Dôležitosť U-hodnoty
Celkový koeficient prestupu tepla-U-hodnota-určuje, koľko tepla prenesie PTFE výmenník tepla na meter štvorcový na stupeň teplotného rozdielu. Nepresný odhad hodnoty U-vytvára nesprávne dimenzovaný výmenník tepla. Cievka je buď príliš malá na to, aby splnila tepelnú povinnosť, alebo je zbytočne veľká a drahá.
Odhad hodnoty U pre PTFE výmenníky tepla sa líši od kovových výmenníkov v jednom kritickom aspekte: odpor steny rúrky je významný. V prípade nehrdzavejúcej ocele je odpor steny často zanedbateľný. V prípade PTFE s tepelnou vodivosťou 60-krát nižšou je odpor steny hlavnou zložkou celkovej hodnoty U-. Ignorovanie vedie k podstatným chybám veľkosti.
Presný odhad hodnoty U-vyžaduje sčítanie troch odporov v sérii: vnútorná parná-fólia, stena PTFE trubice a vonkajšia procesná-fólia. Každý prispieva k celkovej sume. Najväčší odpor dominuje U-hodnote.
Tri odpory v sérii
Celkový súčiniteľ prestupu tepla je prevrátená hodnota súčtu jednotlivých odporov. Každý odpor predstavuje bariéru, cez ktorú musí teplo prejsť.
Vnútorný odpor filmu závisí od koeficientu prestupu tepla-pary. Pre kondenzáciu pary vo vnútri trubice je tento koeficient vysoký-zvyčajne 5 000 – 10 000 W/m²·K. Odpor je malý, často menší ako 10 % z celkového počtu.
Odolnosť steny rúrky závisí od tepelnej vodivosti PTFE a hrúbky steny. Pre 1,0 mm stenové PTFE rúrky s vodivosťou 0,25 W/m·K je odpor steny 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Tento odpor je stanovený výberom materiálu a hrúbkou steny. Zvyčajne predstavuje 20-40% celkového odporu.
Odolnosť vonkajšieho filmu závisí od konvekcie na-strane procesu. Pri nútenej konvekcii s rýchlosťou tekutiny 0,5 – 0,8 m/s okolo rúrok sa vonkajší koeficient pohybuje od 400 – 800 W/m²·K pre vodné roztoky. Odpor je 0,00125-0,0025 m²·K/W. Toto je často najväčší jednotlivý odpor, ktorý predstavuje 40-60% z celkového počtu.
Tabuľka 1: Komponenty na výpočet hodnoty U- pre PTFE výmenník tepla (10 mm vonkajší priemer, 1 mm stena, nútená konvekcia)
| Odporový komponent | Koeficient (W/m²·K) | Odolnosť (m²·K/W) | % celkového odporu |
|---|---|---|---|
| Vnútorné (kondenzačná para) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Stena rúrky z PTFE (1,0 mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Vonkajšie (nútená konvekcia, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Príspevok na znečistenie (čistý servis) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Celková hodnota U- | 167 | 0.006 | 100% |
Výpočet pre vodný roztok kyseliny pri 60 stupňoch s rýchlosťou priečneho toku 0,6 m/s. Prídavok na znečistenie pre pôvodne čistý PTFE povrch. Skutočná hodnota poľa U-sa znižuje, keď sa hromadia nečistoty.
Účinky nútenej konvekcie na hodnotu U-
Nútená konvekcia zvyšuje vonkajší koeficient prestupu tepla, čím sa znižuje vonkajší odpor filmu. To zlepšuje celkovú hodnotu U-. Ale zlepšenie má svoje limity, pretože odpor steny PTFE je pevný a podstatný.
Zdvojnásobenie rýchlosti tekutiny z 0,3 m/s na 0,6 m/s zvyšuje vonkajší koeficient z približne 350 na 600 W/m²·K. Celková hodnota U- sa zlepšuje zo 145 na 167 W/m²·K-iba o 15 % viac. Ďalšie zvyšovanie rýchlosti vedie k zníženiu návratnosti, pretože odpor pevnej steny sa stáva dominantným.
Toto správanie sa líši od kovových výmenníkov tepla, kde zvýšenie rýchlosti môže dramaticky zlepšiť hodnotu U-, pretože odpor steny je zanedbateľný. V prípade výmenníkov PTFE určuje odpor steny strop dosiahnuteľnej hodnoty U- bez ohľadu na podmienky prietoku.
Meranie v teréne vs. výpočet
Vypočítané hodnoty U- poskytujú odhady návrhu. Meranie v teréne potvrdzuje skutočný výkon. Hodnota poľa U- je určená meraním tepelnej spotreby (z prietoku a zmeny teploty na oboch stranách) a vydelením známou plochou povrchu a nameraným LMTD.
Hodnota poľa U- výrazne nižšia ako vypočítaný odhad označuje znečistenie, zaplavenie kondenzátom alebo nesprávnu distribúciu prietoku. Pravidelné vytváranie trendov U-hodnoty poskytuje včasné varovanie pred vznikajúcimi problémami skôr, ako ovplyvnia produkciu.
V prípade nových výmenníkov tepla z PTFE by sa počas uvádzania do prevádzky mala stanoviť základná hodnota U-. Táto základná línia sa stáva referenčnou pre všetky budúce porovnávania výkonnosti.
Zhrnutie
Odhad hodnoty U- výmenníka tepla z PTFE spočítava odpor vnútornej fólie, steny rúrky a vonkajšej fólie. Odolnosť steny PTFE, stanovená vodivosťou materiálu a hrúbkou, predstavuje významný podiel z celkového počtu -zvyčajne 30-45 %. Tento odpor steny obmedzuje maximálnu dosiahnuteľnú hodnotu U bez ohľadu na zlepšenie prietoku.
Nútená konvekcia zlepšuje koeficient vonkajšieho filmu, ale znižuje návratnosť, keďže dominuje odpor steny. Vypočítané hodnoty U- by sa mali overiť meraním v teréne a v priebehu času by sa mali sledovať, aby sa zistilo znečistenie alebo iná degradácia.
Technická analýza pre PTFE tepelný výmenník U-výpočet hodnoty v konkrétnych podmienkach procesu je k dispozícii po predložení údajov o vlastnostiach tekutiny, rýchlosti prúdenia, špecifikáciách rúr, podmienkach pary a prevádzkovej teplote.
