Често предизвикателство в индустриите с корозивни процеси възниква, когато трябва да се посочи ново киселинно нагряване или охлаждане. Инженерът по процеса може да разполага с необходимите скорости на потока и температури на входа/изхода, но превръщането на тези стойности в смислена спецификация на оборудването за PTFE топлообменник може да е неясно. Без структурирано изчисление на топлинния товар съществува риск изборът на топлообменник да се основава на догадки, а не на добро инженерство.
Отправната точка за правилен избор е определянето на термичното натоварване-наричано още топлинно натоварване. След като топлинният товар е установен, той се превръща в количествена основа за оразмеряване на топлообменника и избор на неговата конфигурация.
Стъпка 1: Установете изчислението на топлинния товар
Основното уравнение за чувствителен пренос на топлина е:
Q=m × Cp × ΔT
където:
Q=топлинно натоварване (kW или BTU/час)
m=масов дебит (kg/s или lb/hr)
Cp=специфичен топлинен капацитет (kJ/kg·K или BTU/lb· градус F)
ΔT=промяна на температурата на технологичния флуид
Всеки термин трябва да бъде определен точно.
Дебит и масов дебит
Дебитът често е наличен като обемен дебит (m³/h или GPM). Тъй като уравнението изисква масов поток, плътността трябва да се използва за преобразуване:
m=ρ × обемен дебит
За корозивни течности, като киселини или смесени химически потоци, плътността варира в зависимост от концентрацията и температурата. Надеждни стойности на плътността могат да бъдат получени от информационни листове на доставчици на химикали, инженерни наръчници или софтуер за симулация на процеси.
На практика единственият най-често срещан източник на грешка при изчисляването на топлинния товар са неточни данни за дебита. Кривите на помпите може да не отразяват действителните работни условия и инсталираното оборудване може да не е калибрирано. Проверката на скоростта на потока-чрез временни разходомери или валидирани инструменти-често предотвратява значително надвишаване или по-малък размер.
Специфичен топлинен капацитет (Cp)
Специфичният топлинен капацитет представлява количеството енергия, необходимо за промяна на температурата на единица маса с един градус. За водата Cp е добре известен. За корозивни киселини, смеси от разтворители или специални химикали Cp трябва да се получи от данни на доставчика, лабораторни измервания или термодинамични бази данни.
Предизвикателства възникват при работа със смесени или променливи -композиционни потоци. В такива случаи може да се наложи Cp да се оцени от средни претеглени стойности или да се изчисли с помощта на инструменти за симулация на процес. За предварително оразмеряване се препоръчват консервативни допускания, но окончателният проект трябва да разчита на валидирани данни за свойствата при съответния температурен диапазон.
Температурна промяна (ΔT)
Температурната разлика обикновено се определя от изискванията на процеса. За отопление ΔT е равно на изходната температура минус входната температура. За охлаждането е обратното. Температурните цели трябва да бъдат потвърдени спрямо общия топлинен баланс на процеса, за да се осигури съответствие с оборудването нагоре и надолу по веригата.
Критичен нюанс е дали задължението е отопление или охлаждане. Големината на топлинния товар може да бъде идентична за даден ΔT, но задълженията за отопление може да изискват пара или термично масло, докато задълженията за охлаждане могат да включват охладена вода или охлаждаща вода. Тези помощни програми влияят върху движещата сила на температурата и конфигурацията на обменника.
Стъпка 2: Преобразувайте топлинния товар в размера на топлообменника
След като Q бъде изчислено, следващата стъпка свързва топлинния товар с физическия размер на топлообменника чрез:
Q=U × A × LMTD
където:
U=общ коефициент на топлопреминаване (W/m²·K)
= необходима площ за пренос на топлина (m²)
LMTD=log средна температурна разлика между горещи и студени флуиди
Определяне на LMTD
LMTD зависи от температурите на входа и изхода както на процесния, така и на полезния поток. Трябва да се установят точни температурни профили, включително дебити на електрическата мрежа, достатъчни да поемат или доставят изчисленото топлинно натоварване.
За кожухоту-и-тръбни PTFE топлообменници разположението на потока (срещу течение, многопроходно) влияе на ефективната температурна разлика. Може да са необходими корекционни коефициенти, ако конфигурацията се отклонява от чисто противотока.
Избор на подходяща U{0}}стойност
Общият коефициент на топлопреминаване отразява комбинираните съпротивления:
Конвекция-от страната на процеса
Проводимост на стената на тръбата (PTFE)
Конвекция-от страната на помощната програма
Обрастващи слоеве
PTFE има значително по-ниска топлопроводимост от металите, което води до по-ниски U-стойности в сравнение с топлообменниците от неръждаема стомана. За много приложения с киселинна-вода предварителните U-стойности може да попадат в диапазона от 200–400 W/m²·K, въпреки че действителните стойности зависят от скоростите, вискозитета и факторите на замърсяване.
Консервативният избор на U{0}}стойност помага за предотвратяване на по-ниски размери, но трябва да бъде балансиран спрямо ограниченията за разходите и спада на налягането.
Стъпка 3: Включете замърсяване и дизайнерски марж
Устойчивостта на замърсяване намалява ефективния пренос на топлина с течение на времето. Дори при корозивни услуги с части, намокрени с PTFE, може да се появи котлен камък или отлагане от страна на полезността. Факторите на замърсяване са или вградени в предполагаемата U-стойност, или изрично включени в изчисленията на съпротивлението.
Проектна граница-често 10–20% допълнителна площ-обикновено се прилага, за да се отчетат несигурностите в свойствата на флуида, вариация на скоростта на потока и бъдещи оперативни промени. Прекомерният марж обаче може да увеличи ненужно капиталовите разходи.
Стъпка 4: Потвърдете хидравличната и механичната осъществимост
След изчисляване на необходимата площ, предложеният топлообменник трябва да бъде оценен за спад на налягането, скорост на потока и механични граници. PTFE тръбите имат стойности на-зависещо от температурата налягане, а скоростта влияе както на топлопреноса, така и на риска от ерозия.
Термичното оразмеряване и хидравличното проектиране трябва да се разглеждат заедно. Топлообменник, който отговаря на топлинното натоварване, но надвишава допустимия спад на налягането, не е жизнеспособен.
Заключение
Точното изчисляване на топлинния товар е-основата, която не подлежи на обсъждане за правилния избор на PTFE топлообменник. Надеждна проверка на скоростта на потока, валидирани данни за специфичния топлинен капацитет и последователен топлинен баланс на процеса гарантират, че топлинният режим е правилно дефиниран. Това топлинно натоварване след това води до оценка на повърхностната площ чрез връзката Q=U × A × LMTD, включваща реалистични U-стойности, фактори на замърсяване и марж на дизайна.
За сложни процеси, включващи множество взаимодействащи потоци или възможности за оползотворяване на топлина, цялостно проучване за интегриране на топлината може да разкрие възможности за оптимизация извън индивидуалните изчисления на работния режим. Надеждната методология на етапа на топлинно натоварване в крайна сметка определя дали избраният топлообменник осигурява надеждна и ефективна работа.
