Raspored protoka koji određuje učinkovitost
Postrojenje za kemijsku obradu zahtijeva PTFE izmjenjivač topline za zagrijavanje procesne tekućine od 40 stupnjeva do 80 stupnjeva pomoću servisne tekućine koja ulazi na 120 stupnjeva, a izlazi na 90 stupnjeva. Toplinsko opterećenje je 50 kW.
Za protu{0}}uređaj protoka, procesna tekućina teče u suprotnom smjeru od servisne tekućine. Temperaturne razlike na dva kraja su: vrući kraj (servisni ulaz 120 stupnjeva − procesni izlaz 80 stupnjeva)=40 stupnjeva, i hladni kraj (servisni izlaz 90 stupnjeva − procesni ulaz 40 stupnjeva)=50 stupnjeva. Log srednja temperaturna razlika (LMTD) je približno 44,8 stupnjeva.
Za paralelni -protok, procesna tekućina teče u istom smjeru kao i servisna tekućina. Temperaturne razlike na dva kraja su: ulazna strana (servisni ulaz 120 stupnjeva − procesni ulaz 40 stupnjeva)=80 stupnjeva, i izlazni kraj (servisni izlaz 90 stupnjeva − procesni izlaz 80 stupnjeva)=10 stupnjeva. LMTD je približno 34,2 stupnja.
Za raspored-poprečnog protoka s nepomiješanim tekućinama, LMTD je između vrijednosti protu-protoka i paralelnog-protoka. Za ovaj slučaj, LMTD je približno 41,5 stupnjeva.
Raspored protu{0}}toka osigurava najveći LMTD i najmanju potrebnu površinu. Usporedni-protok osigurava najniži LMTD i najveću potrebnu površinu. Raspored križnog -toka daje srednju vrijednost.
Metoda učinkovitosti-NTU
Učinkovitost-NTU metoda daje potpuniji opis učinka rasporeda toka. Učinkovitost je omjer stvarnog prijenosa topline prema maksimalnom mogućem prijenosu topline. NTU je broj jedinica prijenosa, definiran kao NTU=UA/C_min, gdje je U ukupni koeficijent prijenosa topline, A je površina, a C_min je manja od dvije stope toplinskog kapaciteta tekućine.
Za određeni NTU, učinkovitost ovisi o rasporedu protoka i omjeru toplinskog kapaciteta. Raspored protu{1}}toka osigurava najveću učinkovitost za sve vrijednosti NTU i omjer toplinskog kapaciteta. Usporedni-protok omogućuje najniži. Raspored poprečnog-strujanja daje srednju vrijednost koja ovisi o tome jesu li tekućine miješane ili nepomiješane.
Za omjer toplinskog kapaciteta od 0,5 i NTU od 2,0, učinkovitost protu-toka je približno 0,75, učinkovitost unakrsnog-toka je približno 0,70, a učinkovitost paralelnog-toka je približno 0,62.
Kazna površine paralelnog protoka
Niži LMTD rasporeda paralelnog-toka zahtijeva veću površinu za isto toplinsko opterećenje. U primjeru slučaja, sustav protu-toka zahtijeva površinu od 5,6 m², raspored-poprečnog toka zahtijeva 6,0 m², a raspored paralelnog-toka zahtijeva 7,3 m².
Paralelni-protočni raspored zahtijeva 30% više površine nego protu-protočni raspored. U PTFE izmjenjivaču topline, gdje je površina skupa, dodatna površina povećava kapitalni trošak za otprilike 25-30%.
Raspored s-poprečnim protokom zahtijeva 7% više površine od rasporeda s-prototokom. Dodatna površina povećava kapitalni trošak za otprilike 5-7%.
Zašto su PTFE izmjenjivači topline osjetljivi na raspored protoka
PTFE izmjenjivači topline su osjetljiviji na raspored protoka od metalnih izmjenjivača topline jer je otpor stijenke cijevi visok, a ukupni koeficijent prijenosa topline nizak. Nizak koeficijent znači da je potrebna velika površina, a učinak rasporeda protoka na LMTD izravno se prevodi u smanjenje površine.
U metalnom izmjenjivaču topline, visok ukupni koeficijent znači da je površina mala, a učinak rasporeda protoka je manje značajan u apsolutnom smislu. Kazna kapitalnih troškova paralelnog toka je manja.
U PTFE izmjenjivaču topline, nizak koeficijent znači da je površina velika, a učinak rasporeda protoka značajan u apsolutnom iznosu. Kazna kapitalnih troškova paralelnog protoka je veća.
Kvantificiranje učinka rasporeda protoka
Sljedeća tablica sažima LMTD, potrebnu površinu i kapitalne troškove za različite rasporede protoka u PTFE izmjenjivaču topline s toplinskim opterećenjem od 50 kW i ukupnim koeficijentom od 200 W/m²·K.
| Raspored protoka | LMTD | Potrebna površina | Relativna površina | Trošak kapitala | Relativni trošak kapitala |
|---|---|---|---|---|---|
| Protutok- | 44,8 stupnjeva | 5.6 m² | 100% | $28,000 | 100% |
| Križni{0}}tok, obje tekućine nepomiješane | 41,5 stupnjeva | 6.0 m² | 107% | $29,500 | 105% |
| Poprečni-tok, miješanje jedne tekućine | 39,8 stupnjeva | 6.3 m² | 113% | $31,000 | 111% |
| Unakr-tok, obje tekućine pomiješane | 37,5 stupnjeva | 6.7 m² | 120% | $33,000 | 118% |
| Paralelni-tok | 34,2 stupnja | 7.3 m² | 130% | $35,500 | 127% |
| Protu-protutok s 2 prolaza ljuske | 43,5 stupnjeva | 5.7 m² | 102% | $28,500 | 102% |
| Protu-protutok s 4 prolaza ljuske | 44,2 stupnja | 5.65 m² | 101% | $28,200 | 101% |
Vrijednosti kapitalnih troškova su procjene temeljene na površini i cijeni od 5000 USD po m² za PTFE izmjenjivač topline. Raspored protu{3}}toka osigurava najniže kapitalne troškove, a raspored-paralelnog toka osigurava najviše.
Praktične granice rasporeda protoka
Praktične granice rasporeda protoka određene su geometrijom izmjenjivača topline i zahtjevima procesa.
Protutok-.Protu-protutok pruža najveću učinkovitost, ali zahtijeva geometriju koja omogućuje protok dviju tekućina u suprotnim smjerovima. Ljuskasti-i-cijevni izmjenjivač topline s pregradama može približiti protu-tok, ali pregrade stvaraju nešto križnog-strujanja. Pravi protu{7}}protočni sustav zahtijeva geometriju koncentrične cijevi ili pločastog izmjenjivača topline.
Poprečni-tok.Poprečni-strujanje je najčešći raspored u ljuskastim-i-cijevnim izmjenjivačima topline jer pregrade usmjeravaju tekućinu-strane ljuske preko cijevi. Raspored s-poprečnim protokom pruža srednju učinkovitost i lakši je za proizvodnju od pravog-protoka.
Paralelni-tok.Paralelni-tok pruža najnižu učinkovitost i rijetko se koristi u izmjenjivačima topline jer zahtijeva najveću površinu. Koristi se samo u primjenama gdje je temperaturna razlika velika i gdje je oštećenje površine prihvatljivo.
Značajke dizajna koje poboljšavaju učinkovitost rasporeda protoka
Nekoliko značajki dizajna poboljšavaju učinkovitost protoka u PTFE izmjenjivaču topline.
Više granata prolazi.Izmjenjivač topline s višestrukim ljuskastim prolazima približava se protu{0}}protoku od jednog ljuskastog prolaza. Višestruki prolazi smanjuju temperaturni križ i povećavaju LMTD.
Dizajn pregrade.Dizajn pregrade određuje -uzorak strujanja na strani ljuske. Dizajn pregrade koji promiče križni-tok daje veći koeficijent prijenosa topline od dizajna koji promiče paralelni tok.
Raspored prolaza cijevi.Raspored prolaza cijevi određuje smjer protoka-strane cijevi. Raspored s više-prolaza s prolazima raspoređenim u obrascu protu-toka osigurava veću učinkovitost od rasporeda s jednim-prolaskom.
Peraje ili poboljšane površine.Površina cijevi s rebrima ili poboljšanim površinama povećava koeficijent prijenosa topline i smanjuje osjetljivost na raspored protoka.
Zaglavlje raspodjele protoka.Kolektor za raspodjelu protoka osigurava ravnomjeran protok kroz snop cijevi, što poboljšava učinkovitost rasporeda protoka.
Usporedba rasporeda protoka za različite primjene
Sljedeća tablica sažima preporučeni raspored protoka za različite primjene PTFE izmjenjivača topline.
| Primjena | Preporučeni raspored protoka | Razlog | Alternativa |
|---|---|---|---|
| Parno grijanje | Protutok- | Maksimalna LMTD, minimalna površina | Poprečni-tok s više prolaza |
| Hlađenje hladnom vodom | Protutok- | Maksimalna LMTD, minimalna površina | Poprečni-tok |
| Razmjena--procesa | Protutok- | Maksimalni povrat topline | Poprečni-tok |
| Zagrijavanje viskoznog fluida | Poprečni-tok | Bolja raspodjela protoka, manji pad tlaka | Paralelni-tok |
| Usluga na visokim-temperaturama | Protutok- | Minimalna temperatura zida | Poprečni-tok |
| Usluga obraštanja | Poprečni-tok | Bolje čišćenje, manja stopa onečišćenja | Paralelni-tok |
| Kompaktna instalacija | Poprečni-tok | Jednostavnija geometrija, manji otisak | Protu-protutok s više prolaza |
Raspored protu{0}}toka poželjan je za većinu primjena jer pruža najveću učinkovitost i najmanju površinu. Raspored-protoka poželjan je za viskozne tekućine i uslugu onečišćenja jer osigurava bolju distribuciju protoka i manje onečišćenja.
Parametri specifikacije za raspored protoka
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Procesne temperature.Odredite ulazne i izlazne temperature procesne tekućine.
Servisne temperature.Odredite ulaznu i izlaznu temperaturu servisne tekućine.
Toplinsko opterećenje.Navedite toplinsko opterećenje i očekivani raspon.
Raspored protoka.Odredite raspored protoka na temelju zahtjeva procesa i raspoloživog prostora.
LMTD.Navedite LMTD za odabrani raspored protoka.
Površina.Navedite površinu potrebnu za toplinsko opterećenje i LMTD.
Broj prolaza školjke.Navedite broj prolaza školjke. Višestruki prolazi približavaju brojač-tijeku bliže.
Dizajn pregrade.Navedite dizajn pregrade za -uzorak bočnog toka školjke.
Usklađivanje rasporeda protoka sa zahtjevima procesa
Raspored protoka određuje LMTD, potrebnu površinu i kapitalne troškove PTFE izmjenjivača topline. Protu-protutok pruža najveći LMTD i najmanju površinu. Unakr-tok daje srednju vrijednost. Paralelni-tok daje najniži LMTD i najveću površinu.
Raspored protoka treba odabrati na temelju procesnih temperatura, toplinskog opterećenja i raspoloživog prostora. Protu-tok je poželjan za većinu aplikacija. Poprečni-tok je poželjan za viskozne tekućine i uslugu onečišćenja.
Za objekte za kemijsku preradu koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, raspored protoka treba biti naveden u dokumentima o nabavi i potvrđen pri puštanju u rad. Zadana konfiguracija koju daje proizvođač može biti križni -protok koji je lakši za proizvodnju, ali ima manju učinkovitost od protu-protočnog rasporeda.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za kemijsku obradu ili drugu uslugu prijenosa topline mogu zatražiti pregled dizajna koji pokriva procesne temperature, radne temperature, toplinsko opterećenje, raspored protoka, LMTD i površinu kako bi potvrdili da je jedinica usklađena sa stvarnim zahtjevima procesa i strukturom troškova postrojenja.
