LMTD, що визначає режим охолодження
Лінія жорсткого анодування типу III, що працює при 2 градусах, потребує теплообмінника для видалення 50 кВт тепла реакції. Подача охолодженої води має температуру –2 градуси, а зворотна – 2 градуси. Технологічна рідина надходить в теплообмінник при 4 градусах і виходить при 2 градусах.
Для зустрічної -системи різниця температур на двох кінцях становить: гарячий кінець (технологічний вхід 4 градуси − вихід охолодженої води 2 градуси)=2 градус і холодний кінець (технологічний вихід 2 градуси − вхід охолодженої води −2 градуси)=4 градус. LMTD розраховується на основі цих двох значень і становить приблизно 2,9 градуса.
LMTD 2,9 градуса дуже малий. Для теплообмінника із загальним коефіцієнтом 200 Вт/м²·К і тепловим навантаженням 50 кВт необхідна площа поверхні становить 86 м². Це дуже великий теплообмінник, і капітальні витрати значні.
Невеликий LMTD є визначальним обмеженням охолодження жорсткого анодування. Теплообмінник має бути достатньо великим, щоб передавати тепло через невелику різницю температур, а вимоги до площі поверхні визначають капітальні витрати та площу.
Чому LMTD є малим у послугах анодування
LMTD є малим у послугах анодування з трьох причин.
По-перше, низька температура процесу. Жорстке анодування типу III працює при 0–5 градусах, а сірчане анодування типу II працює при 20–22 градусах. Низька температура процесу обмежує різницю температур між процесом і охолодженою водою.
По-друге, температура подачі охолодженої води обмежена системою охолодження. Типове джерело охолодженої води становить 5-7 градусів для анодування типу II та від -5 до 0 градусів для анодування типу III. Температуру подачі не можна знижувати нескінченно, тому що ефективність системи охолодження знижується, а ризик замерзання зростає.
По-третє, толерантність до температури процесу жорстка. Швидкість реакції анодування та властивості покриття залежать від температури, а допуск зазвичай становить ±1 градус. Жорсткий допуск обмежує підвищення температури технологічної рідини в теплообміннику, що зменшує LMTD.
LMTD при анодуванні сірчаною кислотою типу II
Анодування сірчаною кислотою типу II працює при 20–22 градусах з допуском ±1 градус. Охолоджена вода, що подається, зазвичай має температуру 10–12 градусів, а зворотна – 15–17 градусів. Технологічна рідина надходить в теплообмінник при 22 градусах і виходить при 20 градусах.
Для зустрічної -системи різниця температур на двох кінцях становить: гарячий кінець (технологічний вхід 22 градуси − вихід охолодженої води 17 градусів)=5 градусів і холодний кінець (технологічний вихід 20 градусів − вхід охолодженої води 10 градусів)=10 градус. LMTD становить приблизно 7,2 градуса.
LMTD 7,2 градуса більше, ніж у корпусі з твердим анодуванням, але все ще невеликим порівняно з типовими теплообмінниками. Для теплообмінника із загальним коефіцієнтом 200 Вт/м²·К і тепловим навантаженням 50 кВт необхідна площа поверхні становить 35 м².
LMTD у твердому анодуванні типу III
Жорстке анодування типу III працює при 0–5 градусах з допуском ±0,5 градуса. Охолоджена вода, що подається, зазвичай має температуру від −5 до 0 градусів, а зворотна – 0–3 градуси. Технологічна рідина надходить в теплообмінник при 4 градусах і виходить при 2 градусах.
Для зустрічної -системи різниця температур на двох кінцях становить: гарячий кінець (технологічний вхід 4 градуси − вихід охолодженої води 3 градуси)=1 градус , і холодний кінець (технологічний вихід 2 градуси − вхід охолодженої води −5 градусів )=7 градус . LMTD становить приблизно 3,2 градуса.
LMTD 3,2 градуса дуже малий. Для теплообмінника із загальним коефіцієнтом 200 Вт/м²·K і тепловим навантаженням 50 кВт необхідна площа поверхні становить 78 м².
Вплив розташування потоку на LMTD
Схема потоку впливає на LMTD. Протипотік забезпечує найбільший LMTD для заданого набору температур на вході та виході. Паралельний-потік забезпечує найменший LMTD. Перехресний-потік забезпечує проміжний LMTD.
Для роботи з анодуванням краще-розташування зустрічного потоку, оскільки воно максимізує LMTD і мінімізує необхідну площу поверхні. Проти-розташування протипотоку є особливо важливим у процесі жорсткого анодування, де LMTD дуже малий, а вимоги до площі поверхні високі.
Порівняння значень LMTD для різних умов анодування
У наступній таблиці підсумовано LMTD і необхідну площу поверхні для різних умов анодування з тепловим навантаженням 50 кВт і загальним коефіцієнтом 200 Вт/м²·K.
| Тип анодування | Температура процесу | Постачання охолодженої води | Повернення охолодженої води | Процес ΔT | LMTD | Необхідна площа поверхні |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Тип II, низьке навантаження | 22 градус | 12 градус | 16 градусів | 1 ступінь | 8,5 градусів | 29 m² |
| II тип, помірне навантаження | 22 градус | 10 градусів | 15 градусів | 2 ступінь | 7,2 градуси | 35 m² |
| II тип, високе навантаження | 22 градус | 8 ступінь | 14 градус | 3 ступінь | 6,1 градус | 41 m² |
| Тип III, низьке навантаження | 4 ступінь | 0 градусів | 2 ступінь | 1 ступінь | 3,5 градуси | 71 m² |
| III тип, помірне навантаження | 4 ступінь | −2 градус | 2 ступінь | 2 ступінь | 2,9 градус | 86 m² |
| III тип, високе навантаження | 4 ступінь | −5 градус | 2 ступінь | 3 ступінь | 2,4 градуси | 104 m² |
| III тип, дуже високе навантаження | 4 ступінь | −8 градусів | 2 ступінь | 4 ступінь | 2,0 градуси | 125 m² |
Необхідні значення площі поверхні передбачають розташування проти-потоку та загальний коефіцієнт теплопередачі 200 Вт/м²·K. Фактична площа поверхні залежатиме від матеріалу труби, товщини стінки та швидкості потоку.
Практичні обмеження LMTD в анодуванні
Практичні обмеження LMTD у послугах анодування визначаються компромісом-між розміром теплообмінника та вартістю охолодження. Менший LMTD вимагає більшого теплообмінника, але дозволяє підвищити температуру подачі охолодженої води, що зменшує витрати на охолодження. Більший LMTD дозволяє мати менший теплообмінник, але вимагає нижчої температури подачі охолодженої води, що збільшує витрати на охолодження.
Для анодування сірчаною кислотою типу II практичний діапазон LMTD становить 6–10 градусів. Нижче 6 градусів теплообмінник стає непрактично великим. Вище 10 градусів температура охолодженої води, що подається, стає занадто високою, щоб забезпечити належне охолодження.
Для твердого анодування типу III практичний діапазон LMTD становить 2–5 градусів. Нижче 2 градусів теплообмінник стає непрактично великим. Вище 5 градусів температура подачі охолодженої води стає занадто високою для підтримки температури процесу.
Конструктивні особливості, які дозволяють зменшити LMTD
Кілька конструктивних особливостей дозволяють зменшити LMTD без надмірного збільшення розміру теплообмінника.
Матеріал труби з високою провідністю.Наповнений PTFE компаунд з теплопровідністю 0,5 Вт/м·K має вдвічі менший термічний опір стінки, ніж первинний PTFE, що збільшує загальний коефіцієнт теплопередачі та зменшує необхідну площу поверхні.
Більш тонка стінка труби.Більш тонка стінка зменшує тепловий опір і збільшує загальний коефіцієнт. Стінка товщиною 0,5 мм має вдвічі менший термічний опір, ніж стінка товщиною 1,0 мм.
Вища швидкість течії.Більш висока швидкість потоку збільшує коефіцієнти плівки з обох сторін стінки труби, що збільшує загальний коефіцієнт і зменшує необхідну площу поверхні.
Покращена поверхня труби.Поверхня труби з ребрами або канавками збільшує площу поверхні на одиницю довжини та коефіцієнт плівки, що дозволяє зменшити LMTD.
Більша різниця температур у процесі.Дозволяючи технологічній рідині підніматися або опускатися на більшу кількість через теплообмінник, збільшується LMTD. Допуск температури процесу обмежує допустимі зміни температури.
Роздільна конфігурація теплообмінника.Розподіл теплового навантаження між двома меншими теплообмінниками дозволяє кожному блоку працювати з меншим LMTD без обмеження простору, як один великий блок.
Параметри специфікації для служби анодування
Інженери з обладнання, які вибирають PTFE теплообмінник для анодування, повинні підтвердити наступні параметри з постачальником.
Тип анодування.Укажіть тип анодування II або III типу та температуру процесу.
Допуск до температури процесу.Вкажіть допустимі коливання температури в технологічній ванні.
Температура подачі охолодженої води.Вкажіть температуру подачі охолодженої води та доступну швидкість потоку.
Температура зворотної лінії охолодженої води.Вкажіть максимально допустиму температуру зворотної лінії охолодженої води.
Теплове навантаження.Вкажіть теплове навантаження та очікуваний діапазон.
LMTD.Вкажіть LMTD на основі температури процесу та охолодженої води.
Площа поверхні.Вкажіть площу поверхні, необхідну для теплового навантаження та LMTD.
Матеріал труби.Вкажіть матеріал труби, виходячи з необхідного загального коефіцієнта та температури стінки.
Облаштування потоку.Укажіть схему потоку. Зустрічний-потік є кращим для максимального LMTD.
Відповідність LMTD вимогам процесу анодування
LMTD визначає необхідну площу поверхні та доцільність охолодження в теплообміннику з ПТФЕ для анодування. Менший LMTD вимагає більшого теплообмінника, але забезпечує вищу температуру подачі охолодженої води та нижчі витрати на охолодження. Більший LMTD дозволяє мати менший теплообмінник, але вимагає нижчої температури подачі охолодженої води та вищих витрат на охолодження.
LMTD слід вибирати на основі температури процесу, температури подачі охолодженої води, теплового навантаження та обмежень простору. Проста модель електронної таблиці з розрахунком теплопередачі та даними про вартість надає інформацію, необхідну для вибору оптимального LMTD.
Для ліній анодування, що оцінюють варіанти теплообмінника з PTFE, LMTD має бути зазначено в закупівельних документах і перевірено під час введення в експлуатацію. Конфігурація за замовчуванням, надана виробником, може бути оптимізована для компактності, а не для енергоефективності, і отриманий LMTD може не відповідати фактичним вимогам процесу.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з ПТФЕ для анодування або інших-температурних послуг охолодження, можуть вимагати перевірки конструкції, що охоплює тип анодування, температуру процесу, температуру подачі охолодженої води, теплове навантаження, LMTD і площу поверхні, щоб підтвердити, що пристрій відповідає фактичним вимогам процесу та структурі витрат підприємства.
