ה-LMTD שמגדיר את חובת הקירור
קו אנודיז קשיח מסוג III הפועל ב-2 מעלות דורש מחליף חום כדי להסיר 50 קילוואט של חום תגובה. אספקת המים המצוננים היא ב-2 מעלות, והחזרה היא ב-2 מעלות. נוזל התהליך נכנס למחליף החום ב-4 מעלות ויוצא ב-2 מעלות.
עבור סידור זרימה נגדית-, הפרשי הטמפרטורות בשני הקצוות הם: קצה חם (כניסת תהליך 4 מעלות - יציאת מים קרים 2 מעלות)=2 מעלות, וקצה קר (יציאת תהליך 2 מעלות - כניסת מים קרים −2 מעלות)=4 מעלות. ה-LMTD מחושב משני הערכים הללו והוא בערך 2.9 מעלות.
LMTD של 2.9 מעלות הוא קטן מאוד. עבור מחליף חום עם מקדם כולל של 200 W/m²·K ועומס חום של 50 קילוואט, שטח הפנים הנדרש הוא 86 מ”ר. זהו מחליף חום גדול מאוד, ועלות ההון היא משמעותית.
ה-LMTD הקטן הוא המגבלה המגדירה של קירור אנודיזציה קשה. מחליף החום חייב להיות גדול מספיק כדי להעביר את החום על פני הפרש הטמפרטורה הקטן, ודרישת שטח הפנים מניעה את עלות ההון ואת טביעת הרגל.
מדוע ה-LMTD קטן בשירות האנודיזציה
ה-LMTD קטן בשירות האנודיז משלוש סיבות.
ראשית, טמפרטורת התהליך נמוכה. אילגון קשיח מסוג III פועל ב-0-5 מעלות, ואנודיז גופרתי מסוג II פועל ב-20-22 מעלות. טמפרטורת התהליך הנמוכה מגבילה את הפרש הטמפרטורה בין התהליך למים הצוננים.
שנית, טמפרטורת אספקת המים המצוננים מוגבלת על ידי מערכת הקירור. אספקת מים צוננים טיפוסית היא ב-5-7 מעלות עבור אילגון סוג II וב-5 עד 0 מעלות עבור אילגון קשה מסוג III. לא ניתן להפחית את טמפרטורת האספקה ללא הגבלת זמן מכיוון שיעילות מערכת הקירור יורדת והסיכון להקפאה עולה.
שלישית, סבילות טמפרטורת התהליך היא הדוקה. קצב תגובת האנודיז ותכונות הציפוי תלויים בטמפרטורה, והסבילות היא בדרך כלל ±1 מעלות. הסבילות ההדוקה מגבילה את עליית הטמפרטורה של נוזל התהליך על פני מחליף החום, מה שמפחית את ה-LMTD.
ה-LMTD באנודיזציה של חומצה גופרתית מסוג II
אילגון חומצה גופרתית מסוג II פועל ב-20-22 מעלות עם סובלנות של ±1 מעלות. אספקת המים המצוננים היא בדרך כלל ב-10-12 מעלות, והחזרה היא ב-15-17 מעלות. נוזל התהליך נכנס למחליף החום ב-22 מעלות ויוצא ב-20 מעלות.
עבור סידור זרימה נגדית, הפרשי הטמפרטורות בשני הקצוות הם: קצה חם (כניסת תהליך 22 מעלות - יציאת מים קרים 17 מעלות)=5 מעלות, וקצה קר (יציאת תהליך 20 מעלות - כניסת מים קרים 10 מעלות)=10 מעלות. ה-LMTD הוא בערך 7.2 מעלות.
ה-LMTD של 7.2 מעלות גדול יותר ממארז האנודיז הקשיח אך עדיין קטן בהשוואה ליישומי מחליף חום טיפוסיים. עבור מחליף חום עם מקדם כולל של 200 W/m²·K ועומס חום של 50 קילוואט, שטח הפנים הנדרש הוא 35 מ"ר.
ה-LMTD באנודיזציה קשה מסוג III
אילגון קשיח מסוג III פועל ב-0-5 מעלות עם סובלנות של ±0.5 מעלות. אספקת המים המצוננים היא בדרך כלל ב-5 עד 0 מעלות, והחזרה היא ב-0-3 מעלות. נוזל התהליך נכנס למחליף החום ב-4 מעלות ויוצא ב-2 מעלות.
עבור סידור זרימה נגדית, הפרשי הטמפרטורות בשני הקצוות הם: קצה חם (כניסת תהליך 4 מעלות - יציאת מים קרים 3 מעלות)=1 מעלות, וקצה קר (יציאת תהליך 2 מעלות - כניסת מים קרים −5 מעלות)=7 מעלות. ה-LMTD הוא בערך 3.2 מעלות.
LMTD של 3.2 מעלות הוא קטן מאוד. עבור מחליף חום עם מקדם כולל של 200 W/m²·K ועומס חום של 50 קילוואט, שטח הפנים הנדרש הוא 78 מ”ר.
השפעת הסדר הזרימה על LMTD
סידור הזרימה משפיע על ה-LMTD. סידור זרימה נגדית- מספק את ה-LMTD הגדול ביותר עבור סט נתון של טמפרטורות כניסה ויציאה. סידור זרימה מקביל- מספק את ה-LMTD הקטן ביותר. סידור זרימה צולב- מספק LMTD ביניים.
עבור שירות אנודיז, סידור הזרימה נגד-מועדף מכיוון שהוא ממקסם את ה-LMTD וממזער את שטח הפנים הנדרש. סידור הזרימה הנגדית- חשוב במיוחד בשירות אילגון קשיח, שבו ה-LMTD קטן מאוד ודרישת שטח הפנים גבוהה.
השוואת ערכי LMTD עבור תנאי אנודיזציה שונים
הטבלה הבאה מסכמת את ה-LMTD ואת שטח הפנים הנדרש עבור תנאי אילגון שונים עם עומס חום של 50 קילוואט ומקדם כולל של 200 ואט/מ²·K.
| סוג אנודיז | טמפרטורת תהליך | אספקת מים צוננים | החזרת מים צוננים | תהליך ΔT | LMTD | שטח פנים נדרש |
|---|---|---|---|---|---|---|
| סוג II, עומס נמוך | 22 מעלות | 12 מעלות | 16 מעלות | תואר אחד | 8.5 מעלות | 29 m² |
| סוג II, עומס בינוני | 22 מעלות | 10 מעלות | 15 מעלות | 2 מעלות | 7.2 מעלות | 35 m² |
| סוג II, עומס גבוה | 22 מעלות | 8 מעלות | 14 מעלות | 3 מעלות | 6.1 מעלות | 41 m² |
| סוג III, עומס נמוך | 4 מעלות | 0 מעלות | 2 מעלות | תואר אחד | 3.5 מעלות | 71 m² |
| סוג III, עומס בינוני | 4 מעלות | -2 מעלות | 2 מעלות | 2 מעלות | 2.9 מעלות | 86 m² |
| סוג III, עומס גבוה | 4 מעלות | -5 מעלות | 2 מעלות | 3 מעלות | 2.4 מעלות | 104 m² |
| סוג III, עומס גבוה מאוד | 4 מעלות | -8 מעלות | 2 מעלות | 4 מעלות | 2.0 מעלות | 125 m² |
ערכי שטח הפנים הנדרשים מניחים סידור זרימה נגדית- ומקדם העברת חום כולל של 200 W/m²·K. שטח הפנים בפועל יהיה תלוי בחומר הצינור, בעובי הדופן ובמהירות הזרימה.
הגבולות המעשיים של LMTD בשירות אנודיזציה
הגבולות המעשיים של LMTD בשירות אנודיזציה נקבעות על ידי ה-החלפה בין גודל מחליף החום לעלות הקירור. LMTD קטן יותר דורש מחליף חום גדול יותר אך מאפשר טמפרטורת אספקת מים מצוננים גבוהה יותר, מה שמפחית את עלות הקירור. LMTD גדול יותר מאפשר מחליף חום קטן יותר אך דורש טמפרטורת אספקת מים צוננים נמוכה יותר, מה שמגדיל את עלות הקירור.
עבור אילגון חומצה גופרתית מסוג II, טווח ה-LMTD המעשי הוא 6-10 מעלות. מתחת ל-6 מעלות, מחליף החום הופך לגדול באופן בלתי מעשי. מעל 10 מעלות, טמפרטורת אספקת המים הצוננים הופכת גבוהה מדי כדי לספק קירור נאות.
עבור אילגון קשיח מסוג III, טווח ה-LMTD המעשי הוא 2-5 מעלות. מתחת ל-2 מעלות, מחליף החום הופך לגדול באופן בלתי מעשי. מעל 5 מעלות, טמפרטורת אספקת המים הצוננים הופכת גבוהה מדי כדי לשמור על טמפרטורת התהליך.
תכונות עיצוב המאפשרות LMTD קטן יותר
מספר תכונות עיצוב מאפשרות LMTD קטן יותר ללא גידול מוגזם בגודל מחליף החום.
חומר צינור מוליכות גבוהה יותר.לתרכובת PTFE מלאה עם מוליכות תרמית של 0.5 W/m·K יש חצי מההתנגדות התרמית של הקיר של PTFE בתולי, מה שמגדיל את מקדם העברת החום הכולל ומקטין את שטח הפנים הנדרש.
קיר צינור דק יותר.קיר דק יותר מפחית את ההתנגדות התרמית ומגדיל את המקדם הכולל. לקיר של 0.5 מ"מ יש חצי מההתנגדות התרמית של קיר בגודל 1.0 מ"מ.
מהירות זרימה גבוהה יותר.מהירות זרימה גבוהה יותר מגדילה את מקדמי הסרט משני צידי דופן הצינור, מה שמגדיל את המקדם הכולל ומקטין את שטח הפנים הנדרש.
משטח צינור משופר.משטח צינור עם סנפירים או חריצים מגדיל את שטח הפנים ליחידת אורך ואת מקדם הסרט, מה שמאפשר LMTD קטן יותר.
הפרש טמפרטורות גדול יותר לאורך התהליך.מתן אפשרות לנוזל התהליך לעלות או לרדת בכמות גדולה יותר על פני מחליף החום מגביר את ה-LMTD. סבילות טמפרטורת התהליך מגבילה את שינוי הטמפרטורה המותר.
תצורת מחליף חום מפוצלת.חלוקת עומס החום בין שני מחליפי חום קטנים יותר מאפשרת לכל יחידה לפעול ב-LMTD קטן יותר ללא קנס מקום של יחידה גדולה אחת.
פרמטרי מפרט עבור שירות אנודיז
מהנדסי ציוד המציינים מחליף חום PTFE לשירות אילגון צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
סוג אנודיז.ציין אילגון מסוג II או Type III ואת טמפרטורת התהליך.
סובלנות לטמפרטורת תהליך.ציין את שינוי הטמפרטורה המותר באמבט התהליך.
טמפרטורת אספקת מים צוננים.ציין את טמפרטורת אספקת המים הצוננים ואת קצב הזרימה הזמין.
טמפרטורת החזרת מים צוננים.ציין את טמפרטורת החזרת המים המצוננים המרבית המותרת.
עומס חום.ציין את עומס החום ואת הטווח הצפוי.
LMTD.ציין את ה-LMTD בהתבסס על התהליך וטמפרטורות המים הצוננים.
שטח פנים.ציין את שטח הפנים הנדרש לעומס החום ול-LMTD.
חומר צינור.ציין את חומר הצינור בהתבסס על המקדם הכולל הנדרש וטמפרטורת הקיר.
סידור זרימה.ציין את סידור הזרימה. זרימה נגדית-מועדפת עבור LMTD מקסימלי.
התאמת LMTD לדרישות תהליך האנודיזציה
ה-LMTD קובע את שטח הפנים הנדרש ואת ההיתכנות של חובת הקירור במחליף חום PTFE לשירות אנודיז. LMTD קטן יותר דורש מחליף חום גדול יותר אך מאפשר טמפרטורת אספקת מים צוננים גבוהה יותר ועלות קירור נמוכה יותר. LMTD גדול יותר מאפשר מחליף חום קטן יותר אך דורש טמפרטורת אספקת מים צוננים נמוכה יותר ועלות קירור גבוהה יותר.
יש לבחור את ה-LMTD על סמך טמפרטורת התהליך, טמפרטורת אספקת המים הצוננים, עומס החום ומגבלות החלל. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם חישוב העברת החום ונתוני העלות מספק את המידע הדרוש לבחירת ה-LMTD האופטימלי.
עבור קווי אילגון להערכת אפשרויות מחליף חום PTFE, יש לציין את ה-LMTD במסמכי הרכש ולאמת בעת ההפעלה. תצורת ברירת המחדל שסופק על ידי היצרן עשויה להיות מותאמת לקומפקטיות ולא ליעילות אנרגטית, וייתכן שה-LMTD המתקבל לא יתאים לדרישות התהליך בפועל.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום PTFE עבור אילגון או שירות קירור אחר בטמפרטורה-נמוכה יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה את סוג האנודיזה, טמפרטורת התהליך, טמפרטורת אספקת המים הצוננים, עומס החום, LMTD ושטח הפנים כדי לוודא שהיחידה מתאימה לדרישות התהליך ולמבנה העלויות בפועל של המתקן.
