Nurodant šilumokaitį dažnai kyla dvejonių net patyrusiems inžinieriams. Mechaninis išdėstymas, medžiagų suderinamumas ir montavimo detalės paprastai yra nesudėtingos, tačiau šiluminis dydis yra neaiškus. Dėl per mažo šilumokaičio kyla pavojus, kad nebus pasiekti gamybos tikslai ir nestabili temperatūros kontrolė. Negabaritinis įrenginys padidina nereikalingas išlaidas ir padidina pėdsaką. Iššūkis yra ne žinių trūkumas, o netikrumas, nuo ko pradėti ir koks tikslus turi būti skaičiavimas.
PTFE šilumokaičio terminis dydis nėra spėlionė. Tai vyksta pagal struktūrinę seką: nustatykite šilumos apkrovą, apskaičiuokite temperatūros varomąją jėgą, įvertinkite bendrą šilumos perdavimo koeficientą ir pritaikykite projektinę ribą. Kiekvienas žingsnis logiškai grindžiamas ankstesniu.
1 - veiksmas Šilumos apkrovos apskaičiavimas
Pirma užduotis yra nustatyti, kiek šilumos turi būti perduota. Pagrindinis santykis yra toks:
Q=m × Cp × ΔT
Čia Q yra šilumos apkrova (W), m yra masės srautas (kg/s), Cp yra savitoji šiluminė talpa (kJ/kg · K), o ΔT yra proceso skysčio temperatūros pokytis.
Masės srautas dažnai yra silpniausia įvestis. Siurblio vardinėje plokštelėje nurodytas pajėgumas retai atspindi faktinį srautą po vamzdynų nuostolių ir droselio vožtuvų. Tikrinus siurblio kreives arba laikinai sumontavus srauto matuoklį, dažnai išvengiama didelių dydžio klaidų. Praktiškai neteisingos srauto prielaidos sukelia daugiau dydžio klaidų nei neteisingos lygtys.
Konkrečią korozinių srautų šiluminę talpą galima apskaičiuoti pagal vandenį, nebent tirpalas yra labai koncentruotas. Atskiestų rūgščių arba šarmų Cp paprastai svyruoja nuo 3,7 iki 4,2 kJ/kg·K. Dėl koncentruotų druskų ar klampių skysčių gali prireikti paskelbtų cheminių duomenų arba laboratorinių matavimų.
Pavyzdys
Proceso bakas cirkuliuoja 5 m³/h rūgšties tirpalo. Tankis yra maždaug 1100 kg/m³. Skystis turi būti šildomas nuo 25 laipsnių iki 60 laipsnių.
Masės srautas:
m=5 / 3600 × 1100 ≈ 1,53 kg/s
Temperatūros kilimas:
ΔT = 35 K
Darant prielaidą, kad Cp ≈ 3,9 kJ/kg·K:
Q=1.53 × 3,9 × 35 ≈ 209 kW
Todėl šilumokaitis turi perduoti maždaug 209 000 vatų.
2 - veiksmas Temperature Driving Force (LMTD)
Šilumos perdavimas priklauso ne tik nuo šilumos apkrovos, bet ir nuo to, kaip stipriai skiriasi karštų ir šaltų skysčių temperatūra per šilumokaičio ilgį. Kadangi temperatūros skirtumas nuolat kinta, teisingas matas yravidutinės temperatūros skirtumas (LMTD).
Priešpriešinio srauto konfigūracijai:
ΔT₁=Th,in − Tc,out
ΔT₂=Th,out − Tc,in
LMTD=(ΔT₁ − ΔT₂) / ln (ΔT₁ / ΔT₂)
Tarkime, karštas vanduo patenka 80 laipsnių ir išeina 70 laipsnių, rūgštį įkaitindamas nuo 25 laipsnių iki 60 laipsnių.
ΔT₁=80 − 60=20 laipsnis
ΔT₂=70 − 25=45 laipsnis
LMTD=(45–20) / ln (45/20) ≈ 25 / 0,81 ≈ 30,9 laipsnio
Priešpriešinis srautas užtikrina aukščiausią temperatūros varomąją jėgą. Lygiagrečio srauto arba kryžminio srauto išdėstymui reikalingi pataisos koeficientai, mažinantys efektyvų LMTD.
3 - veiksmas Bendras šilumos perdavimo koeficientas (U-vertė)
Bendras šilumos perdavimo koeficientas parodo atsparumą šilumos perdavimui per visą sistemą: skysčio plėvelę, užsiteršimą, PTFE sienelę ir antrinę skysčio plėvelę. PTFE šilumos laidumas yra daug mažesnis nei metalo, todėl U-vertės yra mažesnės nei nerūdijančio plieno šilumokaičių.
Tipiški diapazonai:
Švaraus vandens -į-vandens paslauga: 250–400 W/m²K
Praskiesti cheminiai tirpalai: 150–300 W/m²K
Klampūs arba užsiteršę skysčiai: 80–150 W/m²K
Optimistiškos U{0}}vertės pasirinkimas tiesiogiai veda prie per mažo dydžio. Neaiškių paslaugų atveju konservatyvūs įvertinimai padidina patikimumą.
Tarkime, U=220 W/m²K kaitinimo rūgštimi pavyzdžiu.
4 - veiksmas Apskaičiuokite reikiamą šilumos perdavimo plotą
Valdymo lygtis yra tokia:
A=Q / (U × LMTD)
Pakeičiančios reikšmės:
A = 209,000 / (220 × 30.9) ≈ 209,000 / 6,798 ≈ 30.8 m²
Šilumokaičiui reikia maždaug31 kvadratinis metrasefektyvaus šilumos perdavimo ploto.
5 - veiksmas Taikykite dizaino paraštę
Realūs procesai retai lieka projektavimo sąlygomis. Susidaro užteršimo sluoksniai, svyruoja srauto greitis ir kinta tiekimo temperatūra. Pridėjus dizaino maržą, laikui bėgant išvengiama našumo praradimo.
Tipiškos paraštės:
Švarūs, kontroliuojami procesai: 10–15 proc.
Pramoninės chemijos paslaugos: 20–30 proc.
Užteršimas arba neaiškios srovės: 30–50 %
Darant prielaidą, kad marža yra 25 %:
Galutinis plotas ≈ 31 × 1,25 ≈ 38,8 m²
Praktinė specifikacija tampa apytiksliai39 m².
Rezultato interpretavimas
Terminis dydžio nustatymas susideda iš sekos, o ne iš vienos lygties. Šilumos apkrovos skaičiavimas apibrėžia reikiamą darbą. LMTD nustato turimą varomąją jėgą. Bendras šilumos perdavimo koeficientas atspindi medžiagos ir skysčio elgseną. Dizaino paraštė atspindi realų-pasaulio kintamumą.
Dauguma skaičiavimo klaidų atsiranda dėl neteisingų veikimo duomenų, o ne dėl neteisingų formulių. Srauto greičio patikrinimas, tikroviškos U-vertės ir konservatyvios ribos užtikrina patikimą šilumokaičio dydį, net kai skysčio savybės yra neaiškios.
Todėl šiluminis projektavimas tampa pakartojama inžinerine procedūra, o ne abstrakčia užduotimi. Atliekant sudėtingas užduotis, programinės įrangos modeliavimas arba konsultacijos su patyrusiais šilumos dizaineriais gali patikslinti prielaidas ir pagerinti pasitikėjimą, tačiau pagrindinis skaičiavimas išlieka aiškus ir skaidrus.
