LMTD که وظیفه خنک کننده را تعریف می کند
یک خط آندایزینگ سخت نوع III که در 2 درجه کار می کند به یک مبدل حرارتی برای حذف 50 کیلو وات گرمای واکنش نیاز دارد. منبع آب سرد در 2- درجه و برگشت در 2 درجه است. سیال فرآیند در 4 درجه وارد مبدل حرارتی می شود و در 2 درجه خارج می شود.
برای آرایش جریان شمارنده، اختلاف دما در دو انتها عبارتند از: انتهای داغ (ورودی فرآیند 4 درجه - خروجی آب سرد 2 درجه )=2 درجه و انتهای سرد (خروجی فرآیند 2 درجه - ورودی آب سرد -2 درجه)=4 درجه. LMTD از این دو مقدار محاسبه می شود و تقریباً 2.9 درجه است.
LMTD 2.9 درجه بسیار کوچک است. برای مبدل حرارتی با ضریب کلی 200 W/m²·K و بار حرارتی 50 kW، مساحت سطح مورد نیاز 86 m² است. این یک مبدل حرارتی بسیار بزرگ است و هزینه سرمایه آن نیز قابل توجه است.
LMTD کوچک محدودیت تعیین کننده خنک کننده آندایزینگ سخت است. مبدل حرارتی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا گرما را در اختلاف دمای کوچک منتقل کند و سطح مورد نیاز هزینه سرمایه و ردپای را به همراه دارد.
چرا LMTD در سرویس آندایزینگ کوچک است؟
LMTD به سه دلیل در سرویس آندایزینگ کوچک است.
اول اینکه دمای فرآیند پایین است. آندایزینگ سخت نوع III در دمای 0-5 درجه کار می کند و آنودایز سولفوریک نوع II در دمای 20-22 درجه کار می کند. دمای پایین فرآیند، تفاوت دما بین فرآیند و آب سرد را محدود می کند.
دوم اینکه دمای تامین آب سرد توسط سیستم تبرید محدود می شود. یک منبع آب سرد معمولی برای آندایزینگ نوع II 5-7 درجه و برای آندایزینگ سخت نوع III 5- تا 0 درجه است. دمای عرضه را نمی توان به طور نامحدود کاهش داد زیرا راندمان سیستم تبرید کاهش می یابد و خطر یخ زدگی افزایش می یابد.
سوم، تحمل دمای فرآیند تنگ است. سرعت واکنش آندایزینگ و خواص پوشش به دما بستگی دارد و تحمل معمولاً 1± درجه است. تحمل محدود افزایش دمای سیال فرآیند را در سراسر مبدل حرارتی محدود می کند، که LMTD را کاهش می دهد.
LMTD در آندایزینگ اسید سولفوریک نوع II
آندایزینگ اسید سولفوریک نوع II در دمای 20-22 درجه با تحمل 1± درجه عمل می کند. منبع آب سرد معمولاً 10-12 درجه است و برگشت آن 15-17 درجه است. سیال فرآیند در 22 درجه وارد مبدل حرارتی می شود و در 20 درجه خارج می شود.
برای آرایش جریان شمارنده، اختلاف دما در دو انتها عبارتند از: انتهای داغ (ورودی فرآیند 22 درجه - خروجی آب سرد 17 درجه)=5 درجه و انتهای سرد (خروجی فرآیند 20 درجه - ورودی آب سرد 10 درجه)=10 درجه. LMTD تقریباً 7.2 درجه است.
LMTD 7.2 درجه بزرگتر از مورد آنودایز سخت است اما در مقایسه با برنامه های معمول مبدل حرارتی کوچک است. برای یک مبدل حرارتی با ضریب کلی 200 W/m²·K و بار حرارتی 50 kW، سطح مورد نیاز 35 متر مربع است.
LMTD در نوع III آندایزینگ سخت
آندایزینگ سخت نوع III در دمای 0-5 درجه با تحمل 0.5± درجه کار می کند. منبع آب سرد معمولاً 5- تا 0 درجه است و برگشت آن 0-3 درجه است. سیال فرآیند در 4 درجه وارد مبدل حرارتی می شود و در 2 درجه خارج می شود.
برای آرایش جریان شمارنده، اختلاف دما در دو انتها عبارتند از: انتهای گرم (ورودی فرآیند 4 درجه - خروجی آب سرد 3 درجه )=1 درجه و انتهای سرد (خروجی فرآیند 2 درجه - ورودی آب سرد -5 درجه)=7 درجه. LMTD تقریباً 3.2 درجه است.
LMTD 3.2 درجه بسیار کوچک است. برای یک مبدل حرارتی با ضریب کلی 200 W/m²·K و بار حرارتی 50 kW، سطح مورد نیاز 78 متر مربع است.
اثر آرایش جریان بر LMTD
آرایش جریان بر LMTD تأثیر می گذارد. آرایش جریان شمارنده بزرگترین LMTD را برای مجموعه معینی از دمای ورودی و خروجی فراهم می کند. یک آرایش موازی-کوچکترین LMTD را فراهم می کند. چیدمان جریان متقاطع یک LMTD متوسط را فراهم می کند.
برای سرویس آندایزینگ، ترتیب جریان شمارنده ترجیح داده می شود زیرا LMTD را به حداکثر می رساند و سطح مورد نیاز را به حداقل می رساند. ترتیب جریان شمارنده به ویژه در سرویس آندایزینگ سخت، که در آن LMTD بسیار کوچک است و نیاز به مساحت سطح بالا است، مهم است.
مقایسه مقادیر LMTD برای شرایط مختلف آندایزینگ
جدول زیر LMTD و مساحت سطح مورد نیاز را برای شرایط مختلف آندایزینگ با بار حرارتی 50 کیلو وات و ضریب کلی 200 W/m²·K خلاصه می‌کند.
| نوع آندایزینگ | دمای فرآیند | تامین آب سرد | بازگشت آب سرد | فرآیند ΔT | LMTD | مساحت سطح مورد نیاز |
|---|---|---|---|---|---|---|
| نوع II، کم بار | 22 درجه | 12 درجه | 16 درجه | 1 درجه | 8.5 درجه | 29 m² |
| نوع II، بار متوسط | 22 درجه | 10 درجه | 15 درجه | 2 درجه | 7.2 درجه | 35 m² |
| نوع II، بار بالا | 22 درجه | 8 درجه | 14 درجه | 3 درجه | 6.1 درجه | 41 m² |
| نوع III، کم بار | 4 درجه | 0 درجه | 2 درجه | 1 درجه | 3.5 درجه | 71 m² |
| نوع III، بار متوسط | 4 درجه | -2 درجه | 2 درجه | 2 درجه | 2.9 درجه | 86 m² |
| نوع III، بار بالا | 4 درجه | -5 درجه | 2 درجه | 3 درجه | 2.4 درجه | 104 m² |
| نوع III، بار بسیار بالا | 4 درجه | -8 درجه | 2 درجه | 4 درجه | 2.0 درجه | 125 m² |
مقادیر مساحت سطح مورد نیاز، ترتیب جریان شمارنده و ضریب انتقال حرارت کلی 200 W/m²·K را در نظر می گیرند. مساحت سطح واقعی به مواد لوله، ضخامت دیواره و سرعت جریان بستگی دارد.
محدودیت های عملی LMTD در سرویس آندایزینگ
محدودیت‌های عملی LMTD در سرویس آندایزینگ با مبادله{0}} بین اندازه مبدل حرارتی و هزینه تبرید تعیین می‌شود. یک LMTD کوچکتر به یک مبدل حرارتی بزرگتر نیاز دارد اما اجازه می دهد تا دمای تامین آب سرد بالاتری داشته باشد که هزینه تبرید را کاهش می دهد. یک LMTD بزرگتر به مبدل حرارتی کوچکتری اجازه می دهد، اما به دمای منبع آب سرد کمتری نیاز دارد که هزینه تبرید را افزایش می دهد.
برای آندایزینگ اسید سولفوریک نوع II، محدوده عملی LMTD 6-10 درجه است. زیر 6 درجه، مبدل حرارتی به طور غیر عملی بزرگ می شود. بالاتر از 10 درجه، دمای منبع آب سرد خیلی زیاد می شود تا خنک کننده کافی را فراهم کند.
برای آنودایز سخت نوع III، محدوده عملی LMTD 2-5 درجه است. زیر 2 درجه، مبدل حرارتی به طور غیر عملی بزرگ می شود. بالاتر از 5 درجه، دمای منبع آب سرد برای حفظ دمای فرآیند بسیار زیاد می شود.
ویژگی های طراحی که به LMTD کوچکتر اجازه می دهد
چندین ویژگی طراحی اجازه می دهد LMTD کوچکتر بدون افزایش بیش از حد در اندازه مبدل حرارتی.
مواد لوله رسانایی بالاتریک ترکیب PTFE پر شده با هدایت حرارتی 0.5 W/m·K دارای نصف مقاومت حرارتی دیواره PTFE بکر است که ضریب انتقال حرارت کلی را افزایش می‌دهد و سطح مورد نیاز را کاهش می‌دهد.
دیواره لوله نازکتردیوار نازکتر مقاومت حرارتی را کاهش می دهد و ضریب کلی را افزایش می دهد. یک دیوار 0.5 میلی متری دارای نصف مقاومت حرارتی یک دیوار 1.0 میلی متری است.
سرعت جریان بالاترسرعت جریان بالاتر، ضرایب فیلم را در دو طرف دیواره لوله افزایش می دهد، که ضریب کلی را افزایش می دهد و سطح مورد نیاز را کاهش می دهد.
سطح لوله پیشرفتهسطح لوله با باله ها یا شیارها، سطح سطح را در واحد طول و ضریب فیلم را افزایش می دهد، که امکان LMTD کوچکتر را فراهم می کند.
اختلاف دما بیشتر در سراسر فرآینداجازه دادن به سیال فرآیند برای بالا آمدن یا پایین آمدن مقدار بیشتری در سراسر مبدل حرارتی، LMTD را افزایش می دهد. تحمل دمای فرآیند، تغییر دمای مجاز را محدود می کند.
پیکربندی مبدل حرارتی تقسیم شدهتقسیم بار حرارتی بین دو مبدل حرارتی کوچکتر به هر واحد اجازه می دهد تا در LMTD کوچکتر بدون جریمه فضایی واحد بزرگ کار کند.
پارامترهای مشخصات برای سرویس آندایزینگ
مهندسان تجهیزاتی که یک مبدل حرارتی PTFE را برای خدمات آندایزینگ مشخص می‌کنند، باید پارامترهای زیر را با تامین‌کننده تأیید کنند.
نوع آندایزینگآندایزینگ نوع II یا III و دمای فرآیند را مشخص کنید.
تحمل دمای فرآیندتغییر دمای مجاز در حمام فرآیند را مشخص کنید.
دمای منبع آب سرددمای منبع آب سرد و دبی موجود را مشخص کنید.
دمای برگشت آب سردحداکثر دمای مجاز بازگشت آب سرد را مشخص کنید.
بار حرارتی.بار حرارتی و محدوده مورد انتظار را مشخص کنید.
LMTD.LMTD را بر اساس فرآیند و دمای آب سرد مشخص کنید.
مساحت سطح.سطح مورد نیاز برای بار حرارتی و LMTD را مشخص کنید.
مواد لوله.مواد لوله را بر اساس ضریب کلی مورد نیاز و دمای دیوار مشخص کنید.
ترتیب جریان.ترتیب جریان را مشخص کنید. جریان شمارنده-برای حداکثر LMTD ترجیح داده می شود.
مطابقت LMTD با الزامات فرآیند آنودایز
LMTD مساحت سطح مورد نیاز و امکان سنجی وظیفه خنک کننده را در یک مبدل حرارتی PTFE برای خدمات آندایزینگ تعیین می کند. یک LMTD کوچکتر به یک مبدل حرارتی بزرگتر نیاز دارد اما اجازه می دهد تا دمای تامین آب سرد بالاتر و هزینه تبرید کمتری داشته باشد. یک LMTD بزرگتر به یک مبدل حرارتی کوچکتر اجازه می دهد اما به دمای منبع آب سرد کمتر و هزینه تبرید بالاتر نیاز دارد.
LMTD باید بر اساس دمای فرآیند، دمای تامین آب سرد، بار حرارتی و محدودیت‌های فضا انتخاب شود. یک مدل صفحه گسترده ساده با محاسبه انتقال حرارت و داده های هزینه، اطلاعات مورد نیاز برای انتخاب LMTD بهینه را فراهم می کند.
برای خطوط آندایزینگ که گزینه‌های مبدل حرارتی PTFE را ارزیابی می‌کنند، LMTD باید در اسناد خرید مشخص شده و در هنگام راه‌اندازی تأیید شود. پیکربندی پیش‌فرض ارائه‌شده توسط سازنده ممکن است برای فشردگی به‌جای بهره‌وری انرژی بهینه‌سازی شود و LMTD حاصل ممکن است با الزامات فرآیند واقعی مطابقت نداشته باشد.
مهندسان تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای آندایز کردن یا سایر خدمات خنک‌کننده با دمای پایین ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی را در مورد نوع آندایز کردن، دمای فرآیند، دمای منبع آب سرد، بار گرمایی، LMTD و سطح سطح درخواست کنند تا تأیید کنند که واحد با الزامات فرآیند واقعی و ساختار هزینه‌ی تاسیسات مطابقت دارد.
