Вопрос о конвекции
На химическом заводе используются нагревательные пластины из ПТФЭ мощностью 1,2 Вт/см² с естественной конвекцией. Пластины работают при температуре 85 градусов, а температура поверхности составляет 105-110 градусов, что близко к пределу эксплуатации ПТФЭ. Аналогичная установка с принудительной циркуляцией по поверхности пластины достигает той же температуры ванны при 1,6 Вт/см² при той же температуре поверхности. Принудительная конвекция отводит тепло более эффективно, обеспечивая более высокую удельную мощность без превышения теплового предела ПТФЭ.
Активная принудительная конвекция жидкости значительно увеличивает достижимую удельную мощность. Коэффициент теплопередачи при принудительном потоке в 2–5 раз выше, чем при естественной конвекции, что позволяет увеличить мощность на единицу площади.
Разница коэффициентов конвекции
Естественная конвекция основана на потоке,-движимом плавучестью. Коэффициент теплопередачи обычно составляет 300-600 Вт/м²К. Принудительная конвекция-накачка или перемешивание создают скорость потока 0,2–1,0 м/с, увеличивая коэффициент теплопередачи до 800–2500 Вт/м²К. Более высокий коэффициент означает, что та же потребляемая мощность обеспечивает более низкую температуру поверхности ПТФЭ, или более высокая потребляемая мощность обеспечивает ту же температуру поверхности.
Связь линейная. Увеличение коэффициента теплопередачи в 2 раза позволяет увеличить удельную мощность примерно в 2 раза при том же повышении температуры поверхности.
| Тип потока | Скорость потока | Коэффициент теплопередачи | Достижимая плотность мощности (ванна 85 градусов) | Температура поверхности ПТФЭ |
|---|---|---|---|---|
| Естественная конвекция | <0.05 m/s | 300-600 W/m²K | 0,8-1,2 Вт/см² | 100-115 градусов |
| Нежное перемешивание | 0.1-0.3 m/s | 600-1,000 W/m²K | 1,2-1,8 Вт/см² | 100-115 градусов |
| Умеренный принудительный поток | 0.3-0.6 m/s | 1,000-1,600 W/m²K | 1,6-2,5 Вт/см² | 100-115 градусов |
| Высокий принудительный поток | 0.6-1.0 m/s | 1,600-2,500 W/m²K | 2,0-3,5 Вт/см² | 100-115 градусов |
Ограничение теплового предела
ПТФЭ имеет практическую температуру непрерывной эксплуатации около 110-115 градусов на границе раздела элементов. Температура поверхности обычно на 15-30 градусов выше температуры ванны, в зависимости от толщины стенок и удельной мощности. При более высокой плотности мощности температура поверхности повышается, приближаясь к пределу ПТФЭ. Принудительная конвекция уменьшает разницу температур между поверхностью и ванной, обеспечивая более высокую удельную мощность при той же температуре поверхности.
Последствия проектирования для новых установок
Системы с естественной конвекцией требуют более низкой плотности ватт (0,8-1,2 Вт/см²) с более крупными и дорогими пластинами. Системы принудительной конвекции обеспечивают более высокую плотность ватт (1,6–2,5 Вт/см²) с меньшими и более дешевыми пластинами, но требуют насосов или оборудования для перемешивания. Пластина мощностью 1,8 Вт/см² примерно на 40% меньше пластины мощностью 1,2 Вт/см² при той же общей мощности. Пластина меньшего размера стоит на 15–25% дешевле, но требует наличия насоса, что добавляет 1000–3000 долларов за резервуар и текущие расходы на электроэнергию. Срок окупаемости принудительной конвекции зависит от количества пластин и стоимости электроэнергии.
Размещение насоса и расчет расхода
Прямое столкновение пластины с форсунками обеспечивает максимальную скорость и лучшую теплопередачу, но может вызвать вибрацию пластины. Конструкция с поперечным-потоком проходит параллельно поверхности пластины, обеспечивая умеренную скорость и меньшую вибрацию. Поток, управляемый мешалкой-, создает объемное движение с более низкой, но более равномерной скоростью на поверхности пластины. Для большинства установок скорость 0,3-0,5 м/с достаточна для оптимальной теплопередачи, а дополнительная скорость обеспечивает уменьшающуюся отдачу.
Практическая реализация и экономика
Добавление циркуляционного насоса к существующим системам естественной конвекции может увеличить теплопередачу на 60-100 %. На объекте с 12 резервуарами были добавлены насосы с низким-расходом и увеличена выходная мощность с 1,0 Вт/см² до 1,5 Вт/см² при той же температуре поверхности. Время разогрева- сократилось на 25 %, и предприятие отложило плановую замену пластин на 3 года. Стоимость насоса составила 2500 долларов США за резервуар, окупившись за счет увеличения срока службы пластин и экономии энергии в течение 18 месяцев. Для новых-установок высокой мощности по умолчанию должна использоваться принудительная конвекция.-меньший размер пластины и снижение капитальных затрат часто оправдывают инвестиции в насос. Для резервуаров с ограниченным пространством-принудительная конвекция необходима, поскольку пластины меньшего размера являются единственным вариантом для обеспечения необходимой мощности в ограниченном пространстве. Измерение температуры поверхности с помощью термопары или тепловидения подтверждает преимущество: установка, измеряющая температуру поверхности, обнаружила, что естественная конвекция показала 112 градусов при 1,2 Вт/см², а вынужденная конвекция (0,4 м/с) дала 98 градусов при той же плотности мощности. Затем они увеличили мощность до 1,8 Вт/см², достигнув температуры поверхности 112 градусов при увеличении мощности на 50 % при той же площади пластины. Насос окупился в течение 8 месяцев за счет сокращения затрат на замену пластин и электроэнергии.
