Jak określić ilościowo oszczędności wynikające ze stosowania cieńszej osłony z PFA (1 mm w porównaniu z. 2 mm) w podgrzewaczu kwasu z ciągłym{{2}przepływem w ciągu jednego roku?

W zastosowaniach z ciągłym-przepływem kwasu do ogrzewania-takich jak linie do wytrawiania, narzędzia do wytrawiania lub systemy szorowania chemicznego-każdy stopień spadku temperatury w osłonie PFA oznacza utratę energii i zwiększone koszty operacyjne. Cieńsza osłona PFA (1 mm) zapewnia niższy opór cieplny niż standardowa osłona o grubości 2 mm, dzięki czemu do płynu procesowego dociera więcej ciepła przy tej samej temperaturze rdzenia metalowego. Oszczędności przejawiają się w dwóch postaciach: zmniejszonym zużyciu energii w celu utrzymania docelowej temperatury wylotowej oraz zwiększonej przepustowości (wyższe natężenie przepływu) przy tym samym wkładzie energii. W przypadku typowego podgrzewacza kwasu o przepływie ciągłym-, przetwarzającego 50 l/min 15% HCl od 40 stopni do 60 stopni, zmiana osłony z PFA o grubości 2 mm na 1 mm pozwala zaoszczędzić około 2 500–3 500 kWh energii elektrycznej rocznie (8–12% całkowitej energii grzewczej) i zmniejsza wymagany rozmiar grzejnika o 10–15%. W ciągu jednego roku ciągłej pracy (8760 godzin) całkowite oszczędności energii wynoszą 300–300–500 przy 0,10 USD/kWh, z dodatkowymi oszczędnościami wynikającymi ze zmniejszonych kosztów kapitałowych.

Różnica w oporze cieplnym pomiędzy osłonami o grubości 1 mm i 2 mm

Opór cieplny powłoki PFA wynosi R_PFA=t_PFA / k_PFA, gdzie t to grubość, a k to przewodność cieplna (około 0,20 W/m·K dla PFA w temperaturze 60 stopni). Dla osłony 2 mm (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Dla osłony o grubości 1 mm R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-połowa rezystancji. Całkowity opór cieplny elementu grzejnego względem płynu obejmuje również konwekcyjną warstwę graniczną (1/h_fluid). W przypadku przepływu turbulentnego (Re > 10 000) w rurze lub kanale wartość h_fluid wynosi zazwyczaj 1 000–3 000 W/m²·K, co daje 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W-znacznie mniejszy niż opór PFA. PFA dominuje w całkowitym oporze, przyczyniając się do 70–90% spadku temperatury.

Spadek temperatury w powłoce wynosi ΔT_PFA=q × R_PFA, gdzie q to strumień ciepła (W/m²). Dla wymaganego strumienia ciepła 30 000 W/m² (3 W/cm², typowo dla ogrzewania kwasowego), 2 mm osłona tworzy ΔT_PFA=30 000 × 0.010=300 stopni, co wymaga, aby metalowy rdzeń działał w temperaturze 300 stopni wyższej od temperatury zewnętrznej powierzchni PFA. Osłona o grubości 1 mm przy tym samym strumieniu ciepła tworzy ΔT_PFA=150 stopnia. Niższa temperatura rdzenia (o 150 stopni) wydłuża żywotność elementu grzejnego i zmniejsza straty elektryczne. Alternatywnie, dla stałej maksymalnej temperatury rdzenia (np. 260 stopni dla Incoloy), 1 mm osłona pozwala na większy strumień ciepła: q_max,1mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 stopnia (zakładając, że powierzchnia zewnętrzna ma 60 stopni, rdzeń przy 260 stopniach daje ΔT=200 stopnia) / 0.005=40,000 W/m² (4 W/cm²). Osłona o grubości 2 mm i tej samej temperaturze rdzenia daje q_max,2 mm=200 / 0.010=20 000 W/m² (2 W/cm²). Cieńsza osłona zapewnia dwukrotnie większy strumień ciepła przy tej samej temperaturze rdzenia.

Obliczanie oszczędności energii i kosztów dla ciągłego-podgrzewacza przepływowego

Rozważmy podgrzewacz kwasu o przepływie ciągłym{{0} o następujących parametrach: natężenie przepływu 50 l/min (0,05 m3/min, 3 m3/h), płyn 15% HCl, ciepło właściwe 3800 J/kg·K, gęstość 1070 kg/m3, temperatura na wlocie 40 stopni, temperatura na wylocie 60 stopni (ΔT=20 stopni). Wymagana wydajność cieplna Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1070) kg/h × 3800 J/kg·K × 20 K / 3600 s/h=(3210 kg/h) × 3800 × 20 / 3600=67,800 W=67.8 kW. Jest to ciepło, które musi zostać przekazane z grzejnika do kwasu.

Dla powłoki PFA o grubości 2 mm z R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W, wymagana temperatura rdzenia metalowego T_core=T_fluid_out + q × R_total. Wymagana powierzchnia grzejnika A=Q / q. Dla docelowego 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 stopni -za wysokie dla Incoloy (limit ~260 stopni). Dlatego osłona o grubości 2 mm nie może osiągnąć 3 W/cm²; strumień ciepła należy zmniejszyć do q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18,200 W/m² (1,82 W/cm²). Wymagana powierzchnia A_2mm=67,800 / 18,200=3.73 m².

Dla osłony o grubości 1 mm z 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). Wymagana powierzchnia A_1mm=67,800 / 33,300=2.04 m². Osłona o grubości 1 mm wymaga o 45% mniejszej powierzchni grzejnika (2,04 m² w porównaniu z. 3.73 m²), co pozwala na zastosowanie mniejszego i tańszego grzejnika. Zużycie energii elektrycznej jest takie samo (67,8 kW), ponieważ oba muszą dostarczać to samo ciepło do płynu. Jednakże osłona o grubości 2 mm działa w wyższej temperaturze rdzenia (260 stopni w porównaniu z. 240 stopni dla 1 mm przy tym samym strumieniu ciepła), powodując większe straty promieniowania i przewodzenia przez izolację grzejnika. Załóżmy, że straty są wyższe o 5% w przypadku grzejnika 2 mm: dodatkowa strata=67.8 × 0,05 × 8760 godzin=29,700 kWh rocznie. Przy 0,10/kWh oszczędności wynikające ze zmniejszonych strat=0.10/kWh, oszczędności wynikające ze zmniejszonych strat=2,970 rocznie-to znacząca kwota.

Podsumowanie rocznych oszczędności (8760 godzin ciągłej pracy)

Dodatkowe oszczędności wynikające ze zmniejszonej mocy pompowania

Grzejnik płaszczowy o grubości 1 mm ma o 45% mniejszą objętość i mniejsze ograniczenie przepływu (w przypadku grzejnika typu in-inline). W przypadku nagrzewnic z wewnętrznymi kanałami przepływowymi spadek ciśnienia skaluje się wraz z długością. Grzejnik o powierzchni 3,73 m² (2 mm) może mieć przejścia o długości 1,5 m; grzejnik o powierzchni 2,04 m² (1 mm) miałby przejścia o długości 0,8 m. Redukcja spadku ciśnienia o 40–50% zmniejsza moc pompowania. Dla przepływu 50 l/min przy spadku ciśnienia 1,0 bar, moc pompowania=(50 l/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (wydajność pompy)=0.14 kW. Zmniejszenie spadku ciśnienia o 50% pozwala zaoszczędzić 0,07 kW × 8,760=613 kWh/rok lub 61at61at0,10/kWh. Jest to niewielki dodatek, ale przyczynia się do całkowitych oszczędności.

Kompromisy-i kwestie ryzyka

Osłona o grubości 1 mm nie jest uniwersalnie lepsza. O 45% mniejsza powierzchnia wymiany ciepła oznacza, że ​​grzejnik działa przy większym strumieniu ciepła (3,33 W/cm² w porównaniu z . 1.82 W/cm²). Większy strumień ciepła zwiększa temperaturę zewnętrznej powierzchni PFA: przy q=33,300 W/m², spadek na 1 mm osłonie wynosi ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 stopnia, a więc temperatura zewnętrznej powierzchni=240 - 166=74 stopnia (akceptowalna). Wyższy strumień ciepła zwiększa również ryzyko miejscowego przegrzania w przypadku przerwania przepływu, a cieńsza ścianka zapewnia mniejszą wytrzymałość mechaniczną i niższą odporność na ścieranie i przenikanie substancji chemicznych. W przypadku czystego kwasu i stabilnego przepływu ryzyko to jest możliwe do opanowania. W przypadku zawiesin ściernych lub usług, w przypadku których często-wysycha, osłona o grubości 2 mm zapewnia margines bezpieczeństwa.

Wniosek: osłona o grubości 1 mm pozwala zaoszczędzić 1 USD400+ rocznie w przypadku usługi ciągłego-przepływu

W przypadku podgrzewacza kwasu o ciągłym-przepływie, przetwarzającego 50 l/min od 40 stopni do 60 stopni, zmiana osłony z PFA o grubości 2 mm na 1 mm pozwala zaoszczędzić około 530 rocznie zmniejszone straty ciepła i 530 rocznie zmniejszone straty ciepła i 600–900 kosztów inwestycyjnych (mniejszy grzejnik), łącznie 900 kosztów inwestycyjnych (mały lerheater), łącznie 1400–1500 oszczędności w pierwszym roku. Cieńsza osłona pozwala na 831 500 oszczędności w pierwszym roku. Cieńsza osłona pozwala na 8350–100 USD rocznie. Inżynierowie powinni wykonać podobne obliczenia dla określonego natężenia przepływu i ΔT, korzystając z powyższych zależności. W większości zastosowań związanych z ciągłym-przepływem okres zwrotu inwestycji w przypadku wyboru osłony o grubości 1 mm zamiast osłony o grubości 2 mm wynosi mniej niż 6 miesięcy, a dodatkową korzyścią jest mniejszy rozmiar i waga grzejnika. Kompromis w postaci zmniejszonej wytrzymałości mechanicznej należy ocenić w kontekście konkretnych warunków procesu. W przypadku czystych, nieściernych, stale płynących kwasów o stabilnym przepływie, osłona o grubości 1 mm jest bardziej ekonomicznym wyborem w dowolnym 12-miesięcznym okresie eksploatacji. W przypadku pracy przerywanej lub warunków ściernych, pomimo zmniejszenia zużycia energii, preferowana jest osłona o grubości 2 mm.