LMTD, определяющий режим охлаждения
Линия твердого анодирования типа III, работающая при температуре 2 градуса, требует теплообменника для отвода 50 кВт тепла реакции. Подача охлажденной воды имеет температуру −2 градуса, обратка — 2 градуса. Технологическая жидкость поступает в теплообменник при температуре 4 градуса и выходит при температуре 2 градуса.
Для противоточной-системы разница температур на двух концах составляет: горячий конец (технологический вход 4 градуса - выход охлажденной воды 2 градуса)=2 градус и холодный конец (технологический выход 2 градуса - вход охлажденной воды -2 градуса)=4 градус. LMTD рассчитывается на основе этих двух значений и составляет примерно 2,9 градуса.
LMTD 2,9 градуса очень мал. Для теплообменника с общим коэффициентом 200 Вт/м²·К и тепловой нагрузкой 50 кВт необходимая площадь поверхности составляет 86 м². Это очень большой теплообменник, и капитальные затраты значительны.
Небольшой LMTD является определяющим ограничением охлаждения при жестком анодировании. Теплообменник должен быть достаточно большим, чтобы передавать тепло при небольшой разнице температур, а требования к площади поверхности определяют капитальные затраты и занимаемую площадь.
Почему LMTD невелик в сфере анодирования
Компания LMTD не имеет большого объема услуг по анодированию по трем причинам.
Во-первых, температура процесса низкая. Твердое анодирование типа III работает при температуре 0–5 градусов, а серное анодирование типа II — при 20–22 градусах. Низкая температура процесса ограничивает разницу температур между процессом и охлажденной водой.
Во-вторых, температура подачи охлажденной воды ограничена системой охлаждения. Типичная подача охлажденной воды имеет температуру 5–7 градусов для анодирования типа II и от -5 до 0 градусов для жесткого анодирования типа III. Температуру подачи нельзя снижать бесконечно, поскольку снижается эффективность холодильной системы и увеличивается риск замерзания.
В-третьих, строгий температурный допуск процесса. Скорость реакции анодирования и свойства покрытия зависят от температуры, а допуск обычно составляет ± 1 градус. Жесткий допуск ограничивает повышение температуры технологической жидкости в теплообменнике, что снижает LMTD.
LMTD при анодировании серной кислотой типа II
Анодирование серной кислотой типа II осуществляется при температуре 20–22 градуса с допуском ± 1 градус. Подача охлажденной воды обычно имеет температуру 10–12 градусов, а обратка — 15–17 градусов. Технологическая жидкость поступает в теплообменник при температуре 22 градуса и выходит при температуре 20 градусов.
Для противоточной-системы разность температур на двух концах составляет: горячий конец (вход процесса 22 градуса - выход охлажденной воды 17 градусов)=5 градусов и холодный конец (выход процесса 20 градусов - вход охлажденной воды 10 градусов)=10 градусов. LMTD составляет примерно 7,2 градуса.
LMTD, составляющий 7,2 градуса, больше, чем у корпуса с твердым анодированием, но все же мал по сравнению с типичными теплообменниками. Для теплообменника с общим коэффициентом 200 Вт/м²·К и тепловой нагрузкой 50 кВт необходимая площадь поверхности составляет 35 м².
LMTD при жестком анодировании типа III
Твердое анодирование типа III действует при температуре 0–5 градусов с допуском ±0,5 градуса. Подача охлажденной воды обычно имеет температуру от -5 до 0 градусов, а обратная – 0–3 градуса. Технологическая жидкость поступает в теплообменник при температуре 4 градуса и выходит при температуре 2 градуса.
Для противоточной-системы разность температур на двух концах составляет: горячий конец (вход процесса 4 градуса - выход охлажденной воды 3 градуса)=1 градуса и холодный конец (выход процесса 2 градуса - вход охлажденной воды -5 градусов)=7 градуса. LMTD составляет примерно 3,2 градуса.
LMTD 3,2 градуса очень мал. Для теплообменника с общим коэффициентом 200 Вт/м²·К и тепловой нагрузкой 50 кВт необходимая площадь поверхности составляет 78 м².
Влияние организации потока на LMTD
Организация потока влияет на LMTD. Противоточная-конфигурация обеспечивает наибольшее значение LMTD для заданного набора температур на входе и выходе. Схема параллельного-потока обеспечивает наименьший LMTD. Схема перекрестного-потока обеспечивает промежуточный LMTD.
Для анодирования предпочтительнее использовать противоточную-схему, поскольку она максимизирует LMTD и минимизирует требуемую площадь поверхности. Противоточное-устройство особенно важно при твердом анодировании, где LMTD очень мал, а требования к площади поверхности высоки.
Сравнение значений LMTD для различных условий анодирования
В следующей таблице приведены значения LMTD и необходимая площадь поверхности для различных условий анодирования с тепловой нагрузкой 50 кВт и общим коэффициентом 200 Вт/м²·К.
| Тип анодирования | Температура процесса | Подача охлажденной воды | Возврат охлажденной воды | Процесс ΔТ | ЛМТД | Требуемая площадь поверхности |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Тип II, низкая нагрузка | 22 градуса | 12 градусов | 16 градусов | 1 градус | 8,5 градусов | 29 m² |
| Тип II, умеренная нагрузка | 22 градуса | 10 градусов | 15 градусов | 2 степень | 7,2 градуса | 35 m² |
| Тип II, высокая нагрузка | 22 градуса | 8 градусов | 14 градусов | 3 степень | 6,1 градус | 41 m² |
| Тип III, низкая нагрузка | 4 степень | 0 градусов | 2 степень | 1 градус | 3,5 градуса | 71 m² |
| Тип III, умеренная нагрузка | 4 степень | −2 градуса | 2 степень | 2 степень | 2,9 градуса | 86 m² |
| Тип III, высокая нагрузка | 4 степень | −5 градусов | 2 степень | 3 степень | 2,4 градуса | 104 m² |
| Тип III, очень высокая нагрузка | 4 степень | −8 градусов | 2 степень | 4 степень | 2,0 градуса | 125 m² |
Требуемые значения площади поверхности предполагают противоточную-конфигурацию и общий коэффициент теплопередачи 200 Вт/м²·К. Фактическая площадь поверхности будет зависеть от материала трубки, толщины стенки и скорости потока.
Практические ограничения LMTD в сфере анодирования
Практические ограничения LMTD при анодировании определяются компромиссом-между размером теплообменника и стоимостью охлаждения. Для LMTD меньшего размера требуется теплообменник большего размера, но он обеспечивает более высокую температуру подачи охлажденной воды, что снижает затраты на охлаждение. Более крупный LMTD позволяет использовать теплообменник меньшего размера, но требует более низкой температуры подачи охлажденной воды, что увеличивает стоимость охлаждения.
Для анодирования серной кислотой типа II практический диапазон LMTD составляет 6–10 градусов. При температуре ниже 6 градусов теплообменник становится непрактичным. При температуре выше 10 градусов температура подачи охлажденной воды становится слишком высокой, чтобы обеспечить достаточное охлаждение.
Для твердого анодирования типа III практический диапазон LMTD составляет 2–5 градусов. При температуре ниже 2 градусов теплообменник становится непрактично большим. При температуре выше 5 градусов температура подачи охлажденной воды становится слишком высокой для поддержания температуры процесса.
Конструктивные особенности, позволяющие уменьшить LMTD
Некоторые конструктивные особенности позволяют уменьшить LMTD без чрезмерного увеличения размера теплообменника.
Материал трубки с более высокой проводимостью.Наполненный ПТФЭ с теплопроводностью 0,5 Вт/м·К имеет вдвое меньшее термическое сопротивление стенки, чем исходный ПТФЭ, что увеличивает общий коэффициент теплопередачи и уменьшает требуемую площадь поверхности.
Более тонкая стенка трубы.Более тонкая стенка снижает термическое сопротивление и увеличивает общий коэффициент. Стенка толщиной 0,5 мм имеет вдвое меньшее тепловое сопротивление, чем стена толщиной 1,0 мм.
Более высокая скорость потока.Более высокая скорость потока увеличивает коэффициенты пленки по обе стороны стенки трубы, что увеличивает общий коэффициент и уменьшает требуемую площадь поверхности.
Улучшенная поверхность трубки.Поверхность трубы с ребрами или канавками увеличивает площадь поверхности на единицу длины и коэффициент пленки, что позволяет уменьшить LMTD.
Большая разница температур в процессе.Если технологическая жидкость поднимается или опускается на большую величину через теплообменник, увеличивается LMTD. Допуск температуры процесса ограничивает допустимое изменение температуры.
Конфигурация раздельного теплообменника.Разделение тепловой нагрузки между двумя теплообменниками меньшего размера позволяет каждому блоку работать при меньшем LMTD без потери места, как у одного большого блока.
Параметры спецификации для службы анодирования
Инженеры по оборудованию, выбирающие теплообменник из ПТФЭ для анодирования, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Тип анодирования.Укажите анодирование типа II или типа III и температуру процесса.
Допуск температуры процесса.Укажите допустимое изменение температуры в технологической ванне.
Температура подачи охлажденной воды.Укажите температуру подачи охлажденной воды и доступный расход.
Температура обратной воды охлажденной.Укажите максимально допустимую температуру обратной охлажденной воды.
Тепловая нагрузка.Укажите тепловую нагрузку и ожидаемый диапазон.
ЛМТД.Укажите LMTD на основе температуры технологической и охлажденной воды.
Площадь поверхности.Укажите площадь поверхности, необходимую для тепловой нагрузки и LMTD.
Материал трубки.Укажите материал трубки на основе требуемого общего коэффициента и температуры стенки.
Устройство потока.Укажите схему потока. Встречный поток-предпочтителен для максимального LMTD.
Соответствие LMTD требованиям процесса анодирования
LMTD определяет необходимую площадь поверхности и возможность охлаждения в теплообменнике из ПТФЭ для анодирования. Для LMTD меньшего размера требуется теплообменник большего размера, но он обеспечивает более высокую температуру подачи охлажденной воды и более низкие затраты на охлаждение. Более крупный LMTD позволяет использовать теплообменник меньшего размера, но требует более низкой температуры подачи охлажденной воды и более высоких затрат на охлаждение.
LMTD следует выбирать с учетом температуры процесса, температуры подачи охлажденной воды, тепловой нагрузки и ограничений по пространству. Простая модель электронной таблицы с расчетом теплопередачи и данными о затратах предоставляет информацию, необходимую для выбора оптимального LMTD.
Для линий анодирования, оценивающих варианты теплообменников из ПТФЭ, LMTD должен быть указан в закупочной документации и проверен при вводе в эксплуатацию. Конфигурация по умолчанию, предоставленная производителем, может быть оптимизирована с точки зрения компактности, а не энергоэффективности, и полученный LMTD может не соответствовать фактическим требованиям процесса.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для анодирования или другого низкотемпературного охлаждения, могут запросить анализ конструкции, охватывающий тип анодирования, температуру процесса, температуру подачи охлажденной воды, тепловую нагрузку, LMTD и площадь поверхности, чтобы подтвердить, что устройство соответствует фактическим технологическим требованиям и структуре затрат объекта.
