V aplikacích s nepřetržitým{0}}průtokem kyselého ohřevu-jako jsou mořicí linky, leptací nástroje nebo systémy chemického čištění- každý stupeň poklesu teploty na plášti PFA představuje ztrátu energie a zvýšené provozní náklady. Tenčí PFA plášť (1 mm) nabízí nižší tepelný odpor než standardní 2mm plášť, což umožňuje, aby se do procesní kapaliny dostalo více tepla při stejné teplotě kovového jádra. Úspory se projevují ve dvou formách: snížená spotřeba energie pro udržení cílové výstupní teploty a zvýšená průchodnost (vyšší průtok) při stejném příkonu energie. U typického kontinuálního-průtokového kyselého ohřívače zpracovávajícího 50 l/min 15% HCl ze 40 stupňů na 60 stupňů, přechod z 2 mm na 1 mm PFA plášť ušetří přibližně 2 500–3 500 kWh ročně na elektřině (8–12 % celkové energie na vytápění) a snižuje požadovanou velikost ohřívače o 10–15 %. Během jednoho roku nepřetržitého provozu (8 760 hodin) jsou celkové úspory energie 300–300–500 při 0,10 USD/kWh, s dalšími úsporami díky sníženým kapitálovým nákladům.
Rozdíl tepelného odporu mezi pláštěm 1 mm a 2 mm
Tepelný odpor pláště PFA je R_PFA=t_PFA / k_PFA, kde t je tloušťka a k je tepelná vodivost (přibližně 0,20 W/m·K pro PFA při 60 stupních ). Pro 2mm plášť (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Pro 1mm plášť, R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-polovina odporu. Celkový tepelný odpor od topného tělesa vůči tekutině zahrnuje také konvekční mezní vrstvu (1/h_fluid). Pro turbulentní proudění (Re > 10 000) v potrubí nebo kanálu je h_fluid obvykle 1 000–3 000 W/m²·K, což dává 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W- mnohem menší než odpor PFA. PFA dominuje celkovému odporu a přispívá 70–90 % k poklesu teploty.
Pokles teploty na plášti je ΔT_PFA=q × R_PFA, kde q je tepelný tok (W/m²). Pro požadovaný tepelný tok 30 000 W/m² (3 W/cm², typické pro ohřev kyselinou) vytváří 2mm plášť ΔT_PFA=30,000 × 0.010=300 stupňů, což vyžaduje, aby kovové jádro fungovalo při teplotě 300 stupňů nad vnější povrchovou teplotou PFA. 1mm plášť při stejném tepelném toku vytváří ΔT_PFA=150 stupňů. Nižší teplota jádra (o 150 stupňů) prodlužuje životnost topného tělesa a snižuje elektrické ztráty. Alternativně pro pevnou maximální teplotu jádra (např. 260 stupňů pro Incoloy) umožňuje 1mm plášť vyšší tepelný tok: q_max,1mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 stupňů (za předpokladu vnějšího povrchu při 60 stupních, jádro při 260 stupních dává 3}Δ03 {{3}) W/m² (4 W/cm²). 2mm plášť se stejnou teplotou jádra poskytuje q_max,2mm=200 / 0.010=20,000 W/m² (2 W/cm²). Tenčí plášť poskytuje dvojnásobný tepelný tok při stejné teplotě jádra.
Výpočet úspor energie a nákladů pro kontinuální-průtokový ohřívač
Uvažujme kontinuální-průtokový kyselý ohřívač s následujícími parametry: průtok 50 l/min (0,05 m³/min, 3 m³/h), kapalina 15 % HCl, měrné teplo 3 800 J/kg·K, hustota 1 070 kg/m³, vstupní teplota 40 stupňů, výstupní teplota 60 stupňů{1} (ΔT 60 stupňů{1}). Požadovaný tepelný výkon Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1 070) kg/h × 3 800 J/kg·K × 20 K / 3 600 s/h=(3 210 kg/h, 8 {0} × 20} × 3,8=67.8 kW. To je teplo, které se musí přenést z ohřívače do kyseliny.
Pro 2mm PFA plášť s R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W, požadovaná teplota kovového jádra T_core=T_fluid_out + q × R_total. Požadovaná plocha povrchu ohřívače A=Q / q. Pro cílovou hodnotu q=30,000 W/m² (3 W/cm²), A=67,800 / 30,000=2.26 m². T_core=60 + 30,000 × 0.011=60 + 330=390 stupeň -příliš vysoké pro Incoloy (limit ~260 stupňů). Proto 2mm plášť nemůže dosáhnout 3 W/cm²; tepelný tok musí být snížen na q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18, 200 W/m² (1,82 W/cm²). Požadovaná plocha A_2mm=67,800 / 18,200=3.73 m².
Pro 1 mm plášť s R_total=0.005 + 0.001=0.006 m²·K/W, q_max=(260 - 60) / 0.006=200 / 0.006=33, 300 W/m² (3,33 W/cm²). Požadovaná plocha A_1mm=67,800 / 33,300=2.04 m². 1mm plášť vyžaduje o 45 % menší plochu topného tělesa (2,04 m² vs Spotřeba elektrické energie je stejná (67,8 kW), protože oba musí dodávat kapalině stejné teplo. 2mm plášť však funguje při vyšší teplotě jádra (260 stupňů vs . 240 stupňů pro 1 mm při stejném tepelném toku), což způsobuje vyšší ztráty sáláním a vedením přes izolaci topení. Předpokládejme o 5 % vyšší ztráty u 2mm ohřívače: dodatečná ztráta=67.8 × 0,05 × 8 760 hodin=29 700 kWh za rok. Při 0,10/kWh, úspory ze snížených ztrát=0.10/kWh, úspory ze snížených ztrát=2, 970 za rok-značná částka.
Přehled ročních úspor (8 760 hodin nepřetržitého provozu)
| Parametr | 2 mm PFA plášť | 1 mm PFA plášť | Rozdíl (úspora 1 mm) |
|---|---|---|---|
| Maximální udržitelný tepelný tok (W/cm²) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Požadovaná plocha ohřívače (m²) | 3.73 | 2.04 | -45 % (menší ohřívač) |
| Teplota kovového jádra při 67,8 kW ( stupňů) | 260 | 240 | -20 stupňů (delší životnost) |
| Tepelné ztráty izolací (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Roční tepelné ztráty (kWh/rok) | 29,800 | 24,500 | 5 300 kWh |
| Roční elektrická energie na ztráty (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5 300 kWh |
| Roční náklady na energii 0,10 $/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Investiční náklady na topení (odhad) | $1,800 | $1,200 | 600 $ (menší ohřívač) |
| Náklady na instalaci (potrubí, podpěry) | $800 | $500 | $300 |
| Celková úspora za první-rok | - | - | $1,430 |
Další úspory díky sníženému čerpacímu výkonu
Ohřívač pláště o tloušťce 1 mm má o 45 % menší objem a nižší omezení průtoku (pokud je ohřívač řadový -). U ohřívače s vnitřními průtokovými kanály, tlaková ztráta měřítka s délkou. Ohřívač 3,73 m² (2 mm) může mít průchody dlouhé 1,5 m; ohřívač 2,04 m² (1 mm) by měl průchody dlouhé 0,8 m. Snížení poklesu tlaku o 40–50 % snižuje čerpací výkon. Pro průtok 50 l/min s poklesem tlaku 1,0 bar, čerpací výkon=(50 l/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (účinnost čerpadla)=0.14 kW. Snížení poklesu tlaku o 50 % ušetří 0,07 kW × 8,760=613 kWh/rok nebo 61 at61 at 0,10/kWh. Jedná se o drobný doplněk, který však přispívá k celkovým úsporám.
Obchodní-úlevy a úvahy o riziku
1 mm pouzdro není univerzálně lepší. O 45 % menší plocha přenosu tepla znamená, že ohřívač pracuje s vyšším tepelným tokem (3,33 W/cm² vs. . 1.82 W/cm²). Vyšší tepelný tok zvyšuje teplotu vnějšího povrchu PFA: při q=33,300 W/m² je pokles přes 1mm plášť ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 stupňů, takže teplota vnějšího povrchu=240 - 166=74 stupňů (přijatelné). Vyšší tepelný tok také zvyšuje riziko lokalizovaného přehřátí, pokud je proudění přerušeno, a tenčí stěna nabízí menší mechanickou pevnost a nižší odolnost proti oděru a chemické permeaci. V případě provozu čisté kyseliny se stabilním průtokem jsou tato rizika zvládnutelná. Pro abrazivní kaly nebo služby s častým-vysycháním poskytuje 2mm plášť bezpečnostní rezervu.
Závěr: 1mm plášť ušetří 1 $,400+ ročně v nepřetržitém-průtoku
Pro kontinuální{0}}průtokový kyselý ohřívač zpracovávající 50 l/min od 40 stupňů do 60 stupňů, přechod z 2 mm na 1 mm PFA plášť ušetří přibližně 530 ročně snížené tepelné ztráty a 530 ročně snížené tepelné ztráty a 600–900 investičních nákladů (menší ohřívač), celkem 900 investičních nákladů (malé ohřívač), celková úspora 1 400–1 500 v prvním roce. Úspora tenčích 831 500 v prvním roce. ročně. Inženýři by měli provést podobný výpočet pro svůj specifický průtok a ΔT s použitím výše uvedených vztahů. Ve většině aplikací s kontinuálním{23}}průtokem je doba návratnosti při specifikaci 1mm pláště místo 2mm pláště kratší než 6 měsíců, s další výhodou menší velikosti a hmotnosti ohřívače. Kompromis-snížené mechanické odolnosti musí být vyhodnocen ve vztahu ke konkrétním podmínkám procesu. Pro čisté,-neabrazivní, kontinuálně proudící kyseliny se stabilním průtokem je 1mm plášť ekonomičtější volbou na jakékoli 12měsíční provozní období. Pro přerušovaný provoz nebo abrazivní podmínky zůstává 2 mm plášť výhodnější i přes energetickou penalizaci.
