V aplikáciách s kontinuálnym{0}}prietokom kyslého ohrevu-ako sú moriace linky, nástroje na leptanie alebo systémy chemického čistenia- každý stupeň poklesu teploty na plášti PFA predstavuje stratu energie a zvýšené prevádzkové náklady. Tenší plášť PFA (1 mm) ponúka nižší tepelný odpor ako štandardný plášť s hrúbkou 2 mm, čo umožňuje, aby sa do procesnej kvapaliny dostalo viac tepla pri rovnakej teplote kovového jadra. Úspory sa prejavujú v dvoch formách: znížená spotreba energie na udržanie cieľovej výstupnej teploty a zvýšená priepustnosť (vyšší prietok) pri rovnakom príkone energie. Pre typický kontinuálny{8}}prietokový kyslý ohrievač spracovávajúci 50 l/min 15 % HCl zo 40 stupňov na 60 stupňov , prechod z 2 mm na 1 mm PFA plášť ušetrí približne 2 500 – 3 500 kWh ročne na elektrine (8 – 12 % celkovej vykurovacej energie) a znižuje požadovanú veľkosť ohrievača o 10 – 15 %. Počas jedného roka nepretržitej prevádzky (8 760 hodín) celkové úspory energie predstavujú 300 – 300 – 500 USD pri 0,10 USD/kWh, s dodatočnými úsporami vďaka zníženým kapitálovým nákladom.
Rozdiel tepelného odporu medzi plášťom 1 mm a 2 mm
Tepelný odpor plášťa PFA je R_PFA=t_PFA / k_PFA, kde t je hrúbka a k je tepelná vodivosť (približne 0,20 W/m·K pre PFA pri 60 stupňoch ). Pre 2 mm plášť (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Pre 1 mm plášť, R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-polovičný odpor. Celkový tepelný odpor ohrievacieho telesa voči tekutine zahŕňa aj konvekčnú hraničnú vrstvu (1/h_fluid). Pre turbulentné prúdenie (Re > 10 000) v potrubí alebo kanáli je h_fluid zvyčajne 1 000 – 3 000 W/m²·K, čo dáva 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W- oveľa menšie ako odpor PFA. PFA dominuje celkovému odporu a prispieva 70–90 % k poklesu teploty.
Pokles teploty na plášti je ΔT_PFA=q × R_PFA, kde q je tepelný tok (W/m²). Pre požadovaný tepelný tok 30 000 W/m² (3 W/cm², typické pre kyslý ohrev) vytvára 2 mm plášť ΔT_PFA=30 000 × 0.010=300 stupňov, čo vyžaduje, aby kovové jadro fungovalo pri teplote 300 stupňov nad vonkajšou povrchovou teplotou PFA. 1 mm plášť pri rovnakom tepelnom toku vytvára ΔT_PFA=150 stupňov . Nižšia teplota jadra (o 150 stupňov) predlžuje životnosť vykurovacieho telesa a znižuje elektrické straty. Alternatívne, pre pevnú maximálnu teplotu jadra (napr. 260 stupňov pre Incoloy), 1 mm plášť umožňuje vyšší tepelný tok: q_max,1 mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 stupňov (za predpokladu, že vonkajší povrch je pri 60 stupňoch, jadro pri 260 stupňoch dáva 3}ΔT04 {{3) W/m² (4 W/cm²). 2 mm plášť s rovnakou teplotou jadra poskytuje q_max,2 mm=200 / 0.010=20,000 W/m² (2 W/cm²). Tenší plášť poskytuje dvojnásobný tepelný tok pri rovnakej teplote jadra.
Výpočet úspory energie a nákladov pre kontinuálny-prietokový ohrievač
Uvažujme kontinuálny-prietokový kyslý ohrievač s nasledujúcimi parametrami: prietok 50 l/min (0,05 m³/min, 3 m³/h), kvapalina 15 % HCl, špecifické teplo 3 800 J/kg·K, hustota 1 070 kg/m³, vstupná teplota 40 stupňov, výstupná teplota 60 stupňov{1} (1}). Požadovaná tepelná záťaž Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1 070) kg/h × 3 800 J/kg·K × 20 K / 3 600 s/h=(3 210 kg/h, 80} × 200} × 3,8=67.8 kW. To je teplo, ktoré sa musí preniesť z ohrievača do kyseliny.
Pre 2 mm PFA plášť s R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W, požadovaná teplota kovového jadra T_core=T_fluid_out + q × R_total. Požadovaná plocha povrchu ohrievača A=Q / q. Pre cieľovú hodnotu 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 stupeň -príliš vysoké pre Incoloy (limit ~260 stupňov ). Preto 2 mm plášť nemôže dosiahnuť 3 W/cm²; tepelný tok sa musí znížiť na q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18, 200 W/m² (1,82 W/cm²). Požadovaná plocha A_2 mm=67,800 / 18,200=3.73 m².
Pre 1 mm plášť s 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). Požadovaná plocha A_1mm=67,800 / 33,300=2.04 m². Plášť s hrúbkou 1 mm vyžaduje o 45 % menšiu plochu ohrievača (2,04 m² vs Spotreba elektrickej energie je rovnaká (67,8 kW), pretože obe musia dodávať rovnaké teplo do kvapaliny. 2 mm plášť však funguje pri vyššej teplote jadra (260 stupňov vs Predpokladajme o 5 % vyššie straty pre 2 mm ohrievač: dodatočná strata=67.8 × 0,05 × 8 760 hodín=29 700 kWh za rok. Pri 0,10/kWh, úspory zo znížených strát{40}}/kWh, úspory zo znížených strát=2, 970 za rok-značná suma.
Súhrn ročných úspor (8 760 hodín nepretržitej prevádzky)
| Parameter | 2 mm PFA plášť | 1 mm PFA plášť | Rozdiel (úspora 1 mm) |
|---|---|---|---|
| Maximálny udržateľný tepelný tok (W/cm²) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Požadovaná plocha ohrievača (m²) | 3.73 | 2.04 | -45% (menší ohrievač) |
| Teplota kovového jadra pri 67,8 kW ( stupňov ) | 260 | 240 | -20 stupňov (dlhšia životnosť) |
| Tepelné straty izoláciou (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Ročná tepelná strata (kWh/rok) | 29,800 | 24,500 | 5 300 kWh |
| Ročná elektrická energia na straty (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5 300 kWh |
| Ročné náklady na energiu 0,10 USD/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Investičné náklady na ohrievač (odhad) | $1,800 | $1,200 | 600 dolárov (menší ohrievač) |
| Náklady na inštaláciu (potrubia, podpery) | $800 | $500 | $300 |
| Celková úspora za prvý-rok | - | - | $1,430 |
Ďalšie úspory vďaka zníženému čerpaciemu výkonu
1 mm plášťový ohrievač má o 45 % menší objem a menšie obmedzenie prietoku (ak je ohrievač v rade -). Pri ohrievači s vnútornými prietokovými kanálikmi sa tlaková strata meria podľa dĺžky. Ohrievač 3,73 m² (2 mm) môže mať priechody dlhé 1,5 m; ohrievač 2,04 m² (1 mm) by mal priechody dlhé 0,8 m. Zníženie poklesu tlaku o 40–50 % znižuje výkon čerpania. Pre prietok 50 l/min s poklesom tlaku 1,0 bar je výkon čerpania=(50 l/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (účinnosť čerpadla)=0.14 kW. Zníženie poklesu tlaku o 50 % ušetrí 0,07 kW × 8,760=613 kWh/rok alebo 61 at61 at 0,10/kWh. Ide o malý doplnok, ktorý však prispieva k celkovým úsporám.
Obchodné{0}}zľavy a úvahy o riziku
1 mm plášť nie je univerzálne lepší. O 45 % menšia plocha prenosu tepla znamená, že ohrievač pracuje pri vyššom tepelnom toku (3,33 W/cm² oproti . 1.82 W/cm²). Vyšší tepelný tok zvyšuje vonkajšiu povrchovú teplotu PFA: pri q=33,300 W/m² je pokles cez 1 mm plášť ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 stupňov, takže teplota vonkajšieho povrchu=240 - 166=74 stupňov (prijateľné). Vyšší tepelný tok tiež zvyšuje riziko lokálneho prehriatia, ak je prietok prerušený, a tenšia stena ponúka menšiu mechanickú pevnosť a nižšiu odolnosť voči oderu a chemickému prestupu. V prípade prevádzky čistej kyseliny so stabilným prietokom sú tieto riziká zvládnuteľné. Pre brúsne kaly alebo služby s častým-vysychaním poskytuje 2 mm plášť bezpečnostnú rezervu.
Záver: 1 mm plášť ušetrí 1 $,400+ ročne pri nepretržitej{3}}službe toku
Pre kontinuálne{0}}prietočné spracovanie ohrievača kyseliny 50 l/min zo 40 stupňov na 60 stupňov , prechod z 2 mm na 1 mm PFA plášť ušetrí približne 530 ročne znížené tepelné straty a 530 ročne znížené tepelné straty a 600–900 kapitálových nákladov (menší ohrievač), spolu 900 kapitálových nákladov (malé ohrievač), celková úspora 1 400 – 1 500 v prvom roku. Úspora pre tenšie 831 500 v prvom roku. ročne. Inžinieri by mali vykonať podobný výpočet pre svoj špecifický prietok a ΔT pomocou vyššie uvedených vzťahov. Vo väčšine aplikácií s kontinuálnym{23}}prietokom je doba návratnosti pri špecifikovaní 1 mm plášťa namiesto 2 mm plášťa kratšia ako 6 mesiacov, s ďalšou výhodou menšej veľkosti a hmotnosti ohrievača. Kompromis-zníženej mechanickej odolnosti sa musí vyhodnotiť v porovnaní so špecifickými podmienkami procesu. Pre čisté,-abrazívne, kontinuálne prúdiace kyseliny so stabilným prietokom je 1 mm plášť ekonomickejšou voľbou počas akéhokoľvek 12-mesačného prevádzkového obdobia. Pre prerušovanú prevádzku alebo abrazívne podmienky zostáva 2 mm plášť preferovaný aj napriek energetickej penalizácii.
