Pomen vrednosti U-
Celoten koeficient prenosa toplote-U-vrednost-določa, koliko toplote prenese PTFE izmenjevalnik toplote na kvadratni meter na stopinjo temperaturne razlike. Netočna ocena vrednosti U- povzroči napačen prenosnik toplote. Tuljava je premajhna, da bi izpolnila toplotno obremenitev, ali pa je po nepotrebnem velika in draga.
U-ocena vrednosti toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE se razlikuje od kovinskih izmenjevalcev v enem kritičnem vidiku: odpornost stene cevi je pomembna. Pri nerjavnem jeklu je odpornost stene pogosto zanemarljiva. Za PTFE, s 60-krat nižjo toplotno prevodnostjo, je upor stene glavni sestavni del skupne vrednosti U-. Neupoštevanje tega vodi do znatnih napak v velikosti.
Natančna ocena U-vrednosti zahteva seštevanje treh uporov v seriji: notranji parni-stranski film, stena PTFE cevi in zunanji proces-stranski film. Vsak prispeva k vsoti. Največji upor prevladuje nad vrednostjo U-.
Trije odpori v seriji
Skupni koeficient toplotnega prehoda je inverzna vsoti posameznih uporov. Vsak upor predstavlja oviro, ki jo mora prestopiti toplota.
Notranja odpornost filma je odvisna od-koeficienta prenosa toplote na strani pare. Za kondenzacijo pare v cevi je ta koeficient visok-običajno 5000–10000 W/m²·K. Odpor je majhen, pogosto manj kot 10% celotnega.
Odpornost stene cevi je odvisna od toplotne prevodnosti PTFE in debeline stene. Za 1,0 mm stensko PTFE cev s prevodnostjo 0,25 W/m·K je upor stene 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Ta upor je določen z izbiro materiala in debelino stene. Običajno predstavlja 20-40 % celotne odpornosti.
Zunanja odpornost filma je odvisna od-konvekcije na strani procesa. Pri prisilni konvekciji s hitrostjo tekočine 0,5–0,8 m/s mimo cevi se zunanji koeficient giblje med 400–800 W/m²·K za vodne raztopine. Upornost je 0,00125-0,0025 m²·K/W. To je pogosto največja posamezna odpornost, ki predstavlja 40-60 % skupne odpornosti.
Tabela 1: Komponente za izračun vrednosti U- za PTFE toplotni izmenjevalnik (10 mm OD, 1 mm stene, prisilna konvekcija)
| Komponenta odpornosti | Koeficient (W/m²·K) | Odpornost (m²·K/W) | % skupnega upora |
|---|---|---|---|
| Notranji (kondenzacija pare) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Stena PTFE cevi (1,0 mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Zunanji (prisilna konvekcija, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Dodatek za onesnaženje (čista storitev) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Skupna U-vrednost | 167 | 0.006 | 100% |
Izračun za vodno raztopino kisline pri 60 stopinjah s hitrostjo prečnega toka 0,6 m/s. Dodatek obraščanja za prvotno čisto površino PTFE. Dejanska vrednost polja U- se zmanjša, ko se umazanija kopiči.
Učinki prisilne konvekcije na U-vrednost
Prisilna konvekcija poveča zunanji koeficient prenosa toplote in zmanjša zunanji upor filma. To izboljša splošno vrednost U-. Toda izboljšanje ima meje, ker je odpornost stene PTFE fiksna in znatna.
Podvojitev hitrosti tekočine z 0,3 m/s na 0,6 m/s poveča zunanji koeficient s približno 350 na 600 W/m²·K. Skupna U-vrednost se izboljša s 145 na 167 W/m²·K-samo 15-odstotno povečanje. Nadaljnja povečanja hitrosti povzročajo manjše donose, ko postane upor fiksne stene prevladujoč.
To vedenje se razlikuje od kovinskih toplotnih izmenjevalcev, kjer lahko povečanje hitrosti močno izboljša U-vrednost, ker je upor stene zanemarljiv. Za izmenjevalce iz PTFE upornost stene določa zgornjo mejo dosegljive vrednosti U-ne glede na pogoje pretoka.
Merjenje polja proti izračunu
Izračunane U{0}}vrednosti zagotavljajo načrtovalske ocene. Meritve na terenu potrjujejo dejansko delovanje. Vrednost polja U- se določi z merjenjem toplotne moči (iz pretoka in spremembe temperature na obeh straneh) ter deljenjem z znano površino in izmerjenim LMTD.
Vrednost polja U-, ki je znatno nižja od izračunane ocene, kaže na obraščanje, poplavljanje kondenzata ali nepravilno porazdelitev toka. Redno spremljanje trendov vrednosti U- zagotavlja zgodnje opozorilo o nastajajočih težavah, preden vplivajo na proizvodnjo.
Za nove izmenjevalnike toplote iz PTFE je treba med zagonom določiti osnovno vrednost U-. Ta osnovna linija postane referenca za vse prihodnje primerjave uspešnosti.
Povzetek
Ocena vrednosti toplotnega izmenjevalnika PTFE U-vsota upora notranjega filma, stene cevi in zunanjega filma. Odpornost stene PTFE, določena s prevodnostjo in debelino materiala, predstavlja pomemben del skupne-običajno 30-45 %. Ta upor stene omejuje največjo dosegljivo U-vrednost ne glede na izboljšave pretoka.
Prisilna konvekcija izboljša koeficient zunanjega filma, vendar povzroči manjše donose, saj prevladuje upor stene. Izračunane U-vrednosti je treba preveriti z meritvami na terenu in spremeniti trend skozi čas, da se odkrije obraščanje ali druga degradacija.
Inženirska analiza za izračun U-vrednosti toplotnega izmenjevalnika PTFE v specifičnih procesnih pogojih je na voljo po predložitvi podatkov o lastnostih tekočine, hitrosti pretoka, specifikacijah cevi, pogojih pare in delovni temperaturi.
