שאלת הגודל
אמבט תחריט טיטניום מכיל 10% HF ו-15% HNO₃ בטמפרטורת הפעלה של 55 מעלות. נפח האמבטיה 4,500 ליטר. חימום מ-20 מעלות הסביבה חייב להסתיים תוך 90 דקות. אמצעי החימום הזמין הוא קיטור רווי של 3 בארג.
השאלה העומדת בפני מהנדס התהליך: איזה שטח פנים מחליף חום PTFE מספק את הביצועים האלה? גודל נמוך פירושו שהאמבט לא מגיע לטמפרטורה בזמן הנדרש. גודל יתר מבזבז הון וצורך נפח מיכל מוגזם. התשובה הנכונה מגיעה מחישוב עומס חום שיטתי.
עומס חום- לעומת עומס תפעולי
שתי חובות חום ברורות קובעות את שטח הפנים של PTFE. עומס החימום- מביא את האמבטיה מטמפרטורת הסביבה לטמפרטורת הפעולה בתוך הזמן שצוין. עומס ההפעלה שומר על הטמפרטורה כנגד הפסדי חום במהלך ייצור- יציב.
עומס החימום-מחושב ממסת האמבט, החום הסגולי, עליית הטמפרטורה והזמן. עבור 4,500 ליטר תמיסת חומצה מימית עם חום סגולי של כ-3.8 קילו ג'ל/ק"ג·K וצפיפות 1,100 ק"ג/מ"ר, המסה היא 4,950 ק"ג. עליית טמפרטורה מ-20 מעלות ל-55 מעלות היא 35 מעלות. האנרגיה הכוללת הנדרשת היא 4,950 × 3.8 × 35=658,350 קילו-ג'יי. אספקה של מעל 90 דקות, הספק החימום הממוצע- הוא 122 קילוואט.
עומס תפעול אחראי לאובדן חום ממשטח המיכל, הקירות ומפלטת האוורור. מיכל-מבודד היטב של 4,500-ליטר ב-55 מעלות בסביבה של 20 מעלות מאבד בדרך כלל 15-25 קילוואט בהתאם לשטח הפנים ולתנועת האוויר. בהנחה שמרנית של 25 קילוואט, מחליף החום PTFE חייב לספק 122 קילוואט במהלך החימום ו-25 קילוואט במהלך פעולה יציבה.
עומס החימום- שולט בגודל. הסליל חייב לספק 122 קילוואט בתום תקופת החימום-כאשר LMTD הוא הקטן ביותר-אמבטיה קרוב ל-55 מעלות, קיטור ב-143 מעלות, דלתא T כ-88 מעלות.
טבלה 1: פרמטרי גודל מחליף חום PTFE עבור אמבט תחריט טיטניום
| פָּרָמֶטֶר | עֵרֶך | יְחִידָה |
|---|---|---|
| נפח אמבטיה | 4,500 | L |
| מסת אמבט | 4,950 | ק"ג |
| טמפרטורה התחלתית | 20 | תוֹאַר |
| טמפרטורת יעד | 55 | תוֹאַר |
| זמן חימום נדרש- | 90 | דקה |
| חובת חימום- | 122 | קילוואט |
| חובת הפעלה | 25 | קילוואט |
| טמפרטורת רוויה באדים (3 בארג) | 143 | תוֹאַר |
| LMTD בסוף החימום- | 88 | תוֹאַר |
| עיצוב U-ערך (PTFE דק-קיר) | 280 | W/m²·K |
| שטח פנים מחושב | 5.0 | m² |
| אזור מומלץ עם רווח של 15%. | 5.8 | m² |
החישוב משתמש ב-Q=U × A × LMTD. ערך U- אחראי על הולכה של קיר PTFE והתנגדויות של שכבת גבול בעת ערבול מתון.
גורם תאימות חומרים HF
אמבטיות תחריט טיטניום מכילות HF, אשר מבטל חומרי מחליף חום מתכתיים משיקול. טיטניום מתמוסס ב-HF. נירוסטה קורוזיה במהירות. אילוץ החומר מאלץ בחירת פלואורפולימר.
PTFE אינרטי מבחינה כימית בתערובות HF-HNO₃ בכל הריכוזים והטמפרטורות של עד 260 מעלות. חישוב הגודל עבור PTFE עוקב אחר אותן משוואות העברת חום כמו עבור כל חומר. ההבדל הוא ערך U-, אשר עבור צינורות PTFE דקים- הוא כ-280 W/m²·K בהשוואה ל-800-1,200 עבור נירוסטה נקייה.
ערך ה-U- הנמוך יותר פירושו ש-PTFE דורש יותר שטח פנים באופן פרופורציונלי עבור אותה חובת חום. זהו הפרייד של החומר-: טביעת רגל גדולה יותר של סליל בתמורה לתאימות HF קבועה. 5.8 מ"ר המחושבים עשויים להיות 3.5-4.5 מ"ר עבור מתכת היפותטית עמידה ל-HF, אך אין מתכת כזו.
תצורה עבור השטח המחושב
שטח הפנים של 5.8 מטרים רבועים מתורגם לתצורות צינור ספציפיות. באמצעות צינורות PTFE באורך 10 מ"מ, כל מטר ליניארי מספק שטח פנים של 0.0314 מ"ר. אורך הצינור הכולל הנדרש הוא 5.8 / 0.0314=185 מטרים.
אורך זה מסודר כרשת מרובת-מעברים. רשת 10-צינור-ברוחב על 19-צינור-עומק באמצעות צינורות באורך מטר אחד מספקת אורך כולל של 190 מטר ושטח פנים של 5.97 מ"ר - קרוב לדרישה המחושבת. הרשת תופסת כ-1.0 × 0.5 מטר משטח רצפת המיכל, מקובל למיכל של 4,500 ליטר.
הפצת קיטור למעברי צינור מרובים דורשת כותרות בגודל מתאים. פינוי קונדנסט מהנקודה הנמוכה ביותר של כל מעבר מונע הצפה שמקטינה את השטח האפקטיבי. פרטי התכנון ההידראוליים הללו הם קריטיים כמו החישוב התרמי.
תַקצִיר
שטח הפנים של מחליף חום PTFE עבור חימום אמבטי תחריט טיטניום נקבע על ידי חובת חימום-, אשר בדרך כלל עולה על חובת ההפעלה בפקטור של 3-5. החישוב משתמש במשוואות העברת חום סטנדרטיות עם ערכי U- ספציפיים לצינורות PTFE דקים.
השטח המתקבל, עם מרווח בטיחות של 15%, הופך לתצורת רשת צינור מעשית המתאימה בתוך מיכל התהליך. תאימות כימית HF טבועה בבחירת חומרי PTFE ואינה מצריכה קצבאות עיצוב נוספות.
עבור פעולות תחריט טיטניום הדורשות גודל מחליף חום PTFE, ניתוח הנדסי זמין עם הגשת נפח האמבט, ריכוזי החומצה, טמפרטורות ההתחלה והיעד, זמן החימום הנדרש, לחץ הקיטור הזמין וממדי המיכל.
