Вопрос о размерах
Ванна для травления титана содержит 10% HF и 15% HNO₃ при рабочей температуре 55 градусов. Объем ванны – 4500 литров. Нагрев от температуры окружающей среды 20 градусов должен быть завершен в течение 90 минут. Доступным теплоносителем является насыщенный пар с давлением 3 бар (изб.).
Вопрос, стоящий перед инженером-технологом: какая площадь поверхности теплообменника из ПТФЭ обеспечивает такую производительность? Недостаточный размер означает, что ванна никогда не достигает температуры в течение необходимого времени. Превышение габаритов приводит к потере капитала и чрезмерному объему резервуара. Правильный ответ дает методический расчет тепловой нагрузки.
Нагрев-Нагрузка в сравнении с рабочей нагрузкой
Две различные тепловые функции определяют площадь поверхности ПТФЭ. Нагревательная-нагрузка приводит ванну от температуры окружающей среды к рабочей температуре за указанное время. Рабочая нагрузка поддерживает температуру, предотвращая потери тепла во время-производства в установившемся режиме.
Нагревательная-нагрузка рассчитывается на основе массы ванны, удельной теплоемкости, повышения температуры и времени. Для 4500 литров водного раствора кислоты с теплоемкостью около 3,8 кДж/кг·К и плотностью 1100 кг/м³ масса равна 4950 кг. Повышение температуры от 20 градусов до 55 градусов составляет 35 градусов. Общая необходимая энергия составляет 4950 × 3,8 × 35=658350 кДж. При доставке в течение 90 минут средняя мощность-нагрева составляет 122 кВт.
Эксплуатационная нагрузка учитывает потери тепла с поверхности резервуара, стенок и вентиляционных вытяжек. Хорошо -изолированный резервуар объемом 4500-литров при температуре 55 градусов и температуре окружающей среды 20 градусов обычно теряет 15–25 кВт в зависимости от площади поверхности и движения воздуха. Если консервативно предположить, что мощность составляет 25 кВт, то теплообменник из ПТФЭ должен выдавать 122 кВт во время нагрева и 25 кВт во время устойчивой работы.
Нагревательная-нагрузка доминирует над размером. Змеевик должен выдавать 122 кВт в конце периода нагрева-, когда LMTD наименьшая-ванна около 55 градусов, пар при 143 градусах, перепад температур примерно 88 градусов.
Таблица 1. Размеры теплообменника из ПТФЭ для ванны травления титана
| Параметр | Ценить | Единица |
|---|---|---|
| Объем ванны | 4,500 | L |
| Масса для ванны | 4,950 | кг |
| Начальная температура | 20 | степень |
| Целевая температура | 55 | степень |
| Требуемое время-разогрева | 90 | мин |
| Режим обогрева- | 122 | кВт |
| Эксплуатационная обязанность | 25 | кВт |
| Температура насыщения пара (3 бар изб.) | 143 | степень |
| LMTD в конце разогрева-вверх | 88 | степень |
| Расчетное значение U-(тонкостенный-ПТФЭ) | 280 | W/m²·K |
| Расчетная площадь поверхности | 5.0 | m² |
| Рекомендуемая площадь с маржой 15% | 5.8 | m² |
В расчетах используется Q=U × A × LMTD. Значение U- учитывает проводимость стенки ПТФЭ и сопротивление пограничного слоя при умеренном перемешивании.
Фактор совместимости материалов HF
Ванны травления титана содержат HF, что исключает из рассмотрения металлические материалы теплообменников. Титан растворяется в HF. Нержавеющая сталь быстро корродирует. Ограничения по материалу вынуждают выбирать фторполимер.
ПТФЭ химически инертен в смесях HF-HNO₃ при всех концентрациях и температурах до 260 градусов. Расчет размеров ПТФЭ следует тем же уравнениям теплопередачи, что и для любого материала. Разница заключается в значении U-, которое для тонко-трубок из ПТФЭ составляет примерно 280 Вт/м²·К по сравнению с 800–1200 для чистой нержавеющей стали.
Более низкое значение U- означает, что ПТФЭ требует пропорционально большей площади поверхности для той же тепловой нагрузки. Это компромисс по материалу-: большая площадь катушки в обмен на постоянную ВЧ-совместимость. Рассчитанные 5,8 квадратных метра могут составлять 3,5-4,5 квадратных метра для гипотетического металла, устойчивого к ВЧ, но такого металла не существует.
Конфигурация расчетной области
Площадь поверхности 5,8 квадратных метров соответствует определенной конфигурации трубок. При использовании трубок из ПТФЭ с внешним диаметром 10 мм каждый погонный метр обеспечивает площадь поверхности 0,0314 м². Общая требуемая длина трубки составляет 5,8 / 0.0314=185 метров.
Эта длина организована в виде многопроходной сетки. Решетка шириной 10-труб-и глубиной 19-трубок-с использованием трубок длиной 1 метр обеспечивает общую длину 190 метров и площадь поверхности 5,97 м², что близко к расчетным требованиям. Сетка занимает площадь дна резервуара примерно 1,0 × 0,5 метра, что приемлемо для резервуара емкостью 4500 литров.
Для распределения пара по нескольким проходам труб требуются коллекторы правильного размера. Удаление конденсата из самой нижней точки каждого прохода предотвращает затопление, которое уменьшает полезную площадь. Эти детали гидравлического расчета так же важны, как и тепловой расчет.
Краткое содержание
Площадь поверхности теплообменника из ПТФЭ для нагрева ванны травления титана определяется мощностью нагрева-, которая обычно превышает рабочую мощность в 3-5 раз. В расчетах используются стандартные уравнения теплопередачи со значениями U-, характерными для тонкостенных трубок из ПТФЭ.
Полученная область с запасом прочности 15 % преобразуется в практичную конфигурацию трубчатой решетки, которая помещается в технологический резервуар. Химическая совместимость HF является неотъемлемой частью выбора материала ПТФЭ и не требует дополнительных конструктивных допусков.
Для операций травления титана, требующих определения размера теплообменника из ПТФЭ, технический анализ доступен после предоставления данных об объеме ванны, концентрации кислоты, начальной и целевой температурах, требуемом времени нагрева-, доступном давлении пара и размерах резервуара.
