Siltummaiņa norādīšana bieži vien rada vilcināšanos pat pieredzējušu inženieru vidū. Mehāniskais izkārtojums, materiālu savietojamība un uzstādīšanas detaļas parasti ir vienkāršas, taču termiskā izmēra noteikšana šķiet neskaidra. Neliela siltummaiņa gadījumā pastāv risks, ka netiek sasniegti ražošanas mērķi un nestabila temperatūras kontrole. Pārmērīga vienība palielina nevajadzīgas izmaksas un nospiedumu. Izaicinājums nav zināšanu trūkums, bet gan neskaidrība par to, ar ko sākt un cik precīzam ir jābūt aprēķinam.
PTFE siltummaiņa termiskā izmēra noteikšana nav minējums. Tas seko strukturētai secībai: nosaka siltuma slodzi, aprēķina temperatūras virzošo spēku, novērtē kopējo siltuma pārneses koeficientu un piemēro projektēšanas rezervi. Katrs solis loģiski balstās uz iepriekšējo.
Solis 1 - Siltuma slodzes aprēķins
Pirmais uzdevums ir noteikt, cik daudz siltuma ir jānodod. Pamatattiecības ir šādas:
Q=m × Cp × ΔT
Kur Q ir siltuma slodze (W), m ir masas plūsmas ātrums (kg/s), Cp ir īpatnējā siltumietilpība (kJ/kg·K) un ΔT ir procesa šķidruma temperatūras izmaiņas.
Masas plūsmas ātrums bieži vien ir vājākā ievade. Sūkņa datu plāksnītes jauda reti atspoguļo faktisko plūsmu pēc cauruļvadu zudumiem un droseļvārstiem. Sūkņa līkņu pārbaude vai plūsmas mērītāja īslaicīga uzstādīšana bieži novērš lielas izmēra kļūdas. Praksē nepareizi plūsmas pieņēmumi izraisa vairāk izmēru kļūdu nekā nepareizi vienādojumi.
Īpatnējo siltumietilpību korozīvām plūsmām var aptuveni noteikt pēc ūdens, ja vien šķīdums nav ļoti koncentrēts. Atšķaidītām skābēm vai sārmiem Cp parasti ir robežās no 3,7 līdz 4,2 kJ/kg·K. Koncentrētiem sāļiem vai viskoziem šķidrumiem var būt nepieciešami publicēti ķīmiskie dati vai laboratorijas mērījumi.
Piemērs
Procesa tvertne cirkulē 5 m³/h skābes šķīduma. Blīvums ir aptuveni 1100 kg/m³. Šķidrumam jābūt uzkarsētam no 25 grādiem līdz 60 grādiem.
Masas plūsmas ātrums:
m=5 / 3600 × 1100 ≈ 1,53 kg/s
Temperatūras paaugstināšanās:
ΔT = 35 K
Pieņemot, ka Cp ≈ 3,9 kJ/kg·K:
Q=1.53 × 3,9 × 35 ≈ 209 kW
Tāpēc siltummainim jāpārnes aptuveni 209 000 vati.
2 -. darbības temperatūras virzošais spēks (LMTD)
Siltuma pārnese ir atkarīga ne tikai no siltuma slodzes, bet arī no tā, cik stipri atšķiras karstā un aukstā šķidruma temperatūra visā siltummaiņa garumā. Tā kā temperatūras starpība nepārtraukti mainās, pareizais mērījums irlog vidējā temperatūras starpība (LMTD).
Pretplūsmas konfigurācijai:
ΔT₁=Th,in − Tc,out
ΔT₂=Th,āra − Tc,iekšā
LMTD=(ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)
Pieņemsim, ka karstais ūdens ieplūst 80 grādu temperatūrā un iziet 70 grādu temperatūrā, uzsildot skābi no 25 grādiem līdz 60 grādiem.
ΔT₁=80 − 60=20 grāds
ΔT₂=70 − 25=45 grāds
LMTD=(45 - 20) / ln (45/20) ≈ 25 / 0,81 ≈ 30,9 grādi
Pretplūsma nodrošina visaugstāko temperatūras virzošo spēku. Paralēlas plūsmas vai šķērsplūsmas izkārtojumiem ir nepieciešami korekcijas koeficienti, kas samazina efektīvo LMTD.
3 -. darbības kopējais siltuma pārneses koeficients (U-vērtība)
Kopējais siltuma pārneses koeficients atspoguļo izturību pret siltuma pārnesi visā sistēmā: šķidruma plēve, piesārņojums, PTFE siena un sekundārā šķidruma plēve. PTFE siltumvadītspēja ir daudz zemāka nekā metālam, tāpēc U-vērtības ir zemākas nekā nerūsējošā tērauda apmainītājiem.
Tipiski diapazoni:
Tīra ūdens -līdz-ūdens apgāde: 250–400 W/m²K
Atšķaidīti ķīmiskie šķīdumi: 150–300 W/m²K
Viskozi vai piesārņojoši šķidrumi: 80–150 W/m²K
Izvēloties optimistisku U{0}}vērtību, tiek tieši samazināts izmērs. Nenoteiktiem pakalpojumiem konservatīvi aprēķini uzlabo uzticamību.
Pieņemsim U=220 W/m²K skābes karsēšanas piemēram.
4 -. darbība Aprēķiniet nepieciešamo siltuma pārneses laukumu
Vadošais vienādojums ir:
A=Q / (U × LMTD)
Aizstājošās vērtības:
A = 209,000 / (220 × 30.9) ≈ 209,000 / 6,798 ≈ 30.8 m²
Apmainītājs prasa aptuveni31 kvadrātmetrsefektīva siltuma pārneses zona.
Darbība 5 - Pielietojiet noformējuma rezervi
Reāli procesi reti paliek projektēšanas apstākļos. Attīstās piesārņojuma slāņi, plūsmas ātrumi svārstās un padeves temperatūra mainās. Dizaina rezerves pievienošana novērš veiktspējas zudumu laika gaitā.
Tipiskas piemales:
Tīri, kontrolēti procesi: 10–15%
Rūpnieciskās ķīmijas pakalpojumi: 20–30%
Piesārņojumi vai nenoteiktas plūsmas: 30–50%
Pieņemot 25% rezervi:
Galīgā platība ≈ 31 × 1,25 ≈ 38,8 m²
Praktiskā specifikācija kļūst aptuveni39 m².
Rezultāta interpretācija
Termiskā izmēra noteikšana sastāv no secības, nevis no viena vienādojuma. Siltuma slodzes aprēķins nosaka nepieciešamo pienākumu. LMTD nosaka pieejamo dzinējspēku. Kopējais siltuma pārneses koeficients atspoguļo materiāla un šķidruma uzvedību. Dizaina rezerve atspoguļo reālās pasaules mainīgumu-.
Lielākā daļa aprēķinu kļūdu rodas no nepareiziem darbības datiem, nevis nepareizām formulām. Plūsmas ātruma pārbaude, reālistiskas U-vērtības un konservatīvas robežas nodrošina uzticamu siltummaiņa izmēru pat tad, ja šķidruma īpašības ir neskaidras.
Tāpēc siltuma projektēšana kļūst par atkārtojamu inženierijas procedūru, nevis abstraktu uzdevumu. Sarežģītiem pienākumiem programmatūras modelēšana vai konsultācijas ar pieredzējušiem siltuma dizaineriem var precizēt pieņēmumus un uzlabot pārliecību, taču pamata aprēķins joprojām ir vienkāršs un pārredzams.
