Temperaturni raspon gdje je zračenje važno
Prijenos topline zračenjem proporcionalan je četvrtoj potenciji apsolutne temperature, prema Stefan-Boltzmannovom zakonu: q=εσ(T₁4 − T₂4), gdje je q toplinski tok, ε emisivnost, σ Stefan-Boltzmannova konstanta, a T₁ i T₂ su apsolutne temperature dva površine.
Pri niskim temperaturama toplinski tok zračenja je mali u usporedbi s konvekcijskim toplinskim tokom. Na 60 stupnjeva (333 K), toplinski tok zračenja između dvije površine s emisivnošću od 0,9 i temperaturnom razlikom od 20 stupnjeva iznosi približno 120 W/m². Konvekcijski toplinski tok pri istim uvjetima iznosi približno 2000 W/m². Doprinos zračenja iznosi približno 6% ukupnog.
Na 200 stupnjeva (473 K), toplinski tok zračenja s istom emisivnošću i temperaturnom razlikom iznosi približno 380 W/m². Konvekcijski toplinski tok je približno 3500 W/m². Doprinos zračenja je otprilike 10% ukupnog.
Na 300 stupnjeva (573 K), toplinski tok zračenja je približno 750 W/m². Konvekcijski toplinski tok je približno 4500 W/m². Doprinos zračenja je otprilike 14% ukupnog.
Doprinos zračenja postaje značajan iznad 200 stupnjeva i mora se uključiti u izračun prijenosa topline za rad na visokoj-temperaturi.
Emisivnost PTFE-a
Emisivnost PTFE-a je približno 0,85–0,92 za raspon valne duljine toplinskog zračenja. Visoka emisija znači da su PTFE površine učinkoviti radijatori i apsorberi toplinskog zračenja.
Emisivnost PTFE-a veća je od one kod poliranih metala, koji imaju emisivnost od 0,05-0,20. Visoka emisija PTFE-a je prednost u prijenosu topline zračenjem jer omogućuje površini da apsorbira i učinkovito emitira zračenje.
Na emisivnost utječe stanje površine. Glatka PTFE površina ima emisivnost od približno 0,85, dok hrapava ili onečišćena površina ima emisivnost od približno 0,92. Emisivnost također raste s temperaturom, od 0,85 na 20 stupnjeva do 0,92 na 200 stupnjeva.
Geometrija izmjenjivača topline
Prijenos topline zračenjem ovisi o geometriji izmjenjivača topline i faktoru pogleda između površina. Faktor pogleda je udio zračenja koje napušta jednu površinu i pada na drugu površinu.
U školjkastom--cijevnom izmjenjivaču topline, cijevi su okružene omotačem, a faktor vidljivosti između cijevi i omotača je visok. Prijenos topline zračenjem između cijevi i ljuske značajan je ako se temperatura ljuske razlikuje od temperature cijevi.
U pločastom izmjenjivaču topline, ploče su paralelne, a faktor vidljivosti između susjednih ploča je visok. Prijenos topline zračenjem između ploča je značajan ako su temperature ploča različite.
U uronjenoj zavojnici, zavojnica je okružena procesnom tekućinom, a faktor vidljivosti između zavojnice i stijenke spremnika je umjeren. Prijenos topline zračenjem između zavojnice i stijenke spremnika značajan je ako se temperatura stijenke spremnika razlikuje od temperature zavojnice.
Doprinos zračenja u uslugama visokih-temperatura
Sljedeća tablica sažima doprinos zračenja ukupnom prijenosu topline za različite temperaturne razine i površinske uvjete u PTFE izmjenjivaču topline.
| Procesna temperatura | Površinska emisivnost | Temperaturna razlika | Toplinski tok zračenja | Konvekcijski toplinski tok | Doprinos zračenja |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 stupnjeva | 0.85 | 20 stupnjeva | 110 W/m² | 2,000 W/m² | 5% |
| 100 stupnjeva | 0.87 | 20 stupnjeva | 180 W/m² | 2,500 W/m² | 7% |
| 150 stupnjeva | 0.89 | 20 stupnjeva | 280 W/m² | 3,000 W/m² | 9% |
| 200 stupnjeva | 0.91 | 20 stupnjeva | 400 W/m² | 3,500 W/m² | 10% |
| 250 stupnjeva | 0.92 | 20 stupnjeva | 560 W/m² | 4,000 W/m² | 12% |
| 300 stupnjeva | 0.92 | 20 stupnjeva | 760 W/m² | 4,500 W/m² | 14% |
| 350 stupnjeva | 0.92 | 20 stupnjeva | 1,000 W/m² | 5,000 W/m² | 17% |
Toplinski tok zračenja izračunava se za površinsku emisivnost od 0,85–0,92 i temperaturnu razliku od 20 stupnjeva. Konvekcijski toplinski tok izračunat je za koeficijent filma od 100 W/m²·K i istu temperaturnu razliku. Doprinos zračenja je omjer toplinskog toka zračenja i ukupnog toplinskog toka.
Utjecaj zračenja na ukupni koeficijent prolaza topline
Prijenos topline zračenjem pridodaje se prijenosu topline konvekcijom, a kombinirani učinak povećava ukupni koeficijent prijenosa topline. Doprinos zračenja može se izraziti kao ekvivalentni koeficijent filma zračenja, h_rad=q_rad / ΔT.
Za procesnu temperaturu od 200 stupnjeva i temperaturnu razliku od 20 stupnjeva, toplinski tok zračenja je 400 W/m², a ekvivalentni koeficijent filma zračenja je 20 W/m²·K. Koeficijent konvekcijskog filma je 100 W/m²·K. Kombinirani koeficijent filma je 120 W/m²·K, što je 20% više od samog koeficijenta konvekcije.
Povećanje koeficijenta filma smanjuje potrebnu površinu za određeno toplinsko opterećenje. Za izmjenjivač topline s toplinskim opterećenjem od 50 kW i temperaturnom razlikom od 20 stupnjeva, potrebna površina samo s konvekcijom je 25 m². S uključenim zračenjem, potrebna površina je 21 m², smanjenje od 16%.
Učinak zračenja na temperaturu stijenke cijevi
Prijenos topline zračenjem također utječe na temperaturu stijenke cijevi. Toplinski tok zračenja apsorbira stijenka cijevi i procesni fluid, što smanjuje temperaturnu razliku između stijenke cijevi i procesnog fluida.
Niža temperaturna razlika smanjuje temperaturu stijenke cijevi i brzinu razgradnje PTFE-a. U radu na visokim-temperaturama, niža temperatura stijenke može produžiti radni vijek izmjenjivača topline.
Učinak je mali na niskim temperaturama, ali postaje značajan iznad 200 stupnjeva. Na 300 stupnjeva, doprinos zračenja može smanjiti temperaturu stijenke cijevi za 5-10 stupnjeva, što može produžiti vijek trajanja za 20-30%.
Značajke dizajna koje poboljšavaju prijenos topline zračenjem
Nekoliko značajki dizajna poboljšavaju prijenos topline zračenjem u PTFE izmjenjivaču topline.
Površina visoke emisivnosti.Površina visoke emisivnosti apsorbira i učinkovito emitira zračenje. PTFE prirodno ima visoku emisivnost, a površinu treba održavati čistom kako bi se održala emisivnost.
Veliki vidni faktor.Geometrija koja omogućuje veliki faktor vidljivosti između vrućih i hladnih površina poboljšava prijenos topline zračenjem. Konfiguracija ljuske-i-cijevi s cijevima okruženim ljuskom pruža visok faktor vidljivosti.
Visoka temperaturna razlika.Veća temperaturna razlika između površina povećava toplinski tok zračenja. Temperaturna razlika određena je temperaturom procesa i radne tekućine.
Štitovi od zračenja.U nekim se primjenama štitovi od zračenja koriste za smanjenje prijenosa topline zračenjem. Štitovi se nalaze između toplih i hladnih površina i smanjuju vidljivost.
Površinska orijentacija.Orijentacija površina utječe na prijenos topline zračenjem. Površine koje su okrenute jedna prema drugoj imaju veći faktor vidljivosti od površina koje su pod kutom.
Usporedba doprinosa zračenja pri različitim temperaturama
Sljedeća tablica sažima ukupni koeficijent prijenosa topline sa i bez doprinosa zračenja za različite procesne temperature u PTFE izmjenjivaču topline.
| Procesna temperatura | Koeficijent konvekcije | Koeficijent zračenja | Kombinirani koeficijent | Povećanje od zračenja | Potrebno smanjenje površine |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 stupnjeva | 100 W/m²·K | 5.5 W/m²·K | 105.5 W/m²·K | 5.5% | 5.2% |
| 100 stupnjeva | 100 W/m²·K | 9.0 W/m²·K | 109.0 W/m²·K | 9.0% | 8.3% |
| 150 stupnjeva | 100 W/m²·K | 14.0 W/m²·K | 114.0 W/m²·K | 14.0% | 12.3% |
| 200 stupnjeva | 100 W/m²·K | 20.0 W/m²·K | 120.0 W/m²·K | 20.0% | 16.7% |
| 250 stupnjeva | 100 W/m²·K | 28.0 W/m²·K | 128.0 W/m²·K | 28.0% | 21.9% |
| 300 stupnjeva | 100 W/m²·K | 38.0 W/m²·K | 138.0 W/m²·K | 38.0% | 27.5% |
Pretpostavlja se da je konvekcijski koeficijent 100 W/m²·K, a temperaturna razlika 20 stupnjeva. Koeficijent zračenja izračunat je prema Stefan-Boltzmannovom zakonu s emisivnošću od 0,90. Potrebno smanjenje površine postotak je smanjenja površine u usporedbi s-samo slučajem konvekcije.
Parametri specifikacije za rad na visokim-temperaturama
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline za rad na visokim-temperaturama trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Procesna temperatura.Navedite maksimalnu temperaturu procesa i očekivani profil temperature.
Temperatura servisne tekućine.Navedite temperaturu radne tekućine i raspoloživi tlak.
Temperaturna razlika.Navedite temperaturnu razliku između procesnih i servisnih tekućina.
Površinska emisivnost.Odredite emisivnost PTFE površine i stanje površine.
Toplinsko opterećenje.Navedite toplinsko opterećenje i očekivani raspon.
Površina.Navedite površinu sa i bez doprinosa zračenja.
Temperatura stijenke cijevi.Navedite najveću dopuštenu temperaturu stijenke cijevi.
Doprinos zračenja.Navedite je li doprinos zračenja uključen u izračun prijenosa topline.
Usklađivanje doprinosa zračenja s-uslugom visoke temperature
Prijenos topline zračenjem doprinosi ukupnom prijenosu topline u PTFE izmjenjivaču topline na temperaturama iznad 150 stupnjeva. Doprinos raste s temperaturom i doseže 10-14% ukupnog prijenosa topline na 200-300 stupnjeva. Doprinos zračenja smanjuje potrebnu površinu i temperaturu stijenke cijevi, što može produžiti životni vijek izmjenjivača topline.
Doprinos zračenja treba uključiti u izračun prijenosa topline za visoko{0}}temperaturnu uslugu. Zanemarivanje doprinosa zračenja rezultira prevelikim izmjenjivačem topline koji ima veći kapitalni trošak i veći otisak nego što je potrebno.
Za visokotemperaturne servisne objekte koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, doprinos zračenja treba navesti u dokumentima o nabavi i potvrditi pri puštanju u rad. Zadana konfiguracija koju daje proizvođač možda ne uključuje doprinos zračenja, a rezultirajući izmjenjivač topline može biti prevelik.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za usluge na visokim-temperaturama mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva temperaturu procesa, temperaturu radne tekućine, temperaturnu razliku, površinsku emisivnost, toplinsko opterećenje i površinu kako bi potvrdili da je jedinica usklađena sa stvarnim uvjetima prijenosa topline i strukturom troškova objekta.
