LMTD określający obciążenie chłodzenia
Linia do twardego anodowania typu III działająca w temperaturze 2 stopni wymaga wymiennika ciepła do usunięcia 50 kW ciepła reakcji. Dopływ zimnej wody ma temperaturę -2 stopnie, a powrót - 2 stopnie. Płyn procesowy wpływa do wymiennika ciepła w temperaturze 4 stopni i wypływa w temperaturze 2 stopni.
W przypadku układu z przepływem przeciwprądowym różnice temperatur na obu końcach wynoszą: koniec gorący (wlot procesowy 4 stopnie – wylot wody lodowej 2 stopnie)=2 stopni i koniec zimny (wylot procesowy 2 stopnie – wlot wody lodowej –2 stopnie)=4 stopni. LMTD jest obliczany na podstawie tych dwóch wartości i wynosi około 2,9 stopnia.
LMTD wynoszący 2,9 stopnia jest bardzo mały. Dla wymiennika ciepła o współczynniku całkowitym 200 W/m²·K i obciążeniu cieplnym 50 kW wymagana powierzchnia wynosi 86 m². Jest to bardzo duży wymiennik ciepła, a koszt inwestycyjny jest znaczny.
Mały LMTD jest definiującym ograniczeniem chłodzenia poprzez anodowanie twarde. Wymiennik ciepła musi być wystarczająco duży, aby przenosić ciepło przez niewielką różnicę temperatur, a zapotrzebowanie na powierzchnię wpływa na koszt inwestycyjny i zajmowaną powierzchnię.
Dlaczego LMTD jest mały w zakresie usług anodowania
LMTD ma niewielkie możliwości w zakresie usług anodowania z trzech powodów.
Po pierwsze, temperatura procesu jest niska. Anodowanie twarde typu III działa w temperaturze 0–5 stopni, a anodowanie siarkowe typu II działa w temperaturze 20–22 stopni. Niska temperatura procesu ogranicza różnicę temperatur pomiędzy procesem a wodą lodową.
Po drugie, temperatura dostarczanej wody lodowej jest ograniczona przez system chłodniczy. Typowa temperatura wody lodowej wynosi 5–7 stopni w przypadku anodowania typu II i od -5 do 0 stopni w przypadku anodowania twardego typu III. Nie można obniżać temperatury zasilania w nieskończoność, ponieważ spada wydajność układu chłodniczego i wzrasta ryzyko zamarznięcia.
Po trzecie, tolerancja temperatury procesu jest wąska. Szybkość reakcji anodowania i właściwości powłoki zależą od temperatury, a tolerancja wynosi zazwyczaj ± 1 stopień. Wąska tolerancja ogranicza wzrost temperatury płynu procesowego w wymienniku ciepła, co zmniejsza LMTD.
LMTD w anodowaniu kwasem siarkowym typu II
Anodowanie kwasem siarkowym typu II działa w temperaturze 20–22 stopni z tolerancją ± 1 stopnia. Dopływ zimnej wody ma zazwyczaj temperaturę 10–12 stopni, a powrót 15–17 stopni. Płyn procesowy wpływa do wymiennika ciepła w temperaturze 22 stopni i wypływa w temperaturze 20 stopni.
W przypadku układu z przepływem przeciwprądowym różnice temperatur na obu końcach wynoszą: koniec gorący (wlot procesowy 22 stopnie – wylot wody lodowej 17 stopni)=5 stopni i koniec zimny (wylot procesowy 20 stopni – wlot wody lodowej 10 stopni)=10 stopni. LMTD wynosi około 7,2 stopnia.
LMTD wynosząca 7,2 stopnia jest większa niż obudowa z twardego anodowania, ale wciąż mała w porównaniu do typowych zastosowań w wymiennikach ciepła. Dla wymiennika ciepła o współczynniku całkowitym 200 W/m²·K i obciążeniu cieplnym 50 kW wymagana powierzchnia wynosi 35 m².
LMTD w anodowaniu twardym typu III
Anodowanie twarde typu III działa w temperaturze 0–5 stopni z tolerancją ± 0,5 stopnia. Dopływ wody lodowej ma zazwyczaj temperaturę od -5 do 0 stopni, a temperatura powrotu wynosi 0-3 stopni. Płyn procesowy wpływa do wymiennika ciepła w temperaturze 4 stopni i wypływa w temperaturze 2 stopni.
W przypadku układu z przepływem przeciwprądowym różnice temperatur na obu końcach wynoszą: koniec gorący (wlot procesowy 4 stopnie – wylot wody lodowej 3 stopnie)=1 stopni i koniec zimny (wylot procesowy 2 stopnie – wlot wody lodowej –5 stopni)=7 stopni. LMTD wynosi około 3,2 stopnia.
LMTD wynoszący 3,2 stopnia jest bardzo mały. Dla wymiennika ciepła o współczynniku całkowitym 200 W/m²·K i obciążeniu cieplnym 50 kW wymagana powierzchnia wynosi 78 m².
Wpływ organizacji przepływu na LMTD
Układ przepływu wpływa na LMTD. Układ przeciwprądowy-zapewnia największy LMTD dla danego zestawu temperatur na wlocie i wylocie. Układ przepływu-równoległego zapewnia najmniejszy LMTD. Układ przepływu krzyżowego- zapewnia pośredni LMTD.
W przypadku anodowania preferowany jest-przepływ przeciwprądowy, ponieważ maksymalizuje on LMTD i minimalizuje wymaganą powierzchnię. Układ przeciwprądowy-jest szczególnie ważny w przypadku anodowania twardego, gdzie LMTD jest bardzo mały, a wymagania dotyczące powierzchni są duże.
Porównanie wartości LMTD dla różnych warunków anodowania
Poniższa tabela podsumowuje LMTD i wymaganą powierzchnię dla różnych warunków anodowania przy obciążeniu cieplnym 50 kW i całkowitym współczynniku 200 W/m²·K.
| Typ anodowania | Temperatura procesu | Zaopatrzenie w wodę lodową | Powrót wody lodowej | Proces ΔT | LMTD | Wymagana powierzchnia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Typ II, niskie obciążenie | 22 stopnie | 12 stopni | 16 stopni | 1 stopień | 8,5 stopnia | 29 m² |
| Typ II, umiarkowane obciążenie | 22 stopnie | 10 stopni | 15 stopni | 2 stopnie | 7,2 stopnia | 35 m² |
| Typ II, duże obciążenie | 22 stopnie | 8 stopni | 14 stopni | 3 stopnie | 6,1 stopnia | 41 m² |
| Typ III, niskie obciążenie | 4 stopnie | 0 stopni | 2 stopnie | 1 stopień | 3,5 stopnia | 71 m² |
| Typ III, umiarkowane obciążenie | 4 stopnie | -2 stopnie | 2 stopnie | 2 stopnie | 2,9 stopnia | 86 m² |
| Typ III, duże obciążenie | 4 stopnie | -5 stopni | 2 stopnie | 3 stopnie | 2,4 stopnia | 104 m² |
| Typ III, bardzo duże obciążenie | 4 stopnie | -8 stopni | 2 stopnie | 4 stopnie | 2,0 stopnia | 125 m² |
Wymagane wartości pola powierzchni zakładają-przepływ przeciwny i całkowity współczynnik przenikania ciepła 200 W/m²·K. Rzeczywista powierzchnia będzie zależeć od materiału rury, grubości ścianki i prędkości przepływu.
Praktyczne ograniczenia LMTD w usługach anodowania
Praktyczne ograniczenia LMTD w usługach anodowania zależą od-kompromisu pomiędzy wielkością wymiennika ciepła a kosztem chłodzenia. Mniejszy LMTD wymaga większego wymiennika ciepła, ale umożliwia wyższą temperaturę zasilania wodą lodową, co zmniejsza koszty chłodzenia. Większy LMTD umożliwia zastosowanie mniejszego wymiennika ciepła, ale wymaga niższej temperatury zasilania wodą lodową, co zwiększa koszty chłodzenia.
W przypadku anodowania kwasem siarkowym typu II praktyczny zakres LMTD wynosi 6–10 stopni. Poniżej 6 stopni wymiennik ciepła staje się niepraktycznie duży. Powyżej 10 stopni temperatura dostarczanej wody lodowej staje się zbyt wysoka, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie.
W przypadku anodowania twardego typu III praktyczny zakres LMTD wynosi 2–5 stopni. Poniżej 2 stopni wymiennik ciepła staje się niepraktycznie duży. Powyżej 5 stopni temperatura dostarczanej wody lodowej staje się zbyt wysoka, aby utrzymać temperaturę procesu.
Cechy konstrukcyjne, które pozwalają na mniejsze LMTD
Kilka cech konstrukcyjnych pozwala na mniejszy LMTD bez nadmiernego zwiększania rozmiaru wymiennika ciepła.
Materiał rury o wyższej przewodności.Wypełniona mieszanka PTFE o przewodności cieplnej 0,5 W/m·K ma o połowę mniejszy opór cieplny ścianek niż pierwotny PTFE, co zwiększa ogólny współczynnik przenikania ciepła i zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Cieńsza ścianka rury.Cieńsza ścianka zmniejsza opór cieplny i zwiększa ogólny współczynnik. Ściana o grubości 0,5 mm ma o połowę mniejszy opór cieplny niż ściana o grubości 1,0 mm.
Większa prędkość przepływu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa współczynniki folii po obu stronach ścianki rury, co zwiększa ogólny współczynnik i zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Zwiększona powierzchnia rury.Powierzchnia rury z żebrami lub rowkami zwiększa powierzchnię na jednostkę długości i współczynnik folii, co pozwala na mniejszy LMTD.
Większa różnica temperatur w całym procesie.Umożliwienie, aby płyn procesowy podnosił się lub opadał w większym stopniu na wymienniku ciepła, zwiększa LMTD. Tolerancja temperatury procesu ogranicza dopuszczalną zmianę temperatury.
Konfiguracja rozdzielonego wymiennika ciepła.Podział obciążenia cieplnego pomiędzy dwa mniejsze wymienniki ciepła umożliwia pracę każdej jednostki przy mniejszym LMTD bez zajmowania miejsca w przypadku jednej dużej jednostki.
Parametry specyfikacji usługi anodowania
Inżynierowie sprzętu wybierający wymiennik ciepła PTFE do usługi anodowania powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Typ anodowania.Określ anodowanie typu II lub typu III i temperaturę procesu.
Tolerancja temperatury procesu.Określ dopuszczalną zmianę temperatury w kąpieli procesowej.
Temperatura wody lodowej na zasilaniu.Określ temperaturę zasilania wodą lodową i dostępne natężenie przepływu.
Temperatura powrotu wody lodowej.Określ maksymalną dopuszczalną temperaturę powrotu wody lodowej.
Obciążenie cieplne.Określ obciążenie cieplne i oczekiwany zakres.
LMTD.Określ LMTD w oparciu o temperaturę procesu i wody lodowej.
Powierzchnia.Określ powierzchnię wymaganą dla obciążenia cieplnego i LMTD.
Materiał tuby.Określ materiał rury na podstawie wymaganego współczynnika całkowitego i temperatury ścianki.
Układ przepływu.Określ układ przepływu. W przypadku maksymalnego LMTD preferowany jest przepływ przeciwny.
Dopasowanie LMTD do wymagań procesu anodowania
LMTD określa wymaganą powierzchnię i wykonalność chłodzenia w wymienniku ciepła PTFE do anodowania. Mniejszy LMTD wymaga większego wymiennika ciepła, ale pozwala na wyższą temperaturę zasilania wodą lodową i niższe koszty chłodzenia. Większy LMTD umożliwia zastosowanie mniejszego wymiennika ciepła, ale wymaga niższej temperatury zasilania wodą lodową i wyższych kosztów chłodzenia.
LMTD należy wybrać na podstawie temperatury procesu, temperatury zasilania wodą lodową, obciążenia cieplnego i ograniczeń przestrzennych. Prosty model arkusza kalkulacyjnego z obliczeniami wymiany ciepła i danymi o kosztach dostarcza informacji potrzebnych do wyboru optymalnego LMTD.
W przypadku linii do anodowania oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, LMTD należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować przy oddaniu do użytku. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może być zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie efektywności energetycznej, a wynikowy LMTD może nie odpowiadać rzeczywistym wymaganiom procesu.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE pod kątem anodowania lub innych-chłodzeń niskotemperaturowych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący rodzaj anodowania, temperaturę procesu, temperaturę zasilania wodą lodową, obciążenie cieplne, LMTD i powierzchnię, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych wymagań procesowych i struktury kosztów obiektu.
