خنک کننده فرعی که رژیم انتقال حرارت را تغییر می دهد
یک مرکز پردازش شیمیایی که یک مبدل حرارتی PTFE با بخار 6 بار (دمای اشباع 165 درجه) کار می کند گزارش می دهد که خروجی حرارت کمتر از مقدار طراحی شده است و مصرف بخار بالاتر از حد انتظار است. میعانات در 163 درجه تخلیه می شود که نشان دهنده 2 درجه زیر خنک شدن است.
مبدل حرارتی برای بار حرارتی 80 کیلو وات با ضریب فیلم بخار متراکم 5000 W/m²·K طراحی شده است. خروجی حرارت واقعی 68 کیلو وات است که 15 درصد کمتر از مقدار طراحی شده است. مصرف بخار 15 درصد بیشتر از حد انتظار است.
مشکل ساب خنک کننده میعانات است. سرد شدن فرعی کم به این معنی است که میعانات تقریباً در دمای اشباع تخلیه می شود و لایه میعانات روی سطح لوله ضخیم است. فیلم ضخیم یک مقاومت حرارتی اضافه می کند که ضریب انتقال حرارت و خروجی حرارت را کاهش می دهد.
افزایش دمای فرعی به 8 تا 12 درجه باعث نازک شدن لایه میعانات می شود، ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد و خروجی حرارت را به مقدار طراحی باز می گرداند. زیرخنک شدن بالاتر نیز مصرف بخار را کاهش می دهد زیرا برای بار حرارتی یکسان بخار کمتری مورد نیاز است.
چرا Subcooling فیلم میعانات را نازک می کند؟
فیلم میعانات روی سطح لوله، لایه مایعی است که هنگام متراکم شدن بخار تشکیل می شود. ضخامت فیلم بستگی به نرخ تراکم، ویسکوزیته میعانات و نرخ زهکشی دارد.
هنگامی که میعانات سرد می شود، لایه مایع در سطح لوله در دمای پایین تری نسبت به بخار اشباع قرار می گیرد. دمای پایین تر، ویسکوزیته و کشش سطحی میعانات را افزایش می دهد که باعث زهکشی و کاهش ضخامت لایه می شود. لایه نازک تر مقاومت حرارتی کمتری دارد و ضریب انتقال حرارت بالاتری دارد.
اثر ساب خنک بر روی ضخامت لایه در زیر خنک کننده کم کم است اما در زیر خنک کننده بالاتر قابل توجه است. برای یک ساب خنک کننده 10 درجه، ضخامت لایه می تواند 20-30٪ نازک تر از زیر خنک کننده صفر باشد و ضریب انتقال حرارت می تواند 15-25٪ بیشتر باشد.
محدوده بهینه زیر خنک کننده
محدوده بهینه زیرخنک برای یک مبدل حرارتی PTFE در سرویس بخار با مبادله-میان سود انتقال حرارت و از دست دادن گرمای محسوس در میعانات تعیین می‌شود.
مزیت انتقال حرارت با خنک‌سازی فرعی افزایش می‌یابد زیرا فیلم میعانات نازک می‌شود و ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد. اتلاف حرارت محسوس با خنک‌سازی فرعی افزایش می‌یابد زیرا میعانات گرمای بیشتری را که می‌توانست برای گرم کردن سیال فرآیند استفاده شود، می‌برد.
برای یک مبدل حرارتی PTFE با ضریب فیلم بخار متراکم 5000 W/m²·K و ضریب فیلم جانبی{2}1000 W/m²·K، خنک کننده فرعی بهینه معمولاً 8-12 درجه است. زیر 8 درجه، فیلم ضخیم است و ضریب انتقال حرارت پایین است. بالاتر از 12 درجه، اتلاف حرارت محسوس بیشتر از سود انتقال حرارت است.
زیرخنک بهینه برای مبدل های حرارتی با ضریب تراکم بالا بیشتر و برای مبدل های حرارتی با ضریب تراکم پایین کمتر است. مقدار بهینه همچنین به فشار بخار و دمای فرآیند بستگی دارد.
اثر ساب خنک کننده بر مصرف بخار
میزان مصرف بخار توسط بار حرارتی و گرمای نهان بخار تعیین می شود. گرمای نهان زمانی که بخار در دمای اشباع متراکم می شود آزاد می شود. گرمای محسوس زمانی آزاد می شود که میعانات زیر دمای اشباع سرد شود.
برای بخار با شدت 6 بار با گرمای نهان 2085 کیلوژول بر کیلوگرم و گرمای ویژه 2/4 کیلوژول/کیلوگرم کلوین، گرمای محسوس آزاد شده توسط 10 درجه ساب خنک کننده 42 کیلوژول بر کیلوگرم است که تقریباً 2 درصد گرمای نهان است. مجموع گرمای آزاد شده به ازای هر کیلوگرم بخار 2127 کیلوژول بر کیلوگرم است که 2 درصد بیشتر از گرمای نهان به تنهایی است.
انتشار گرمای اضافی، مصرف بخار را تقریباً 2٪ برای 10 درجه زیر خنک کننده کاهش می دهد. این کاهش به صورت مطلق کوچک است اما در طول یک سال کار مداوم قابل توجه است.
در صورتی که خنک کننده فرعی اجازه انتقال حرارت بالاتر و دمای بخار کمتر را بدهد، کاهش مصرف بخار بیشتر است. دمای بخار کمتر باعث کاهش اتلاف حرارت از لوله‌کشی بخار و پوسته مبدل حرارتی می‌شود.
اثر ساب خنک کننده بر دمای دیواره لوله
خنک کننده فرعی بر روی دمای دیواره لوله از طریق ضخامت فیلم میعان اثر می گذارد. یک لایه نازک تر دارای مقاومت حرارتی کمتری است که اختلاف دمای بین بخار و دیواره لوله را برای یک شار حرارتی معین کاهش می دهد.
دمای پایین دیواره لوله میزان تخریب PTFE را کاهش می دهد و عمر مفید مبدل حرارتی را افزایش می دهد. این اثر در زیر خنک‌سازی کم کم است، اما در زیر خنک‌سازی بالاتر قابل توجه می‌شود.
برای شار حرارتی 2.0 وات بر سانتی‌متر مربع و ضریب متراکم 5000 وات بر متر مربع · کلوین، اختلاف دما در سراسر فیلم میعانات 4 درجه با زیر خنک‌کننده صفر و 3 درجه با زیر خنک‌کننده 10 درجه است. کاهش 1 درجه در اختلاف دما، دمای دیواره لوله را به میزان 1 درجه کاهش می دهد، که عمر سرویس را تقریباً 5٪ افزایش می دهد.
کمی کردن اثر ساب کولینگ
جدول زیر ضریب انتقال حرارت، خروجی گرما و مصرف بخار را برای سطوح مختلف خنک کننده در یک مبدل حرارتی PTFE با بخار 6 بار و دمای فرآیند 80 درجه خلاصه می کند.
| ساب کولینگ | ضخامت فیلم میعانات | ضریب چگالش | ضریب کلی | خروجی حرارت | مصرف بخار | دمای دیواره لوله |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 درجه | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 کیلو وات | 100% | 168 درجه |
| 2 درجه | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 کیلو وات | 99% | 167 درجه |
| 5 درجه | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 کیلو وات | 97% | 166 درجه |
| 8 درجه | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76 کیلو وات | 95% | 165 درجه |
| 10 درجه | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 کیلو وات | 94% | 164 درجه |
| 12 درجه | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 کیلو وات | 93% | 163 درجه |
| 15 درجه | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82 کیلو وات | 92% | 162 درجه |
| 20 درجه | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 کیلو وات | 90% | 161 درجه |
مقادیر گرمای خروجی و مصرف بخار به حالت زیر خنک کننده صفر نرمال شده است. دمای دیواره لوله، دمای سطح لوله در تماس با بخار است.
محدودیت های عملی ساب کولینگ
محدودیت های عملی خنک کننده فرعی توسط طراحی مبدل حرارتی و عملکرد تله بخار تعیین می شود.
منطقه مبدل حرارتییک منطقه مبدل حرارتی بزرگتر اجازه می دهد تا خنک شدن فرعی بیشتری داشته باشد زیرا میعانات زمان بیشتری برای خنک شدن دارد. یک منطقه کوچکتر، خنک کننده فرعی را محدود می کند.
زهکشی میعانات.میعانات باید آزادانه از مبدل حرارتی تخلیه شود تا خنک سازی فرعی ایجاد شود. یک مبدل حرارتی با زهکشی ضعیف، خنک کننده فرعی پایینی دارد.
تله بخار.تله بخار باید بتواند میعانات سرد شده را تخلیه کند. تله ای که برای میعانات اشباع اندازه شده است ممکن است میعانات سرد شده را به درستی تخلیه نکند.
دمای فرآیندخنک سازی فرعی توسط دمای فرآیند محدود می شود. میعانات را نمی توان زیر دمای فرآیند سرد کرد.
فشار بخارخنک کننده فرعی توسط فشار بخار محدود می شود. فشار بخار بالاتر پتانسیل ساب خنک کننده بیشتری را فراهم می کند زیرا دمای اشباع بالاتر است.
ویژگی های طراحی که خنک کننده فرعی را ترویج می کند
چندین ویژگی طراحی باعث تقویت زیر خنک کننده در مبدل حرارتی PTFE می شود.
بخش ساب خنک کننده میعانات.یک بخش خنک کننده جداگانه در خروجی میعانات به میعانات اجازه می دهد تا زیر دمای اشباع خنک شوند. بخش ساب خنک کننده یک ناحیه انتقال حرارت کوچک است که در معرض سیال فرآیند قرار دارد.
زهکشی جاذبه.یک مبدل حرارتی که با شیب پیوسته رو به پایین نصب می شود، اجازه می دهد میعانات آزادانه تخلیه شود و در جریان جریان به سمت خروجی خنک شود.
سرعت بخار کمسرعت بخار کم، حباب میعانات را کاهش می دهد و به میعانات اجازه تخلیه و خنک شدن می دهد.
اندازه گیری مناسب تله بخاریک تله بخار که برای جریان میعانات سرد شده ساب خنک شده است به میعانات اجازه می دهد تا بدون چشمک زدن تخلیه شود.
عایق.عایق بندی لوله های بخار و پوسته مبدل حرارتی اتلاف حرارت را کاهش می دهد و به میعانات اجازه می دهد تا به تدریج خنک شود.
مقایسه اهداف Subcooling برای کاربردهای مختلف
جدول زیر هدف زیر خنک کننده توصیه شده برای کاربردهای مختلف گرمایش بخار با مبدل حرارتی PTFE را خلاصه می کند.
| برنامه | فشار بخار | دمای فرآیند | Subcooling توصیه شده | بهبود خروجی حرارت | کاهش مصرف بخار |
|---|---|---|---|---|---|
| آبکاری گرمایش حمام | 4 بار | 60 درجه | 8-10 درجه | 10–12% | 4–5% |
| گرمایش راکتور شیمیایی | 6 بار | 80 درجه | 10-12 درجه | 12–15% | 5–7% |
| گرمایش دستگاه رنگرزی | 8 بار | 130 درجه | 6-8 درجه | 8–10% | 3–4% |
| گرمایش حمام آنودایز | 4 بار | 20 درجه | 12-15 درجه | 15–18% | 6–8% |
| گرمایش اواپراتور | 10 بار | 150 درجه | 5-7 درجه | 6–8% | 2–3% |
| خدمات استریلیزاسیون | 3 بار | 121 درجه | 10-12 درجه | 12–15% | 5–7% |
بهبود خروجی گرما و کاهش مصرف بخار نسبت به حالت زیر خنک کننده صفر است. اهداف زیر خنک کننده توصیه شده بر اساس تعادل بهینه بین سود انتقال حرارت و اتلاف حرارت محسوس است.
پارامترهای مشخصات برای کنترل ساب کولینگ
مهندسان تجهیزاتی که یک مبدل حرارتی PTFE را برای خدمات گرمایش بخار مشخص می‌کنند، باید پارامترهای زیر را با تأمین‌کننده تأیید کنند.
فشار بخارفشار منبع بخار و دمای اشباع را مشخص کنید.
دمای فرآینددمای سیال فرآیند و دمای نزدیک را مشخص کنید.
بار حرارتی.بار حرارتی و محدوده مورد انتظار را مشخص کنید.
هدف ساب خنک کنندههدف زیر خنک کننده توصیه شده را بر اساس فشار بخار و دمای فرآیند مشخص کنید.
زهکشی میعانات.جهت مبدل حرارتی و مسیر زهکشی را مشخص کنید.
تله بخار.نوع تله بخار و معیارهای اندازه گیری میعانات سرد شده را مشخص کنید.
بخش ساب خنک کننده میعانات.مشخص کنید که آیا یک بخش زیر خنک کننده جداگانه ارائه شده است یا خیر.
نظارت بر دماسنسورهای دما و روش نظارت را برای ردیابی خنک کننده فرعی مشخص کنید.
تطبیق شرایط خنک کننده فرعی با بخار گرمایشی
خنک کننده فرعی میعانات بر ضریب انتقال حرارت، خروجی گرما و مصرف بخار در مبدل حرارتی PTFE برای سرویس گرمایش بخار تأثیر می گذارد. خنک کننده فرعی 8 تا 12 درجه برای اکثر کاربردها بهینه است. زیرخنک شدن بیشتر لایه میعانات را نازک می کند، ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد و مصرف بخار را کاهش می دهد.
خنک کننده فرعی باید از طریق طراحی مبدل حرارتی و انتخاب تله بخار کنترل شود. یک بخش زیرخنک کننده جداگانه و یک تله بخار با اندازه مناسب اجازه می دهد تا خنک کننده فرعی بدون آسیب رساندن به زهکشی میعانات ایجاد شود.
برای تأسیسات گرمایش بخار که گزینه‌های مبدل حرارتی PTFE را ارزیابی می‌کنند، هدف خنک‌کننده فرعی باید در اسناد خرید مشخص شده و در هنگام راه‌اندازی تأیید شود. پیکربندی پیش‌فرض ارائه‌شده توسط سازنده ممکن است شامل مقرراتی برای خنک‌سازی فرعی نباشد و خروجی گرمای حاصل ممکن است کمتر از حد انتظار باشد.
مهندسین تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای گرمایش بخار یا سایر خدمات متراکم ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی را در مورد فشار بخار، دمای فرآیند، بار حرارتی، هدف زیرخنک‌کننده، زهکشی میعانات و انتخاب تله بخار درخواست کنند تا تأیید کنند که واحد با شرایط بخار واقعی و ساختار هزینه عملیاتی دستگاه مطابقت دارد.
