Wyzwanie obliczeniowe na świeżym powietrzu
Wymiennik ciepła PTFE zainstalowany na zewnątrz charakteryzuje się temperaturami otoczenia wahającymi się od 15 do 20 stopni w dzień i w nocy oraz 30 do 40 stopni w okresie letnim i zimowym. Straty ciepła z wymiennika i łączących go rurociągów do otoczenia zmieniają się proporcjonalnie. Projekt, który uwzględnia tylko średnią temperaturę w zimie, może zostać zaniżony podczas mrozu. Konstrukcja przystosowana do ekstremalnych temperatur minimalnych powoduje straty wydajności podczas normalnej pracy.
Obliczenia strat ciepła muszą uwzględniać zarówno średnią różnicę temperatur powodującą utratę ciepła, jak i stratę szczytową, która określa maksymalną wymaganą wydajność wymiennika. Należy również uwzględnić ryzyko zamarznięcia podczas wyłączania, gdy nie jest dostarczane ciepło, a wymiennik schładza się do temperatury otoczenia.
W przeciwieństwie do wymienników metalowych, PTFE ma margines bezpieczeństwa przed uszkodzeniami spowodowanymi zamarzaniem. Elastyczny fluoropolimer kompensuje rozszerzanie się zamarzającej wody bez pękania-, co ma wpływ na strategię ochrony przed zamarzaniem.
Składniki strat ciepła
Straty ciepła z instalacji zewnętrznego wymiennika ciepła PTFE składają się z trzech elementów. Utrata korpusu zbiornika lub wymiennika następuje z odsłoniętych powierzchni zbiornika lub płaszcza wymiennika na działanie otaczającego powietrza. Stopień strat zależy od powierzchni, różnicy temperatur między płynem procesowym a otaczającym powietrzem oraz całkowitego współczynnika przenikania ciepła przez dowolną izolację i zewnętrzną warstwę powietrza.
Utrata rurociągów łączących występuje w-rurociągach naziemnych pomiędzy wymiennikiem a procesem. Nawet przy izolacji każdy metr rury powoduje mierzalną utratę ciepła. Całkowite straty w rurach zależą od długości odsłoniętej rury i różnicy temperatur.
Strata-zwiększona przez wiatr zwiększa zewnętrzny współczynnik przenikania ciepła. Wiatr o prędkości 5 m/s może podwoić utratę ciepła w porównaniu do nieruchomego powietrza. Dane dotyczące wiatru dla miejsca instalacji należy uwzględnić w obliczeniach strat ciepła.
Tabela 1: Współczynniki obliczeniowe strat ciepła w zależności od warunków otoczenia (ciecz procesowa o temperaturze 50 stopni, powierzchnia odsłonięta 10 m², izolacja z wełny mineralnej o grubości 25 mm)
| Stan otoczenia | Różnica temperatur (stopnie) | Prędkość wiatru (m/s) | Współczynnik folii zewnętrznej (W/m²·K) | Straty ciepła (kW) | Procent obciążenia projektowego (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Letnie popołudnie (35 stopni, nadal) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| Letnia noc (22 stopnie, nadal) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| Zimowe popołudnie (10 stopni, wietrznie) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| Zimowa noc (-5 stopni, wietrznie) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| Zimno (-20 stopni, wietrznie) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| Ekstremalne minimum (-30 stopni, wietrznie) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
Wartości strat ciepła dla nieizolowanej powierzchni zbiornika byłyby 4-6 razy wyższe. Izolacja jest niezbędna w przypadku instalacji zewnętrznych.
Optymalizacja izolacji
Obliczenia strat ciepła pomagają w wyborze grubości izolacji. Optimum ekonomiczne równoważy koszt grubszej izolacji z wartością energii zaoszczędzonej w całym okresie użytkowania sprzętu. W przypadku instalacji zewnętrznych w zimnym klimacie obliczenia często dają grubość izolacji 50–75 mm.
Izolacja musi być odporna na warunki atmosferyczne. Izolacja zewnętrzna wystawiona na działanie deszczu, śniegu i promieni UV szybko ulega degradacji bez powłoki ochronnej. Płaszcz aluminiowy lub ze stali nierdzewnej chroni izolację i zapewnia trwałą, łatwą do czyszczenia powierzchnię. Wszystkie połączenia muszą być uszczelnione, aby zapobiec przedostawaniu się wody, co niszczy skuteczność izolacji.
Wymienniki PTFE stanowią szczególne wyzwanie w zakresie izolacji połączeń kołnierzowych i punktów dostępu do kolektora. System izolacji musi umożliwiać okresowy dostęp w celu kontroli i konserwacji, bez ryzyka uszkodzenia podczas demontażu i wymiany. Zdejmowane koce izolacyjne w tych miejscach zapewniają niezbędny dostęp.
Strategia ochrony przed zamarzaniem
Kiedy zewnętrzny wymiennik ciepła PTFE wyłącza się zimą, płyn procesowy uwięziony w rurach może zamarznąć. Woda po zamrożeniu rozszerza się o około 9%, wytwarzając ciśnienie, które może rozerwać sztywne rury i naczynia.
Rurki PTFE umożliwiają rozszerzanie się lodu bez pękania. Wydłużenie materiału przy zerwaniu przekracza 200%, a jego elastyczność w niskich temperaturach-PTFE pozostaje plastyczny do -200 stopni – pozwala rurze rozszerzać się pod wpływem zamarzającej wody. Jednakże metalowe kolektory, kołnierze i rury łączące podłączone do wymiennika PTFE nie mają tej tolerancji na zamarzanie.
Dlatego strategia ochrony przed zamarzaniem skupia się na elementach metalowych. Ogrzewanie odsłoniętych metalowych rur, kolektorów i zaworów zapobiega zamarzaniu podczas wyłączania. Same rurki PTFE nie wymagają zabezpieczenia przed zamarzaniem, chociaż płyn znajdujący się w rurkach należy spuścić lub pozwolić na powolną cyrkulację, jeśli utrzymują się warunki zamarzania.
Streszczenie
Wahania temperatury otoczenia wpływają na zewnętrzne instalacje wymienników ciepła z PTFE poprzez zmienne straty ciepła, które muszą być kompensowane przez dobór wymiennika. Grubość izolacji jest zoptymalizowana pod kątem lokalnego klimatu, a okładzina odporna na warunki atmosferyczne jest niezbędna dla trwałości. Wpływ wiatru na straty ciepła jest znaczący i należy go uwzględnić w obliczeniach.
Rury PTFE tolerują rozszerzanie się zamrożenia bez uszkodzeń, zapewniając naturalną ochronę przed najpoważniejszymi konsekwencjami przestojów zimowych. Działania mające na celu ochronę przed zamarzaniem koncentrują się na metalowych elementach systemu podłączonych do wymiennika PTFE.
Zalecenia techniczne dotyczące izolacji wymiennika ciepła z PTFE na zewnątrz i projektu zabezpieczenia przed zamarzaniem są dostępne po przedłożeniu danych meteorologicznych dotyczących miejsca instalacji, właściwości płynu technologicznego, profili temperatur pracy i wyłączenia oraz układu rurociągów.
