U-ценность, важность
Общий коэффициент теплопередачи-U-значение-определяет, сколько тепла теплообменник из ПТФЭ передает на квадратный метр на градус разницы температур. Неточная оценка значения U- приводит к неправильному размеру теплообменника. Змеевик либо слишком мал для обеспечения теплового режима, либо слишком велик и дорог.
Оценка значения U- для теплообменников из ПТФЭ отличается от металлических теплообменников в одном важном аспекте: сопротивление стенки трубы является значительным. Для нержавеющей стали сопротивление стенки часто незначительно. Для ПТФЭ, теплопроводность которого в 60 раз ниже, сопротивление стенки является основным компонентом общего значения U-. Игнорирование этого параметра приводит к существенным ошибкам в определении размера.
Для точной оценки значения U-необходимо суммировать три сопротивления последовательно: внутреннюю паровую-пленку, стенку трубы из ПТФЭ и внешнюю технологическую-пленку. Каждый вносит свой вклад в общую сумму. Наибольшее сопротивление доминирует над значением U-.
Три сопротивления последовательно
Общий коэффициент теплопередачи является обратной суммой отдельных сопротивлений. Каждое сопротивление представляет собой барьер, который тепло должно преодолеть.
Внутреннее сопротивление пленки зависит от коэффициента теплопередачи со стороны пара. Для конденсирующегося пара внутри трубы этот коэффициент высок,-обычно составляет 5000–10 000 Вт/м²·К. Сопротивление небольшое, часто менее 10% от общего.
Сопротивление стенки трубки зависит от теплопроводности ПТФЭ и толщины стенки. Для трубок из ПТФЭ со стенкой 1,0 мм и проводимостью 0,25 Вт/м·К сопротивление стенки составляет 0,001/0.25=0.004 м²·К/Вт. Это сопротивление определяется выбором материала и толщиной стенки. Обычно оно составляет 20-40% от общего сопротивления.
Внешнее сопротивление пленки зависит от боковой-боковой конвекции. При вынужденной конвекции со скоростью жидкости по трубкам 0,5-0,8 м/с внешний коэффициент составляет 400-800 Вт/м²·К для водных растворов. Сопротивление составляет 0,00125-0,0025 м²·К/Вт. Часто это самое большое отдельное сопротивление, составляющее 40-60% от общего числа.
Таблица 1. Компоненты расчета значения U- для теплообменника из ПТФЭ (наружный диаметр 10 мм, стенка 1 мм, принудительная конвекция)
| Компонент сопротивления | Коэффициент (Вт/м²·К) | Сопротивление (м²·К/Вт) | % общего сопротивления |
|---|---|---|---|
| Внутренний (конденсирующийся пар) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Стенка трубы из ПТФЭ (1,0 мм) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Внешний (принудительная конвекция, 0,6 м/с) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Допуск на загрязнение (чистая услуга) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Общая ценность U- | 167 | 0.006 | 100% |
Расчет для водного раствора кислоты при температуре 60 градусов и скорости поперечного потока 0,6 м/с. Припуск на загрязнение для изначально чистой поверхности ПТФЭ. Фактическое значение поля U- ухудшается по мере накопления загрязнения.
Влияние вынужденной конвекции на значение U-
Вынужденная конвекция увеличивает коэффициент внешней теплопередачи, уменьшая внешнее сопротивление пленки. Это улучшает общее значение U-. Но улучшение имеет пределы, поскольку сопротивление стенки ПТФЭ фиксировано и существенно.
Удвоение скорости жидкости с 0,3 м/с до 0,6 м/с увеличивает внешний коэффициент примерно с 350 до 600 Вт/м²·К. Общее значение U-увеличивается со 145 до 167 Вт/м²·К-всего на 15 %. Дальнейшее увеличение скорости дает уменьшающуюся отдачу, поскольку сопротивление фиксированной стенки становится доминирующим.
Такое поведение отличается от металлических теплообменников, где увеличение скорости может значительно улучшить значение U-, поскольку сопротивление стенки незначительно. Для теплообменников из ПТФЭ сопротивление стенки устанавливает потолок достижимого значения U- независимо от условий потока.
Измерение поля или расчет
Рассчитанные значения U- представляют собой расчетную оценку проекта. Полевые измерения подтверждают фактическую производительность. Значение поля U- определяется путем измерения теплового режима (по расходу и изменению температуры с обеих сторон) и деления на известную площадь поверхности и измеренное значение LMTD.
Значение поля U-значительно ниже расчетной оценки указывает на засорение, затопление конденсатом или неравномерное распределение потока. Регулярное отслеживание тенденций значений U- обеспечивает раннее предупреждение о развивающихся проблемах до того, как они повлияют на производство.
Для новых теплообменников из ПТФЭ базовое значение U-должно быть установлено во время ввода в эксплуатацию. Этот базовый уровень станет эталоном для всех будущих сравнений производительности.
Краткое содержание
Оценка значения U- теплообменника из ПТФЭ суммирует сопротивления внутренней пленки, стенки трубы и внешней пленки. Сопротивление стенки ПТФЭ, зависящее от проводимости материала и его толщины, составляет значительную часть от общего значения, -обычно 30-45 %. Это сопротивление стенки ограничивает максимально достижимое значение U независимо от улучшения потока.
Принудительная конвекция улучшает коэффициент внешней пленки, но дает уменьшающуюся отдачу, поскольку преобладает сопротивление стенок. Рассчитанные значения U-должны быть проверены путем измерения на месте и проанализированы с течением времени для выявления загрязнения или других ухудшений.
Технический анализ расчета значения U- теплообменника из ПТФЭ в конкретных технологических условиях доступен после предоставления данных о свойствах жидкости, скорости потока, характеристиках трубок, условиях пара и рабочей температуре.
