V aplikacijah s-kislim ogrevanjem z neprekinjenim{0}}tokom-, kot so proge za dekapiranje, orodja za jedkanje ali sistemi za kemično čiščenje-vsaka stopinja padca temperature na plašču iz PFA predstavlja izgubljeno energijo in povečan obratovalni strošek. Tanjši plašč iz PFA (1 mm) nudi nižjo toplotno odpornost kot standardni 2 mm ovoj, kar omogoča več toplote, da doseže procesno tekočino za enako temperaturo kovinskega jedra. Prihranki se kažejo v dveh oblikah: zmanjšana poraba energije za vzdrževanje ciljne izhodne temperature in povečan pretok (večji pretok) za enak vhod energije. Za tipičen kisli grelnik s neprekinjenim -tokom, ki obdeluje 50 L/min 15 % HCl od 40 stopinj do 60 stopinj, prehod z 2 mm na 1 mm PFA plašča prihrani približno 2500–3500 kWh na leto električne energije (8–12 % celotne energije za ogrevanje) in zmanjša zahtevano velikost grelnika za 10–15 %. V enem letu neprekinjenega delovanja (8760 ur) prihranki energije skupaj znašajo 300–300–500 pri 0,10 USD/kWh, z dodatnimi prihranki zaradi znižanih stroškov kapitala.
Razlika v toplotni odpornosti med 1 mm in 2 mm plaščem
Toplotna upornost plašča PFA je R_PFA=t_PFA / k_PFA, kjer je t debelina in k toplotna prevodnost (približno 0,20 W/m·K za PFA pri 60 stopinjah). Za 2 mm plašč (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Za 1 mm ovoj je R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-polovica upora. Skupni toplotni upor od grelnega elementa do tekočine vključuje tudi konvekcijsko mejno plast (1/h_tekočina). Za turbulentni tok (Re > 10.000) v cevi ali kanalu je h_fluid običajno 1.000–3.000 W/m²·K, kar daje 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W-veliko manjšo od odpornosti PFA. PFA prevladuje nad skupno odpornostjo in prispeva 70–90 % padca temperature.
Padec temperature čez ovoj je ΔT_PFA=q × R_PFA, kjer je q toplotni tok (W/m²). Za zahtevani toplotni tok 30.000 W/m² (3 W/cm², značilno za kislo ogrevanje) 2 mm ovoj ustvari ΔT_PFA=30,000 × 0.010=300 stopinj, kar zahteva, da kovinsko jedro deluje pri 300 stopinjah nad temperaturo zunanje površine PFA. 1 mm ovoj pri enakem toplotnem toku ustvari ΔT_PFA=150 stopinj. Nižja temperatura jedra (za 150 stopinj) podaljša življenjsko dobo grelnega elementa in zmanjša električne izgube. Druga možnost je, da za fiksno najvišjo temperaturo jedra (npr. 260 stopinj za Incoloy) 1 mm ovoj omogoča večji toplotni tok: q_max,1 mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 stopinj (ob predpostavki, da je zunanja površina pri 60 stopinjah, jedro pri 260 stopinjah daje ΔT=200 stopinj) / 0.005=40,000 W/m² (4 W/cm²). 2 mm ovoj z enako temperaturo jedra daje q_max,2 mm=200 / 0.010=20,000 W/m² (2 W/cm²). Tanjši ovoj zagotavlja dvojni toplotni tok za isto temperaturo jedra.
Izračun prihranka energije in stroškov za grelnik-pretoka
Razmislite o neprekinjenem -pretočnem grelniku kisline z naslednjimi parametri: hitrost pretoka 50 L/min (0,05 m³/min, 3 m³/uro), tekočina 15 % HCl, specifična toplota 3800 J/kg·K, gostota 1070 kg/m³, vstopna temperatura 40 stopinj, izhodna temperatura 60 stopinj (ΔT=20 stopinj). Zahtevana toplotna moč Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1070) kg/uro × 3800 J/kg·K × 20 K / 3600 s/uro=(3210 kg/uro) × 3800 × 20 / 3600=67,800 W=67.8 kW. To je toplota, ki jo je treba prenesti od grelnika do kisline.
Za 2 mm PFA plašč z R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W je zahtevana temperatura kovinskega jedra T_core=T_fluid_out + q × R_total. Zahtevana površina grelnika A=Q / q. Za cilj 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 stopinj -previsoko za Incoloy (omejitev ~260 stopinj). Zato 2 mm plašč ne more doseči 3 W/cm²; toplotni tok je treba zmanjšati na q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18,200 W/m² (1,82 W/cm²). Zahtevana površina A_2mm=67,800 / 18,200=3.73 m².
Za 1 mm ovoj 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). Zahtevana površina A_1 mm=67,800 / 33,300=2.04 m². 1 mm ovoj zahteva 45 % manjšo površino grelnika (2,04 m² v primerjavi z . 3.73 m²), kar omogoča manjši, nižji-cenovni grelec. Poraba električne energije je enaka (67,8 kW), ker morata oba dovajati tekočini enako toploto. Vendar pa 2 mm ovoj deluje pri višji temperaturi jedra (260 stopinj proti . 240 stopinjam za 1 mm pri enakem toplotnem toku), kar povzroča večje sevalne in prevodne izgube skozi izolacijo grelnika. Predpostavimo, da so izgube 5 % večje za 2 mm grelnik: dodatna izguba=67.8 × 0,05 × 8760 ur=29,700 kWh na leto. Pri 0,10/kWh, prihranek zaradi zmanjšanih izgub=0.10/kWh, prihranek zaradi zmanjšanih izgub=2,970 na leto-znaten znesek.
Letni povzetek prihrankov (8760 ur neprekinjenega delovanja)
| Parameter | 2 mm PFA plašč | 1 mm PFA ovoj | Razlika (prihranek z 1 mm) |
|---|---|---|---|
| Največji trajnostni toplotni tok (W/cm²) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Zahtevana površina grelnika (m²) | 3.73 | 2.04 | -45% (manjši grelec) |
| Temperatura kovinskega jedra pri 67,8 kW (stopinj) | 260 | 240 | -20 stopinj (daljša življenjska doba) |
| Toplotne izgube skozi izolacijo (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Letna toplotna izguba (kWh/leto) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Letna električna energija za izgube (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Letni stroški energije pri 0,10 USD/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Stroški kapitala grelnika (ocenjeni) | $1,800 | $1,200 | 600 $ (manjši grelec) |
| Stroški namestitve (cevi, podpore) | $800 | $500 | $300 |
| Skupni prihranki v prvem-letu | - | - | $1,430 |
Dodatni prihranki zaradi zmanjšane moči črpanja
1 mm grelec s plaščem ima 45 % manjšo prostornino in nižjo omejitev pretoka (če je grelnik v -liniji). Za grelnik z notranjimi pretočnimi prehodi se padec tlaka spreminja z dolžino. 3,73 m² grelnik (2 mm) ima lahko prehode dolge 1,5 m; 2,04 m² grelnik (1 mm) bi imel prehode dolge 0,8 m. Zmanjšanje padca tlaka za 40–50 % zmanjša moč črpanja. Za pretok 50 L/min s padcem tlaka 1,0 bar, moč črpanja=(50 L/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (učinkovitost črpalke)=0.14 kW. Zmanjšanje padca tlaka za 50 % prihrani 0,07 kW × 8,760=613 kWh/leto ali 61at61at0,10/kWh. To je manjši dodatek, vendar prispeva k skupnim prihrankom.
Premisleki- o kompromisih in tveganjih
1 mm plašč ni univerzalno boljši. 45 % manjša površina prenosa toplote pomeni, da grelnik deluje pri višjem toplotnem toku (3,33 W/cm² v primerjavi z . 1.82 W/cm²). Višji toplotni tok poveča zunanjo površinsko temperaturo PFA: pri q=33,300 W/m² je padec čez 1 mm ovoj ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 stopinj, torej temperatura zunanje površine=240 - 166=74 stopinj (sprejemljivo). Višji toplotni tok prav tako poveča tveganje lokalnega pregrevanja, če je pretok prekinjen, tanjša stena pa nudi manjšo mehansko trdnost in nižjo odpornost proti obrabi in kemični permeaciji. Za storitve čiste kisline s stabilnim pretokom so ta tveganja obvladljiva. Za abrazivne gošče ali storitve s pogostimi izsu-izsušitvami 2 mm ovoj zagotavlja varnostno rezervo.
Zaključek: 1 mm plašč prihrani 1 $400+ letno pri storitvi Continuous-Flow
Pri neprekinjenem -pretočnem kislem grelniku, ki obdeluje 50 L/min od 40 stopinj do 60 stopinj, prehod z 2 mm na 1 mm PFA ovoj prihrani približno 530 na leto v zmanjšanih toplotnih izgubah in 530 na leto v zmanjšanih toplotnih izgubah in 600–900 v kapitalskih stroških (manjši grelnik), skupaj 900 v kapitalskih stroških (mal. lerheater), kar skupaj prihrani 1400–1500 v prvem letu. Tanjši plašč omogoča 831 500 prihrankov v prvem letu. Tanjši plašč omogoča 8350–100 USD letno. Inženirji bi morali izvesti podoben izračun za svoj specifični pretok in ΔT z uporabo zgornjih razmerij. Pri večini aplikacij z neprekinjenim{23}}pretokom je vračilna doba za določitev 1 mm ovoja namesto 2 mm manj kot 6 mesecev, z dodatno prednostjo zmanjšane velikosti in teže grelnika. Kompromis-z zmanjšano mehansko robustnostjo je treba ovrednotiti glede na posebne procesne pogoje. Za čiste, ne-abrazivne, neprekinjeno tekoče kisline s stabilnim pretokom je 1 mm ovoj bolj ekonomična izbira v katerem koli 12-mesečnem obdobju delovanja. Za občasne storitve ali abrazivne razmere je 2 mm plašč še vedno zaželen kljub porabi energije.
