אתגר החישוב בחוץ
מחליף חום PTFE המותקן בחוץ חווה טמפרטורות סביבה המתנדנדות בין 15-20 מעלות בין יום ללילה, ו-30-40 מעלות בין קיץ לחורף. איבוד החום מהמחליף והצנרת המחוברת שלו לסביבה משתנה באופן יחסי. עיצוב שמתחשב רק בטמפרטורת החורף הממוצעת עשוי להיות נמוך מדי במהלך התקף קור. עיצוב לטמפרטורה מינימלית קיצונית מבזבז קיבולת במהלך פעולה רגילה.
חישוב אובדן החום חייב לקחת בחשבון הן את הפרש הטמפרטורה הממוצע המניע את אובדן החום והן את אובדן השיא שקובע את הקיבולת המרבית הנדרשת של המחליף. זה חייב לטפל גם בסיכון של הקפאה במהלך כיבוי, כאשר לא מוכנס חום והמחליף מתקרר לטמפרטורת הסביבה.
בניגוד למחליפים מתכתיים, ל-PTFE יש מרווח בטיחות מפני נזקי הקפאה. הפלואורופולימר הגמיש מתאים להתרחבות של מים מקפיאים מבלי לשבור-תכונה המשפיעה על אסטרטגיית ההגנה מפני הקפאה.
רכיבי איבוד החום
איבוד חום ממתקן מחליף חום PTFE חיצוני כולל שלושה מרכיבים. אובדן גוף של מיכל או מחליף מתרחש מהמשטחים החשופים של המיכל או מעטפת המחליף לאוויר הסביבה. שיעור ההפסד תלוי בשטח הפנים, בהפרש הטמפרטורה בין נוזל התהליך לאוויר הסביבה, ובמקדם העברת החום הכולל דרך כל בידוד בתוספת סרט האוויר החיצוני.
אובדן צנרת מקושרת מתרחשת מצנרת-מעל הקרקע בין המחליף לתהליך. גם עם בידוד, כל מטר צינור תורם איבוד חום שניתן למדידה. אובדן הצנרת הכולל תלוי באורך הצינור החשוף ובהפרש הטמפרטורה.
אובדן משופר ברוח- מגדיל את מקדם העברת החום החיצוני. רוח של 5 מ' לשנייה יכולה להכפיל את אובדן החום בהשוואה לאוויר דומם. יש לכלול נתוני רוח עבור אתר ההתקנה בחישוב אובדן החום.
טבלה 1: גורמי חישוב אובדן חום לפי מצב הסביבה (נוזל תהליך של 50 מעלות, משטח חשוף בגודל 10 מ"ר, בידוד צמר מינרלי 25 מ"מ)
| מצב סביבה | הפרש טמפרטורה (מעלה) | מהירות רוח (מ/ש) | מקדם סרט חיצוני (W/m²·K) | איבוד חום (kW) | אחוז מחובת עיצוב (75 קילוואט) |
|---|---|---|---|---|---|
| אחר הצהריים בקיץ (35 מעלות, עדיין) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| ליל קיץ (22 מעלות, עדיין) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| אחר הצהריים של חורף (10 מעלות, אוורר) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| ליל חורף (-5 מעלות, אוורר) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| מצב קור (-20 מעלות, סוער) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| מינימום קיצוני (-30 מעלות, סוער) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
ערכי אובדן חום עבור משטח מיכל לא מבודד יהיו גבוהים פי 4-6. בידוד חיוני להתקנות חיצוניות.
אופטימיזציית הבידוד
חישובי אובדן חום מנחים את בחירת עובי הבידוד. האופטימום הכלכלי מאזן את העלות של בידוד עבה יותר מול ערך האנרגיה שנחסכה לאורך חיי הציוד. עבור התקנות חיצוניות באקלים קר, החישוב מביא לרוב לעובי בידוד של 50-75 מ"מ.
בידוד חייב להיות עמיד בפני מזג אוויר. בידוד חיצוני החשוף לגשם, שלג ו-UV מתכלה במהירות ללא חיפוי מגן. מעיל אלומיניום או נירוסטה מגן על הבידוד ומספק משטח עמיד וניתן לניקוי. יש לאטום את כל המפרקים כדי למנוע חדירת מים, מה שהורס את יעילות הבידוד.
מחליפי PTFE מציגים אתגר בידוד ספציפי בחיבורי אוגן ונקודות גישה לראש. מערכת הבידוד חייבת לאפשר גישה תקופתית לצורך בדיקה ותחזוקה מבלי להינזק במהלך ההסרה וההחלפה. שמיכות בידוד נשלפות במקומות אלו מספקות את הגישה הדרושה.
אסטרטגיית הגנת הקפאה
כאשר מחליף חום חיצוני מסוג PTFE נכבה בחורף, נוזל התהליך הכלוא בתוך הצינורות יכול לקפוא. מים מתרחבים בכ-9% עם הקפאה, ומייצרים לחץ שיכול לפצל צינורות וכלי קשיח קשיחים.
צינורות PTFE מתאימים להתרחבות קרח ללא שבירה. ההתארכות של החומר בשבירה עולה על 200%, והגמישות שלו בטמפרטורות נמוכות-PTFE נשאר רקיע ל--200 מעלות - מאפשר לצינור להתרחב עם המים הקפואים. עם זאת, כותרים מתכתיים, אוגנים וצנרת מחוברת המחוברת למחליף PTFE אינם חולקים את סובלנות ההקפאה הזו.
אסטרטגיית ההגנה מפני הקפאה מתמקדת אפוא ברכיבים המתכתיים. מעקב אחר חום של צנרת מתכת חשופה, כותרות ושסתומים מונע הקפאה במהלך הכיבוי. צינורות ה-PTFE עצמם אינם דורשים הגנה מפני הקפאה, אם כי יש לנקז את הנוזלים בתוך הצינורות או לאפשר להם להסתובב באיטיות אם תנאי ההקפאה נמשכים.
תַקצִיר
תנודות טמפרטורת הסביבה משפיעות על התקנות מחליף חום חיצוניות של PTFE באמצעות איבוד חום משתנה שחייב להתאים לגודל המחליף. עובי הבידוד מותאם לאקלים המקומי, עם חיפוי עמיד בפני מזג אוויר חיוני לעמידות. השפעות הרוח על איבוד החום הן משמעותיות ויש לכלול אותן בחישובים.
צינורות PTFE סובלים התרחבות הקפאה ללא נזק, ומספקים הגנה אינהרנטית מפני ההשלכות החמורות ביותר של השבתות בחורף. מאמצי ההגנה מפני הקפאה מתמקדים ברכיבי מערכת מתכתיים המחוברים למחליף PTFE.
המלצות הנדסיות עבור בידוד מחליף חום חיצוני PTFE ותכנון הגנה מפני הקפאה זמינות עם הגשת נתונים מטאורולוגיים באתר, מאפייני נוזל תהליך, פרופילי טמפרטורת הפעלה וכיבוי ופריסת צנרת.
