LMTD, ki določa dolžino hlajenja
Linija za trdo eloksiranje tipa III, ki deluje pri 2 stopinjah, zahteva toplotni izmenjevalnik za odvajanje 50 kW reakcijske toplote. Dovod ohlajene vode je pri –2 stopinjah, povratek pa pri 2 stopinjah. Procesna tekočina vstopi v izmenjevalnik toplote pri 4 stopinjah in izstopi pri 2 stopinjah.
Pri proti{0}}razporeditvi so temperaturne razlike na obeh koncih: vročem koncu (procesni vstop 4 stopinje − izhod ohlajene vode 2 stopinji)=2 stopinje in hladen konec (procesni izhod 2 stopinji − vstop ohlajene vode −2 stopinji)=4 stopinje. LMTD je izračunan iz teh dveh vrednosti in je približno 2,9 stopinje.
LMTD 2,9 stopinje je zelo majhen. Za toplotni izmenjevalnik s skupnim koeficientom 200 W/m²·K in toplotno obremenitvijo 50 kW je zahtevana površina 86 m². To je zelo velik izmenjevalnik toplote in stroški kapitala so precejšnji.
Majhen LMTD je odločilna omejitev hlajenja s trdo anodizacijo. Toplotni izmenjevalnik mora biti dovolj velik, da prenaša toploto čez majhno temperaturno razliko, zahteva glede površine pa povzroča kapitalske stroške in odtis.
Zakaj je LMTD majhen pri storitvah eloksiranja
LMTD je majhen pri storitvah eloksiranja iz treh razlogov.
Prvič, procesna temperatura je nizka. Trda eloksacija tipa III deluje pri 0–5 stopinjah, žveplova eloksacija tipa II pa pri 20–22 stopinjah. Nizka procesna temperatura omejuje temperaturno razliko med procesno in ohlajeno vodo.
Drugič, temperaturo dovoda ohlajene vode omejuje hladilni sistem. Tipična oskrba z ohlajeno vodo je 5–7 stopinj za eloksiranje tipa II in pri –5 do 0 stopinj za trdo eloksiranje tipa III. Temperature dovoda ni mogoče zniževati v nedogled, ker se zmanjša učinkovitost hladilnega sistema in poveča nevarnost zmrzovanja.
Tretjič, toleranca temperature procesa je tesna. Hitrost reakcije eloksiranja in lastnosti prevleke so odvisne od temperature, toleranca pa je običajno ±1 stopinja. Tesna toleranca omejuje dvig temperature procesne tekočine v izmenjevalniku toplote, kar zmanjša LMTD.
LMTD pri eloksiranju z žveplovo kislino tipa II
Anodiziranje z žveplovo kislino tipa II deluje pri 20–22 stopinjah s toleranco ±1 stopinjo. Dovod ohlajene vode je običajno pri 10–12 stopinjah, povratek pa pri 15–17 stopinjah. Procesna tekočina vstopi v izmenjevalnik toplote pri 22 stopinjah in izstopi pri 20 stopinjah.
Pri proti{0}}razporeditvi so temperaturne razlike na obeh koncih: vročem koncu (procesni vstop 22 stopinj − izstop ohlajene vode 17 stopinj)=5 stopinj in hladni konec (procesni izhod 20 stopinj − vstop ohlajene vode 10 stopinj)=10 stopinj. LMTD je približno 7,2 stopinje.
LMTD 7,2 stopinje je večji od ohišja s trdo anodizacijo, vendar še vedno majhen v primerjavi s tipičnimi aplikacijami izmenjevalnika toplote. Za toplotni izmenjevalnik s skupnim koeficientom 200 W/m²·K in toplotno obremenitvijo 50 kW je zahtevana površina 35 m².
LMTD pri trdem eloksiranju tipa III
Trda anodizacija tipa III deluje pri 0–5 stopinjah s toleranco ±0,5 stopinje. Dovod ohlajene vode je običajno pri –5 do 0 stopinjah, povratek pa pri 0–3 stopinjah. Procesna tekočina vstopi v izmenjevalnik toplote pri 4 stopinjah in izstopi pri 2 stopinjah.
Pri proti{0}}razporeditvi so temperaturne razlike na obeh koncih: vročem koncu (procesni vstop 4 stopinje − izhod ohlajene vode 3 stopinje)=1 stopinje in hladen konec (procesni izhod 2 stopinji − vstop ohlajene vode −5 stopinj)=7 stopinj. LMTD je približno 3,2 stopinje.
LMTD 3,2 stopinje je zelo majhen. Za toplotni izmenjevalnik s skupnim koeficientom 200 W/m²·K in toplotno obremenitvijo 50 kW je zahtevana površina 78 m².
Učinek ureditve toka na LMTD
Razporeditev toka vpliva na LMTD. Proti{1}}razporeditev zagotavlja največji LMTD za dani niz vstopnih in izstopnih temperatur. Razporeditev vzporednega-toka zagotavlja najmanjši LMTD. Razporeditev-prečnega toka zagotavlja vmesni LMTD.
Za eloksiranje je prednostna ureditev proti{0}}toka, ker poveča LMTD in zmanjša zahtevano površino. Proti{2}}razporeditev protitoka je še posebej pomembna pri trdi eloksaciji, kjer je LMTD zelo majhen in je zahteva po površini visoka.
Primerjava vrednosti LMTD za različne pogoje anodizacije
Naslednja tabela povzema LMTD in zahtevano površino za različne pogoje eloksiranja s toplotno obremenitvijo 50 kW in skupnim koeficientom 200 W/m²·K.
| Vrsta eloksiranja | Procesna temperatura | Oskrba s hladno vodo | Povratek ohlajene vode | Postopek ΔT | LMTD | Zahtevana površina |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tip II, nizka obremenitev | 22 stopinj | 12 stopinj | 16 stopinj | 1 stopinja | 8,5 stopinj | 29 m² |
| Tip II, zmerna obremenitev | 22 stopinj | 10 stopinj | 15 stopinj | 2 stopinja | 7,2 stopinje | 35 m² |
| Tip II, visoka obremenitev | 22 stopinj | 8 stopinj | 14 stopinj | 3 stopinja | 6,1 stopinja | 41 m² |
| Tip III, nizka obremenitev | 4 stopinja | 0 stopinj | 2 stopinja | 1 stopinja | 3,5 stopinje | 71 m² |
| Tip III, zmerna obremenitev | 4 stopinja | −2 stopinji | 2 stopinja | 2 stopinja | 2,9 stopinje | 86 m² |
| Tip III, visoka obremenitev | 4 stopinja | −5 stopinj | 2 stopinja | 3 stopinja | 2,4 stopinje | 104 m² |
| Tip III, zelo visoka obremenitev | 4 stopinja | −8 stopinj | 2 stopinja | 4 stopinja | 2,0 stopinje | 125 m² |
Zahtevane vrednosti površine predpostavljajo proti{0}}razporeditev toka in skupni koeficient prenosa toplote 200 W/m²·K. Dejanska površina bo odvisna od materiala cevi, debeline stene in hitrosti pretoka.
Praktične omejitve LMTD v storitvah eloksiranja
Praktične omejitve LMTD pri eloksiranju so določene s kompromisom-med velikostjo izmenjevalnika toplote in stroški hlajenja. Manjši LMTD zahteva večji izmenjevalnik toplote, vendar omogoča višjo temperaturo dovoda ohlajene vode, kar zmanjša stroške hlajenja. Večji LMTD omogoča manjši izmenjevalnik toplote, vendar zahteva nižjo temperaturo dovoda ohlajene vode, kar poveča stroške hlajenja.
Za eloksiranje z žveplovo kislino tipa II je praktično območje LMTD 6–10 stopinj. Pod 6 stopinj postane izmenjevalnik toplote nepraktično velik. Nad 10 stopinj postane temperatura dovoda ohlajene vode previsoka, da bi zagotovila ustrezno hlajenje.
Za trdo eloksiranje tipa III je praktično območje LMTD 2–5 stopinj. Pod 2 stopinji postane izmenjevalnik toplote nepraktično velik. Nad 5 stopinj postane temperatura dovoda ohlajene vode previsoka za vzdrževanje procesne temperature.
Oblikovne lastnosti, ki omogočajo manjši LMTD
Več konstrukcijskih značilnosti omogoča manjši LMTD brez pretiranega povečanja velikosti izmenjevalnika toplote.
Material cevi z večjo prevodnostjo.Polnjena PTFE zmes s toplotno prevodnostjo 0,5 W/m·K ima polovico manjšo toplotno odpornost stene kot prvi PTFE, kar poveča skupni koeficient prenosa toplote in zmanjša zahtevano površino.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in poveča skupni koeficient. Stena debeline 0,5 mm ima polovico manjšo toplotno odpornost kot stena debeline 1,0 mm.
Večja hitrost pretoka.Večja hitrost pretoka poveča koeficient filma na obeh straneh stene cevi, kar poveča skupni koeficient in zmanjša zahtevano površino.
Izboljšana površina cevi.Površina cevi z rebri ali utori poveča površino na enoto dolžine in koeficient filma, kar omogoča manjši LMTD.
Večja temperaturna razlika med procesom.Če dovolite, da se procesna tekočina dvigne ali spusti za večjo količino preko izmenjevalnika toplote, se poveča LMTD. Toleranca temperature procesa omejuje dovoljeno spremembo temperature.
Konfiguracija razdeljenega izmenjevalnika toplote.Razdelitev toplotne obremenitve med dva manjša izmenjevalnika toplote omogoča, da vsaka enota deluje pri manjšem LMTD brez prostora, ki ga povzroča ena velika enota.
Parametri specifikacije za storitev eloksiranja
Inženirji opreme, ki določajo izmenjevalnik toplote iz PTFE za storitev eloksiranja, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Vrsta eloksiranja.Določite eloksiranje tipa II ali tipa III in temperaturo postopka.
Toleranca procesne temperature.Določite dovoljeno temperaturno nihanje v procesni kopeli.
Temperatura dovoda ohlajene vode.Določite temperaturo dovoda ohlajene vode in razpoložljiv pretok.
Temperatura povratka ohlajene vode.Določite najvišjo dovoljeno povratno temperaturo ohlajene vode.
Toplotna obremenitev.Določite toplotno obremenitev in pričakovano območje.
LMTD.Določite LMTD glede na temperaturo procesa in ohlajene vode.
Površina.Določite potrebno površino za toplotno obremenitev in LMTD.
Material cevi.Določite material cevi glede na zahtevani skupni koeficient in temperaturo stene.
Ureditev pretoka.Določite razporeditev toka. Za največji LMTD je zaželen nasprotni{1}}tok.
Ujemanje LMTD z zahtevami postopka anodiziranja
LMTD določa zahtevano površino in izvedljivost hlajenja v toplotnem izmenjevalniku PTFE za storitev eloksiranja. Manjši LMTD zahteva večji izmenjevalnik toplote, vendar omogoča višjo temperaturo dovoda ohlajene vode in nižje stroške hlajenja. Večji LMTD omogoča manjši izmenjevalnik toplote, vendar zahteva nižjo temperaturo dovoda ohlajene vode in višje stroške hlajenja.
LMTD je treba izbrati glede na temperaturo procesa, temperaturo dovoda ohlajene vode, toplotno obremenitev in prostorske omejitve. Preprost model preglednice z izračunom prenosa toplote in podatki o stroških nudi informacije, potrebne za izbiro optimalnega LMTD.
Za anodizirajoče linije, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, je treba LMTD navesti v dokumentaciji v zvezi z oddajo javnega naročila in preveriti ob zagonu. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, je lahko optimizirana za kompaktnost in ne za energijsko učinkovitost, posledično LMTD pa morda ne ustreza dejanskim zahtevam procesa.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za eloksiranje ali druge storitve hlajenja pri nizkih-temperaturah, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema vrsto eloksiranja, temperaturo postopka, temperaturo dovoda ohlajene vode, toplotno obremenitev, LMTD in površino, da potrdijo, da se enota ujema z dejanskimi procesnimi zahtevami in strukturo stroškov objekta.
