμικού φορτίου μεταξύ δύο μικρότερων εναλλάκτη θερμότητας επιτρέπει σε κάθε μονάδα να λειτουργεί σε μικρότερο LMTD χωρίς την τιμωρία χώρου μιας μόνο μεγάλης μονάδας.
Παράμετροι προδιαγραφών για την υπηρεσία ανοδίωσης
Οι μηχανικοί εξοπλισμού που καθορίζουν έναν εναλλάκτη θερμότητας PTFE για σέρβις ανοδίωσης θα πρέπει να επιβεβαιώσουν τις ακόλουθες παραμέτρους με τον προμηθευτή.
Τύπος ανοδίωσης.Προσδιορίστε την ανοδίωση τύπου II ή τύπου III και τη θερμοκρασία διεργασίας.
Ανοχή θερμοκρασίας διαδικασίας.Καθορίστε την επιτρεπόμενη διακύμανση θερμοκρασίας στο λουτρό διεργασίας.
Θερμοκρασία παροχής κρύου νερού.Καθορίστε τη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού και τον διαθέσιμο ρυθμό ροής.
Θερμοκρασία επιστροφής κρύου νερού.Καθορίστε τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία επιστροφής κρύου νερού.
Θερμικό φορτίο.Προσδιορίστε το θερμικό φορτίο και το αναμενόμενο εύρος.
LMTD.Καθορίστε το LMTD με βάση τη διαδικασία και τις θερμοκρασίες κρύου νερού.
Επιφάνεια.Καθορίστε την επιφάνεια που απαιτείται για το θερμικό φορτίο και το LMTD.
Υλικό σωλήνα.Καθορίστε το υλικό του σωλήνα με βάση τον απαιτούμενο συνολικό συντελεστή και τη θερμοκρασία του τοιχώματος.
Διάταξη ροής.Καθορίστε τη διάταξη ροής. Προτιμάται η μετρητή-ροή για μέγιστο LMTD.
Αντιστοίχιση LMTD με απαιτήσεις διαδικασίας ανοδίωσης
Το LMTD καθορίζει την απαιτούμενη επιφάνεια και τη σκοπιμότητα της λειτουργίας ψύξης σε έναν εναλλάκτη θερμότητας PTFE για υπηρεσία ανοδίωσης. Ένα μικρότερο LMTD απαιτεί μεγαλύτερο εναλλάκτη θερμότητας, αλλά επιτρέπει υψηλότερη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού και χαμηλότερο κόστος ψύξης. Ένα μεγαλύτερο LMTD επιτρέπει έναν μικρότερο εναλλάκτη θερμότητας, αλλά απαιτεί χαμηλότερη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού και υψηλότερο κόστος ψύξης.
Το LMTD θα πρέπει να επιλέγεται με βάση τη θερμοκρασία της διεργασίας, τη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού, το θερμικό φορτίο και τους περιορισμούς χώρου. Ένα απλό μοντέλο υπολογιστικού φύλλου με τον υπολογισμό της μεταφοράς θερμότητας και τα δεδομένα κόστους παρέχει τις πληροφορίες που απαιτούνται για την επιλογή του βέλτιστου LMTD.
Για τις γραμμές ανοδίωσης που αξιολογούν τις επιλογές εναλλάκτη θερμότητας PTFE, το LMTD θα πρέπει να προσδιορίζεται στα έγγραφα προμήθειας και να επαληθεύεται κατά την έναρξη λειτουργίας. Η προεπιλεγμένη διαμόρφωση που παρέχεται από τον κατασκευαστή μπορεί να βελτιστοποιηθεί για συμπαγή αντί για ενεργειακή απόδοση και το LMTD που προκύπτει μπορεί να μην ταιριάζει με τις πραγματικές απαιτήσεις της διαδικασίας.
Οι μηχανικοί εξοπλισμού και οι ειδικοί προμηθειών που αξιολογούν τις προδιαγραφές του εναλλάκτη θερμότητας PTFE για ανοδίωση ή άλλη υπηρεσία ψύξης χαμηλής{0} θερμοκρασίας μπορούν να ζητήσουν αναθεώρηση σχεδιασμού που καλύπτει τον τύπο ανοδίωσης, τη θερμοκρασία διεργασίας, τη θερμοκρασία παροχής κρύου νερού, το θερμικό φορτίο, το LMTD και την επιφάνεια, για να επιβεβαιώσουν ότι η μονάδα ταιριάζει με τις πραγματικές απαιτήσεις διαδικασίας και τη δομή του κόστους της εγκατάστασης.
