הקירור המשנה שמשנה את משטר העברת החום
מתקן לעיבוד כימי המפעיל מחליף חום PTFE עם קיטור ב-6 בר (טמפרטורה רוויה 165 מעלות) מדווח כי תפוקת החום נמוכה מערך התכנון וצריכת הקיטור גבוהה מהצפוי. הקונדנסט יוצא ב-163 מעלות, מה שמצביע על 2 דרגות של תת-קירור.
מחליף החום מיועד לעומס חום של 80 קילוואט עם מקדם סרט קיטור מתעבה של 5,000 W/m²·K. תפוקת החום בפועל היא 68 קילוואט, שהם 15% מתחת לערך התכנון. צריכת הקיטור גבוהה ב-15% מהצפוי.
הבעיה היא תת-קירור הקונדנסט. התת-קירור הנמוך פירושו שהעיבוי יוצא כמעט בטמפרטורת הרוויה, וסרט הקונדנסט על פני הצינור עבה. הסרט העבה מוסיף התנגדות תרמית שמקטינה את מקדם העברת החום ואת תפוקת החום.
הגדלת הקירור המשנה ל-8-12 מעלות תדלדל את סרט הקונדנסט, תגדיל את מקדם העברת החום ותחזיר את תפוקת החום לערך התכנון. תת-קירור גבוה יותר יפחית גם את צריכת הקיטור מכיוון שדרוש פחות קיטור עבור אותו עומס חום.
מדוע תת-קירור מדלל את סרט הקונדנסט
סרט הקונדנסט על פני הצינור הוא שכבת הנוזל שנוצרת כאשר הקיטור מתעבה. עובי הסרט תלוי בקצב העיבוי, צמיגות הקונדנסט וקצב הניקוז.
כאשר הקונדנסט מקורר משנה, שכבת הנוזל על פני הצינור נמצאת בטמפרטורה נמוכה יותר מאשר הקיטור הרווי. הטמפרטורה הנמוכה מגבירה את הצמיגות ואת מתח הפנים של העיבוי, מה שמקדם ניקוז ומפחית את עובי הסרט. לסרט הדק יותר התנגדות תרמית נמוכה יותר ומקדם העברת חום גבוה יותר.
השפעת תת-קירור על עובי הסרט היא צנועה בקירור משנה נמוך אך הופכת משמעותית בקירור משנה גבוה יותר. עבור תת-קירור של 10 מעלות, עובי הסרט יכול להיות דק יותר ב-20-30% מאשר עבור תת-קירור אפס, ומקדם העברת החום יכול להיות גבוה ב-15-25%.
טווח תת-קירור אופטימלי
טווח התת-קירור האופטימלי עבור מחליף חום PTFE בשירותי קיטור נקבע על ידי המסחר- בין היתרון בהעברת החום לבין אובדן החום הגיוני בקונדנסט.
תועלת העברת החום גדלה עם תת-קירור מכיוון שסרט הקונדנסט מתדלדל ומקדם העברת החום גדל. איבוד החום ההגיוני גדל עם תת-קירור מכיוון שהעיבוי נושא יותר חום שיכול היה לשמש לחימום נוזל התהליך.
עבור מחליף חום PTFE עם מקדם סרט קיטור מתעבה של 5,000 W/m²·K ומקדם סרט צד של תהליך- של 1,000 W/m²·K, תת הקירור האופטימלי הוא בדרך כלל 8-12 מעלות. מתחת ל-8 מעלות, הסרט עבה ומקדם העברת החום נמוך. מעל 12 מעלות, אובדן החום ההגיוני עולה על התועלת בהעברת החום.
תת הקירור האופטימלי גבוה יותר עבור מחליפי חום בעלי מקדם עיבוי גבוה ונמוך יותר עבור מחליפי חום עם מקדם עיבוי נמוך. הערך האופטימלי תלוי גם בלחץ הקיטור ובטמפרטורת התהליך.
השפעת תת-קירור על צריכת קיטור
צריכת הקיטור נקבעת לפי עומס החום והחום הסמוי של הקיטור. החום הסמוי משתחרר כאשר האדים מתעבים בטמפרטורת הרוויה. החום ההגיוני משתחרר כאשר הקונדנסט מתקרר מתחת לטמפרטורת הרוויה.
עבור קיטור ב-6 בר עם חום סמוי של 2,085 קילו-ג'יי/ק"ג וחום סגולי של 4.2 קיל"ג/ק"ג·K, החום הרגיש המשתחרר ב-10 מעלות תת-קירור הוא 42 קילו-ג'יי/ק"ג, שהם כ-2% מהחום הסמוי. סך החום המשתחרר לק"ג קיטור הוא 2,127 קילו-ג'יי/ק"ג, שהם 2% יותר מהחום הסמוי בלבד.
שחרור החום הנוסף מפחית את צריכת הקיטור בכ-2% עבור 10 מעלות של קירור משנה. ההפחתה קטנה במונחים אבסולוטיים אך הופכת להיות משמעותית במשך שנה של פעילות רציפה.
הפחתת צריכת הקיטור גדולה יותר אם תת הקירור מאפשר מקדם העברת חום גבוה יותר וטמפרטורת קיטור נמוכה יותר. טמפרטורת קיטור נמוכה יותר מפחיתה את איבוד החום מצנרת הקיטור וממעטפת מחליף החום.
השפעת הקירור המשנה על טמפרטורת קיר הצינור
הקירור המשנה משפיע על טמפרטורת דופן הצינור דרך עובי סרט הקונדנסט. לסרט דק יותר יש התנגדות תרמית נמוכה יותר, מה שמפחית את הפרש הטמפרטורה בין הקיטור לדופן הצינור עבור שטף חום נתון.
טמפרטורת דופן הצינור התחתונה מפחיתה את קצב הפירוק של ה-PTFE ומאריכה את חיי השירות של מחליף החום. ההשפעה קטנה בתת קירור נמוך אך הופכת משמעותית בתת קירור גבוה יותר.
עבור שטף חום של 2.0 W/cm² ומקדם עיבוי של 5,000 W/m²·K, הפרש הטמפרטורה על פני סרט הקונדנסט הוא 4 מעלות עם אפס תת-קירור ו-3 מעלות עם תת-קירור של 10 מעלות. הפחתה של מעלה אחת בהפרש הטמפרטורה מפחיתה את טמפרטורת דופן הצינור במעלה אחת, מה שמאריך את חיי השירות בכ-5%.
כימת אפקט התת-קירור
הטבלה הבאה מסכמת את מקדם העברת החום, תפוקת החום וצריכת הקיטור עבור רמות תת-קירור שונות במחליף חום PTFE עם קיטור ב-6 בר וטמפרטורת תהליך של 80 מעלות.
| תת-קירור | עובי סרט קונדנסט | מקדם עיבוי | מקדם כולל | פלט חום | צריכת קיטור | טמפרטורת קיר הצינור |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 מעלות | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 קילוואט | 100% | 168 מעלות |
| 2 מעלות | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 קילוואט | 99% | 167 מעלות |
| 5 מעלות | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 קילוואט | 97% | 166 מעלות |
| 8 מעלות | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76 קילוואט | 95% | 165 מעלות |
| 10 מעלות | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 קילוואט | 94% | 164 מעלות |
| 12 מעלות | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 קילוואט | 93% | 163 מעלות |
| 15 מעלות | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82 קילוואט | 92% | 162 מעלות |
| 20 מעלות | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 קילוואט | 90% | 161 מעלות |
ערכי תפוקת החום וצריכת הקיטור מנורמלים למקרה תת-קירור אפס. טמפרטורת דופן הצינור היא הטמפרטורה של משטח הצינור במגע עם הקיטור.
הגבולות המעשיים של תת-קירור
הגבולות המעשיים של תת-קירור נקבעים על ידי עיצוב מחליף החום וביצועי מלכודת הקיטור.
אזור מחליף חום.שטח מחליף חום גדול יותר מאפשר תת-קירור רב יותר מכיוון שלעיבוי יש יותר זמן להתקרר. שטח קטן יותר מגביל את תת הקירור.
ניקוז עיבוי.הקונדנסט חייב להתנקז בחופשיות ממחליף החום כדי לאפשר לקירור המשנה להתפתח. מחליף חום מרוקן גרוע יש תת-קירור נמוך.
מלכודת קיטור.מלכודת הקיטור חייבת להיות מסוגלת לפרוק את הקונדנסט שמקורר משנה. מלכודת בגודל של עיבוי רווי עלולה שלא לפרוק את הקונדנסט המקורר תתת כראוי.
טמפרטורת תהליך.תת הקירור מוגבל על ידי טמפרטורת התהליך. לא ניתן לקרר את הקונדנסט מתחת לטמפרטורת התהליך.
לחץ קיטור.תת הקירור מוגבל על ידי לחץ הקיטור. לחץ קיטור גבוה יותר מספק יותר פוטנציאל תת-קירור מכיוון שטמפרטורת הרוויה גבוהה יותר.
תכונות עיצוב המקדמות קירור משנה
מספר תכונות עיצוב מקדמות קירור משנה במחליף חום PTFE.
סעיף תת-קירור עיבוי.מקטע תת-קירור נפרד ביציאת הקונדנסט מאפשר לקירור הקונדנסט מתחת לטמפרטורת הרוויה. קטע תת-קירור הוא אזור העברת חום קטן החשוף לנוזל התהליך.
ניקוז כוח הכבידה.מחליף חום המותקן בשיפוע מתמשך כלפי מטה מאפשר לעיבוי להתנקז בחופשיות ולהתקרר כשהוא זורם לכיוון היציאה.
מהירות קיטור נמוכה.מהירות קיטור נמוכה מפחיתה את ספיגת הקונדנסט ומאפשרת לניקוז ולקרר את הקונדנסט.
גודל נכון של מלכודת קיטור.מלכודת קיטור המותאמת לזרימת הקונדנסט המקורר משנה מאפשרת לעיבוי לצאת מבלי להבהב.
בִּדוּד.בידוד צנרת הקיטור ומעטפת מחליף החום מפחית את אובדן החום ומאפשר לעיבוי להתקרר בהדרגה.
השוואת יעדי קירור משנה עבור יישומים שונים
הטבלה הבאה מסכמת את יעד הקירור המומלץ עבור יישומי חימום בקיטור שונים עם מחליף חום PTFE.
| בַּקָשָׁה | לחץ קיטור | טמפרטורת תהליך | תת-קירור מומלץ | שיפור תפוקת חום | הפחתת צריכת קיטור |
|---|---|---|---|---|---|
| ציפוי חימום אמבטיה | 4 בר | 60 מעלות | 8-10 מעלות | 10–12% | 4–5% |
| חימום כור כימי | 6 בר | 80 מעלות | 10-12 מעלות | 12–15% | 5–7% |
| חימום מכונת צביעה | 8 בר | 130 מעלות | 6-8 מעלות | 8–10% | 3–4% |
| חימום אמבטיה אנודיז | 4 בר | 20 מעלות | 12-15 מעלות | 15–18% | 6–8% |
| חימום מאייד | 10 בר | 150 מעלות | 5-7 מעלות | 6–8% | 2–3% |
| שירות עיקור | 3 בר | 121 מעלות | 10-12 מעלות | 12–15% | 5–7% |
שיפור תפוקת החום והפחתת צריכת הקיטור הם ביחס למקרה תת-קירור אפס. יעדי התת-קירור המומלצים מבוססים על האיזון האופטימלי בין תועלת העברת החום לבין איבוד החום ההגיוני.
פרמטרי מפרט לבקרת תת-קירור
מהנדסי ציוד המציינים מחליף חום PTFE לשירות חימום בקיטור צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
לחץ קיטור.ציין את לחץ אספקת הקיטור ואת טמפרטורת הרוויה.
טמפרטורת תהליך.ציין את טמפרטורת נוזל התהליך ואת טמפרטורת הגישה.
עומס חום.ציין את עומס החום ואת הטווח הצפוי.
יעד קירור משנה.ציין את יעד הקירור המומלץ בהתבסס על לחץ הקיטור וטמפרטורת התהליך.
ניקוז עיבוי.ציין את כיוון מחליף החום ואת נתיב הניקוז.
מלכודת קיטור.ציין את סוג מלכודת הקיטור ואת קריטריוני הגודל של הקונדנסט המקורר משנה.
סעיף תת-קירור עיבוי.ציין אם מסופק מקטע קירור משנה נפרד.
ניטור טמפרטורה.ציין את חיישני הטמפרטורה ואת שיטת הניטור למעקב אחר הקירור המשנה.
התאמת תת-קירור לתנאי חימום בקיטור
תת-קירור מעובה משפיע על מקדם העברת החום, תפוקת החום וצריכת הקיטור במחליף חום PTFE לשירות חימום בקיטור. תת-קירור של 8-12 מעלות הוא אופטימלי עבור רוב היישומים. תת-קירור גבוה יותר מדלל את סרט הקונדנסט, מגדיל את מקדם העברת החום ומפחית את צריכת הקיטור.
יש לשלוט בקירור המשנה באמצעות עיצוב מחליף החום ובחירת מלכודת הקיטור. מקטע קירור משנה נפרד ומלכודת קיטור בגודל מתאים מאפשרים לקירור המשנה להתפתח מבלי לפגוע בניקוז הקונדנסט.
עבור מתקני חימום בקיטור המעריכים אפשרויות מחליף חום PTFE, יש לציין את יעד הקירור המשנה במסמכי הרכש ולאמת בעת ההפעלה. ייתכן שתצורת ברירת המחדל שסופקה על ידי היצרן לא תכלול הוראות לקירור משנה, ותפוקת החום המתקבלת עשויה להיות נמוכה מהצפוי.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום PTFE עבור חימום קיטור או שירות עיבוי אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה לחץ קיטור, טמפרטורת תהליך, עומס חום, יעד קירור משנה, ניקוז עיבוי ובחירת מלכודת קיטור כדי לוודא שהיחידה מותאמת לתנאי הקיטור ולמבנה עלות התפעול בפועל של המתקן.
