Častý problém v průmyslu korozních procesů nastává, když musí být specifikován nový kyselý ohřev nebo chlazení. Procesní inženýr může mít potřebné průtoky a vstupní/výstupní teploty, ale převedení těchto hodnot do smysluplné specifikace zařízení pro výměník tepla z PTFE může být nejasné. Bez strukturovaného výpočtu tepelné zátěže hrozí, že výběr výměníku bude založen spíše na odhadech než na spolehlivém inženýrství.
Výchozím bodem pro správný výběr je stanovení tepelné zátěže-také označované jako tepelná zátěž. Jakmile je tepelná zátěž stanovena, stává se kvantitativním základem pro dimenzování výměníku a volbu jeho konfigurace.
Krok 1: Vytvořte výpočet tepelné zátěže
Základní rovnice pro rozumný přenos tepla je:
Q=m × Cp × ΔT
Kde:
Q=tepelné zatížení (kW nebo BTU/h)
m=hmotnostní průtok (kg/s nebo lb/h)
Cp=specifická tepelná kapacita (kJ/kg·K nebo BTU/lb· stupeň F)
ΔT=změna teploty procesní tekutiny
Každý termín musí být určen přesně.
Průtok a hmotnostní průtok
Průtok je často dostupný jako objemový průtok (m³/h nebo GPM). Protože rovnice vyžaduje hmotnostní tok, je třeba pro převod použít hustotu:
m=ρ × objemový průtok
U korozivních kapalin, jako jsou kyseliny nebo smíšené chemické proudy, se hustota mění s koncentrací a teplotou. Spolehlivé hodnoty hustoty lze získat z datových listů dodavatelů chemikálií, technických příruček nebo softwaru pro simulaci procesu.
V praxi jsou jediným nejčastějším zdrojem chyb ve výpočtu tepelné zátěže nepřesné údaje o průtoku. Křivky čerpadla nemusí odrážet skutečné provozní podmínky a instalované přístroje mohou být nekalibrované. Ověření průtoku-pomocí dočasných průtokoměrů nebo ověřených přístrojů-často zabraňuje výraznému předimenzování nebo poddimenzování.
Specifická tepelná kapacita (Cp)
Měrná tepelná kapacita představuje množství energie potřebné ke změně teploty jednotkové hmoty o jeden stupeň. Pro vodu je dobře známý Cp. U žíravých kyselin, směsí rozpouštědel nebo speciálních chemikálií musí být Cp získán z údajů dodavatele, laboratorních měření nebo termodynamických databází.
Problémy vznikají při práci se smíšenými nebo proměnlivými-toky složení. V takových případech může být nutné odhadnout Cp z vážených průměrů nebo vypočítat pomocí nástrojů simulace procesu. Pro předběžné dimenzování se doporučují konzervativní předpoklady, ale konečný návrh by se měl spoléhat na ověřené údaje o vlastnostech v příslušném teplotním rozsahu.
Změna teploty (ΔT)
Teplotní rozdíl je typicky definován požadavky procesu. Pro vytápění se ΔT rovná výstupní teplotě mínus vstupní teplotě. U chlazení je to obráceně. Teplotní cíle by měly být potvrzeny s ohledem na celkovou tepelnou bilanci procesu, aby byla zajištěna konzistence s předřazeným a následným zařízením.
Zásadní nuance je, zda je povinností vytápění nebo chlazení. Velikost tepelné zátěže může být pro daný ΔT identická, ale funkce vytápění mohou vyžadovat páru nebo tepelný olej, zatímco operace chlazení mohou zahrnovat chlazenou vodu nebo chladicí vodu. Tyto nástroje ovlivňují hnací sílu teploty a konfiguraci výměníku.
Krok 2: Převeďte tepelné zatížení na velikost výměníku
Jakmile je Q vypočteno, další krok propojí tepelnou zátěž s fyzickou velikostí výměníku prostřednictvím:
Q=U × A × LMTD
Kde:
U=celkový součinitel prostupu tepla (W/m²·K)
Požadovaná plocha přenosu tepla=(m²)
LMTD=zaznamená průměrný teplotní rozdíl mezi horkými a studenými kapalinami
Stanovení LMTD
LMTD závisí na vstupních a výstupních teplotách procesních i užitkových toků. Musí být stanoveny přesné teplotní profily, včetně průtoků veřejných služeb dostatečných k absorbování nebo dodávání vypočítaného tepelného zatížení.
U skořepinových-a-trubkových výměníků tepla z PTFE ovlivňuje efektivní teplotní rozdíl uspořádání proudění (protiproud, víceprůchodový). Pokud se konfigurace odchyluje od čistého protiproudu, mohou být vyžadovány korekční faktory.
Výběr vhodné U{0}hodnoty
Celkový koeficient prostupu tepla odráží kombinované odpory:
Konvekce-na straně procesu
Vedení trubice stěnou (PTFE)
Konvekce na straně nástroje-
Znečišťující vrstvy
PTFE má výrazně nižší tepelnou vodivost než kovy, což má za následek nižší hodnoty U-ve srovnání s výměníky z nerezové oceli. U mnoha aplikací s kyselou -vodou mohou předběžné hodnoty U- spadat do rozsahu 200–400 W/m²·K, ačkoli skutečné hodnoty závisí na rychlostech, viskozitách a faktorech znečištění.
Konzervativní výběr U-hodnot pomáhá předcházet poddimenzování, ale musí být v rovnováze s omezeními nákladů a poklesu tlaku.
Krok 3: Zahrňte znečištění a návrhový okraj
Odolnost proti znečištění snižuje efektivní přenos tepla v průběhu času. Dokonce i v korozivních provozech s díly smáčenými PTFE může dojít k usazování vodního kamene nebo usazenin na straně rozvodu. Faktory znečištění jsou buď zabudovány do předpokládané hodnoty U-, nebo jsou explicitně zahrnuty do výpočtů odporu.
Pro zohlednění nejistot ve vlastnostech kapalin, kolísání průtoku a budoucích provozních změnách se obvykle používá návrhová rezerva-často 10–20 % dodatečné plochy-. Nadměrná marže však může zbytečně zvýšit kapitálové náklady.
Krok 4: Potvrďte hydraulickou a mechanickou proveditelnost
Po výpočtu požadované plochy musí být navržený výměník vyhodnocen z hlediska tlakové ztráty, rychlosti proudění a mechanických limitů. Trubky PTFE mají jmenovitý tlak-závislý na teplotě a rychlost ovlivňuje přenos tepla i riziko eroze.
Tepelné dimenzování a hydraulický návrh musí být zvažovány společně. Výměník, který splňuje tepelnou zátěž, ale překračuje povolenou tlakovou ztrátu, není životaschopný.
Závěr
Přesný výpočet tepelné zátěže je -základem správného výběru tepelného výměníku z PTFE. Spolehlivé ověření průtoku, ověřené údaje o specifické tepelné kapacitě a konzistentní procesní tepelná bilance zajišťují správnou definici tepelného zatížení. Toto tepelné zatížení pak řídí odhad plochy povrchu prostřednictvím vztahu Q=U × A × LMTD, který zahrnuje realistické hodnoty U-, faktory znečištění a návrhovou rezervu.
U složitých procesů zahrnujících více vzájemně se ovlivňujících proudů nebo příležitostí k rekuperaci tepla může komplexní studie integrace tepla odhalit možnosti optimalizace nad rámec individuálních výpočtů zatížení. Zvuková metodika ve fázi tepelné zátěže v konečném důsledku určuje, zda vybraný výměník poskytuje spolehlivý a účinný výkon.
