Peršalimas, pakeičiantis šilumos perdavimo režimą
Cheminio apdorojimo įrenginys, kuriame naudojamas PTFE šilumokaitis su garais, esant 6 barų slėgiui (prisotinta temperatūra 165 laipsniai), praneša, kad šiluminė galia yra mažesnė nei projektinė vertė, o garo sąnaudos yra didesnės nei tikėtasi. Kondensatas išleidžiamas 163 laipsnių kampu, o tai rodo 2 laipsnius peršalimo.
Šilumokaitis skirtas 80 kW šilumos apkrovai, kai kondensacinės garo plėvelės koeficientas yra 5000 W/m²·K. Faktinė šiluminė galia yra 68 kW, tai yra 15% mažesnė už projektinę vertę. Garo suvartojimas yra 15% didesnis nei tikėtasi.
Problema yra kondensato peršalimas. Mažas peršalimas reiškia, kad kondensatas išleidžiamas esant beveik prisotinimo temperatūrai, o kondensato plėvelė ant vamzdžio paviršiaus yra stora. Stora plėvelė prideda šiluminę varžą, kuri sumažina šilumos perdavimo koeficientą ir šilumos išeigą.
Padidinus peršalimą iki 8–12 laipsnių, suplonėtų kondensato plėvelė, padidėtų šilumos perdavimo koeficientas, o šiluminė galia atkurtų projektinę vertę. Didesnis peršalimas taip pat sumažintų garo sąnaudas, nes tai pačiai šilumos apkrovai reikia mažiau garo.
Kodėl dėl peršalimo plonėja kondensato plėvelė
Kondensato plėvelė ant vamzdžio paviršiaus yra skysčio sluoksnis, kuris susidaro kondensuojantis garams. Plėvelės storis priklauso nuo kondensacijos greičio, kondensato klampumo ir drenažo greičio.
Kai kondensatas peršalinamas, skysčio sluoksnio vamzdžio paviršiuje temperatūra yra žemesnė nei sočiųjų garų. Žemesnė temperatūra padidina kondensato klampumą ir paviršiaus įtempimą, o tai skatina nutekėjimą ir sumažina plėvelės storį. Plonesnė plėvelė turi mažesnę šiluminę varžą ir didesnį šilumos perdavimo koeficientą.
Peršalimo poveikis plėvelės storiui yra nedidelis esant žemam peršalimui, tačiau jis tampa reikšmingas esant didesniam peršalimui. Esant 10 laipsnių peršaldymui, plėvelės storis gali būti 20–30% plonesnis nei nulinio peršaldymo atveju, o šilumos perdavimo koeficientas gali būti 15–25% didesnis.
Optimalus peršalimo diapazonas
Optimalus peršalimo diapazonas PTFE šilumokaičiui garų eksploatacijoje nustatomas pagal kompromisą tarp šilumos perdavimo naudos ir jautrios šilumos praradimo kondensate.
Šilumos perdavimo nauda didėja peršaldant, nes plonėja kondensato plėvelė ir padidėja šilumos perdavimo koeficientas. Prasmingi šilumos nuostoliai didėja aušinant, nes kondensatas išneša daugiau šilumos, kuri galėjo būti panaudota proceso skysčiui šildyti.
PTFE šilumokaičiui, kurio kondensacinės garų plėvelės koeficientas yra 5 000 W/m²·K, o proceso -šoninės plėvelės koeficientas yra 1 000 W/m²·K, optimalus peršalimas paprastai yra 8–12 laipsnių. Žemiau 8 laipsnių, plėvelė yra stora, o šilumos perdavimo koeficientas yra mažas. Virš 12 laipsnių šilumos nuostoliai viršija šilumos perdavimo naudą.
Optimalus peršalimas yra didesnis šilumokaičiams su dideliu kondensacijos koeficientu ir mažesnis šilumokaičiams su mažu kondensacijos koeficientu. Optimali vertė taip pat priklauso nuo garo slėgio ir proceso temperatūros.
Peršalimo poveikis garų suvartojimui
Garų suvartojimą lemia šilumos apkrova ir latentinė garo šiluma. Latentinė šiluma išsiskiria, kai garai kondensuojasi esant soties temperatūrai. Jautrioji šiluma išsiskiria, kai kondensatas atvėsta žemiau soties temperatūros.
Garams esant 6 barams, kurių latentinė šiluma yra 2 085 kJ/kg, o savitoji šiluma 4,2 kJ/kg · K, juntama šiluma, išsiskirianti 10 laipsnių peršaldant, yra 42 kJ/kg, tai yra maždaug 2 % latentinės šilumos. Bendra šiluma, išsiskirianti vienam kilogramui garų, yra 2 127 kJ/kg, tai yra 2 % daugiau nei vien latentinė šiluma.
Papildomas šilumos išleidimas sumažina garo sąnaudas maždaug 2 % esant 10 laipsnių peršalimui. Sumažėjimas absoliučiais skaičiais yra nedidelis, tačiau per metus nepertraukiamo veikimo jis tampa reikšmingas.
Garo suvartojimo sumažėjimas yra didesnis, jei peršalimas leidžia pasiekti didesnį šilumos perdavimo koeficientą ir žemesnę garo temperatūrą. Žemesnė garo temperatūra sumažina šilumos nuostolius iš garo vamzdyno ir šilumokaičio korpuso.
Peršalimo poveikis vamzdžio sienelės temperatūrai
Peršalimas veikia vamzdžio sienelės temperatūrą per kondensato plėvelės storį. Plonesnė plėvelė turi mažesnę šiluminę varžą, kuri sumažina temperatūrų skirtumą tarp garo ir vamzdžio sienelės tam tikram šilumos srautui.
Žemesnė vamzdžio sienelės temperatūra sumažina PTFE skilimo greitį ir pailgina šilumokaičio tarnavimo laiką. Poveikis yra mažas esant žemam peršalimui, bet tampa reikšmingas esant didesniam peršalimui.
Kai šilumos srautas yra 2,0 W/cm² ir kondensacijos koeficientas 5000 W/m²·K, kondensato plėvelės temperatūrų skirtumas yra 4 laipsniai, kai nėra peršalimo, ir 3 laipsniai su 10 laipsnių peršalimu. Temperatūros skirtumo sumažinimas 1 laipsniu sumažina vamzdžio sienelės temperatūrą 1 laipsniu, o tai pailgina tarnavimo laiką maždaug 5%.
Peršalimo efekto kiekybinis įvertinimas
Šioje lentelėje apibendrinamas šilumos perdavimo koeficientas, šiluminė galia ir garo sąnaudos esant skirtingiems peršaldymo lygiams PTFE šilumokaityje su garais esant 6 barų slėgiui ir 80 laipsnių proceso temperatūrai.
| Peršalimas | Kondensato plėvelės storis | Kondensacijos koeficientas | Bendras koeficientas | Šilumos išvestis | Garų suvartojimas | Vamzdžio sienelės temperatūra |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 laipsnių | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 kW | 100% | 168 laipsnių |
| 2 laipsnis | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 kW | 99% | 167 laipsnių |
| 5 laipsnis | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 kW | 97% | 166 laipsnių |
| 8 laipsnių | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76 kW | 95% | 165 laipsnių |
| 10 laipsnių | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 kW | 94% | 164 laipsnių |
| 12 laipsnių | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 kW | 93% | 163 laipsnių |
| 15 laipsnių | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82 kW | 92% | 162 laipsniai |
| 20 laipsnių | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 kW | 90% | 161 laipsnis |
Šilumos išeiga ir garo suvartojimo reikšmės yra normalizuotos iki nulinio peršalimo atvejo. Vamzdžio sienelės temperatūra yra vamzdžio paviršiaus, besiliečiančio su garais, temperatūra.
Praktinės peršalimo ribos
Praktines peršalimo ribas lemia šilumokaičio konstrukcija ir garų gaudyklės veikimas.
Šilumokaičio zona.Didesnis šilumokaičio plotas leidžia daugiau peršalti, nes kondensatas turi daugiau laiko atvėsti. Mažesnis plotas riboja peršalimą.
Kondensato drenažas.Kondensatas turi laisvai nutekėti iš šilumokaičio, kad galėtų vystytis peršalimas. Prastai nusausintas šilumokaitis turi mažą peršalimą.
Garų gaudyklė.Garų gaudyklė turi turėti galimybę išleisti peršalusį kondensatą. Prisotintam kondensatui pritaikytas gaudyklė gali netinkamai išleisti peršalusį kondensatą.
Proceso temperatūra.Peršalimą riboja proceso temperatūra. Kondensato negalima atšaldyti žemiau proceso temperatūros.
Garų slėgis.Peršalimą riboja garų slėgis. Didesnis garų slėgis suteikia daugiau peršalimo potencialo, nes soties temperatūra yra aukštesnė.
Dizaino savybės, skatinančios peršalimą
Kelios konstrukcijos ypatybės skatina peršalimą PTFE šilumokaityje.
Kondensato peršaldymo sekcija.Atskira peršaldymo sekcija prie kondensato išleidimo angos leidžia kondensatui atvėsti žemiau soties temperatūros. Subaušinimo sekcija yra nedidelė šilumos perdavimo sritis, kuri yra veikiama proceso skysčio.
Gravitacinis drenažas.Šilumokaitis, sumontuotas su nuolatiniu nuolydžiu žemyn, leidžia laisvai nutekėti kondensatui ir atvėsti, kai jis teka link išleidimo angos.
Mažas garų greitis.Mažas garų greitis sumažina kondensato patekimą ir leidžia kondensatui nutekėti bei atvėsti.
Tinkamas garų gaudyklės dydis.Garų gaudyklė, pritaikyta peršaldomam kondensato srautui, leidžia kondensatui išleisti be mirksėjimo.
Izoliacija.Garo vamzdyno ir šilumokaičio apvalkalo izoliacija sumažina šilumos nuostolius ir leidžia palaipsniui atvėsti kondensatui.
Skirtingų programų peršalimo tikslų palyginimas
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrintas rekomenduojamas peršalimo tikslas įvairiems garų šildymui naudojant PTFE šilumokaitį.
| Taikymas | Garų slėgis | Proceso temperatūra | Rekomenduojamas peršalimas | Šilumos našumo gerinimas | Garo suvartojimo sumažinimas |
|---|---|---|---|---|---|
| Dangos vonios šildymas | 4 barai | 60 laipsnių | 8-10 laipsnių | 10–12% | 4–5% |
| Cheminis reaktoriaus šildymas | 6 barai | 80 laipsnių | 10-12 laipsnių | 12–15% | 5–7% |
| Dažymo mašinos šildymas | 8 barai | 130 laipsnių | 6-8 laipsniai | 8–10% | 3–4% |
| Anoduojamas vonios šildymas | 4 barai | 20 laipsnių | 12-15 laipsnių | 15–18% | 6–8% |
| Garintuvo šildymas | 10 barų | 150 laipsnių | 5-7 laipsniai | 6–8% | 2–3% |
| Sterilizacijos paslauga | 3 barai | 121 laipsnis | 10-12 laipsnių | 12–15% | 5–7% |
Šilumos galios pagerėjimas ir garo suvartojimo sumažėjimas yra palyginti su nulinio peršalimo atveju. Rekomenduojami peršalimo tikslai yra pagrįsti optimalia šilumos perdavimo naudos ir protingų šilumos nuostolių pusiausvyra.
Papildomo aušinimo valdymo specifikacijos parametrai
Įrangos inžinieriai, nurodantys PTFE šilumokaitį šildymo garais paslaugai, turėtų su tiekėju patvirtinti šiuos parametrus.
Garų slėgis.Nurodykite garų tiekimo slėgį ir prisotinimo temperatūrą.
Proceso temperatūra.Nurodykite proceso skysčio temperatūrą ir artėjimo temperatūrą.
Šilumos apkrova.Nurodykite šilumos apkrovą ir numatomą diapazoną.
Peršalimo tikslas.Nurodykite rekomenduojamą peršalimo tikslą pagal garų slėgį ir proceso temperatūrą.
Kondensato drenažas.Nurodykite šilumokaičio kryptį ir drenažo kelią.
Garų gaudyklė.Nurodykite peršalusio kondensato garų gaudyklės tipą ir dydžio kriterijus.
Kondensato peršaldymo sekcija.Nurodykite, ar yra atskira peršaldymo sekcija.
Temperatūros stebėjimas.Nurodykite temperatūros jutiklius ir stebėjimo metodą peršalimui sekti.
Papildomo aušinimo ir garo šildymo sąlygų suderinimas
Kondensato peršalimas įtakoja šilumos perdavimo koeficientą, šiluminę galią ir garo suvartojimą PTFE šilumokaityje, skirtoje garo šildymo paslaugai. 8–12 laipsnių peršalimas yra optimalus daugeliui programų. Didesnis peršalimas plonina kondensato plėvelę, padidina šilumos perdavimo koeficientą ir sumažina garo sąnaudas.
Peršalimas turėtų būti kontroliuojamas naudojant šilumokaičio konstrukciją ir garų gaudyklės pasirinkimą. Atskira peršaldymo sekcija ir tinkamo dydžio garų gaudyklė leidžia vystytis peršalimui nepažeidžiant kondensato nutekėjimo.
Garo šildymo įrenginių, vertinančių PTFE šilumokaičio galimybes, peršalimo tikslas turėtų būti nurodytas pirkimo dokumentuose ir patikrintas pradedant eksploatuoti. Gamintojo pateiktoje numatytojoje konfigūracijoje gali nebūti papildomų aušinimo nuostatų, o gaunama šiluminė galia gali būti mažesnė nei tikėtasi.
Įrangos inžinieriai ir pirkimų specialistai, vertinantys PTFE šilumokaičio specifikacijas, skirtas šildymui garais ar kitai kondensavimo paslaugai, gali paprašyti projekto peržiūros, apimančios garo slėgį, proceso temperatūrą, šilumos apkrovą, peršalimo tikslą, kondensato nutekėjimą ir garų gaudyklės pasirinkimą, kad įsitikintų, jog įrenginys atitinka faktines garo sąlygas ir įrenginio eksploatavimo sąnaudų struktūrą.
