Temperaturområdet, hvor stråling betyder noget
Strålingsvarmeoverførsel er proportional med fjerde potens af den absolutte temperatur ifølge Stefan-Boltzmann-loven: q=εσ(T₁⁴ − T₂⁴), hvor q er varmefluxen, ε er emissionsevnen, σ er Stefan--temperaturen, og T₂ er konstanten for Stefan-Boltz og T₂ er konstanten. de to overflader.
Ved lave temperaturer er strålingsvarmefluxen lille sammenlignet med konvektionsvarmefluxen. Ved 60 grader (333 K) er strålingsvarmefluxen mellem to overflader med en emissivitet på 0,9 og en temperaturforskel på 20 grader cirka 120 W/m². Konvektionsvarmefluxen ved samme forhold er ca. 2.000 W/m². Strålingsbidraget udgør cirka 6 % af det samlede beløb.
Ved 200 grader (473 K) er strålingsvarmefluxen med samme emissivitet og temperaturforskel cirka 380 W/m². Konvektionsvarmefluxen er ca. 3.500 W/m². Strålingsbidraget udgør cirka 10 % af det samlede beløb.
Ved 300 grader (573 K) er strålingsvarmefluxen cirka 750 W/m². Konvektionsvarmefluxen er ca. 4.500 W/m². Strålingsbidraget udgør cirka 14 % af det samlede beløb.
Strålingsbidraget bliver betydeligt over 200 grader, og det skal indgå i varmeoverførselsberegningen for høj-temperaturservice.
Emissiviteten af PTFE
Emissiviteten af PTFE er ca. 0,85-0,92 for bølgelængdeområdet for termisk stråling. Den høje emissivitet betyder, at PTFE-overflader er effektive radiatorer og absorberer termisk stråling.
Emissionsevnen for PTFE er højere end for polerede metaller, som har emissionsevner på 0,05-0,20. Den høje emissivitet af PTFE er en fordel ved strålingsvarmeoverførsel, fordi den tillader overfladen at absorbere og udsende stråling effektivt.
Emissionsevnen påvirkes af overfladens tilstand. En glat PTFE-overflade har en emissivitet på ca. 0,85, mens en ru eller forurenet overflade har en emissivitet på ca. 0,92. Emissiviteten stiger også med temperaturen, fra 0,85 ved 20 grader til 0,92 ved 200 grader.
Varmevekslerens geometri
Strålingsvarmeoverførslen afhænger af varmevekslerens geometri og synsfaktoren mellem overfladerne. Synsfaktoren er den del af strålingen, der forlader den ene overflade, der rammer den anden overflade.
I en skal-og-rørvarmeveksler er rørene omgivet af skallen, og synsfaktoren mellem rørene og skallen er høj. Strålingsvarmeoverførslen mellem rørene og skallen er signifikant, hvis skaltemperaturen er forskellig fra rørtemperaturen.
I en pladevarmeveksler er pladerne parallelle, og synsfaktoren mellem tilstødende plader er høj. Strålingsvarmeoverførslen mellem pladerne er signifikant, hvis pladetemperaturerne er forskellige.
I en dykspole er spolen omgivet af procesvæsken, og synsfaktoren mellem spolen og tankvæggen er moderat. Strålingsvarmeoverførslen mellem spolen og beholdervæggen er signifikant, hvis beholdervægstemperaturen er forskellig fra spolens temperatur.
Strålingsbidraget i høj-temperaturtjeneste
Følgende tabel opsummerer strålingsbidraget til den samlede varmeoverførsel for forskellige temperaturniveauer og overfladeforhold i en PTFE varmeveksler.
| Procestemperatur | Overfladeemissionsevne | Temperaturforskel | Strålingsvarmeflux | Konvektionsvarmeflux | Strålingsbidrag |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 grader | 0.85 | 20 grader | 110 W/m² | 2,000 W/m² | 5% |
| 100 grader | 0.87 | 20 grader | 180 W/m² | 2,500 W/m² | 7% |
| 150 grader | 0.89 | 20 grader | 280 W/m² | 3,000 W/m² | 9% |
| 200 grader | 0.91 | 20 grader | 400 W/m² | 3,500 W/m² | 10% |
| 250 grader | 0.92 | 20 grader | 560 W/m² | 4,000 W/m² | 12% |
| 300 grader | 0.92 | 20 grader | 760 W/m² | 4,500 W/m² | 14% |
| 350 grader | 0.92 | 20 grader | 1,000 W/m² | 5,000 W/m² | 17% |
Strålingsvarmefluxen beregnes for en overfladeemissivitet på 0,85–0,92 og en temperaturforskel på 20 grader. Konvektionsvarmefluxen beregnes for en filmkoefficient på 100 W/m²·K og samme temperaturforskel. Strålingsbidraget er forholdet mellem strålingsvarmefluxen og den samlede varmeflux.
Effekten af stråling på den samlede varmeoverførselskoefficient
Strålingsvarmeoverførslen øger konvektionsvarmeoverførslen, og den kombinerede effekt øger den samlede varmeoverførselskoefficient. Strålingsbidraget kan udtrykkes som en ækvivalent strålingsfilmkoefficient, h_rad=q_rad / ΔT.
For en procestemperatur på 200 grader og en temperaturforskel på 20 grader er strålingsvarmefluxen 400 W/m², og den ækvivalente strålingsfilmkoefficient er 20 W/m²·K. Konvektionsfilmskoefficienten er 100 W/m²·K. Den kombinerede filmkoefficient er 120 W/m²·K, hvilket er 20 % højere end konvektionskoefficienten alene.
Forøgelsen af filmkoefficienten reducerer det nødvendige overfladeareal for en given varmebelastning. For en varmeveksler med en varmebelastning på 50 kW og en temperaturforskel på 20 grader er det nødvendige overfladeareal med kun konvektion 25 m². Med stråling inkluderet er det nødvendige overfladeareal 21 m², en reduktion på 16 %.
Effekten af stråling på rørvæggens temperatur
Strålingsvarmeoverførslen påvirker også rørvæggens temperatur. Strålingsvarmefluxen absorberes af rørvæggen og procesvæsken, hvilket reducerer temperaturforskellen mellem rørvæggen og procesvæsken.
Den lavere temperaturforskel reducerer rørvægstemperaturen og nedbrydningshastigheden af PTFE. Ved høj-temperaturdrift kan den lavere vægtemperatur forlænge varmevekslerens levetid.
Effekten er lille ved lav temperatur, men bliver betydelig over 200 grader. Ved 300 grader kan strålingsbidraget reducere rørvægstemperaturen med 5-10 grader, hvilket kan forlænge levetiden med 20-30%.
Designfunktioner, der forbedrer strålingsvarmeoverførsel
Flere designfunktioner forbedrer strålingsvarmeoverførslen i en PTFE varmeveksler.
Overflade med høj emission.En overflade med høj emissivitet absorberer og udsender stråling effektivt. PTFE har naturligvis en høj emissivitet, og overfladen bør holdes ren for at bevare emissiviteten.
Stor udsigtsfaktor.En geometri, der giver en stor udsynsfaktor mellem de varme og kolde overflader, forbedrer strålingsvarmeoverførslen. En skal-og-rørkonfiguration med rørene omgivet af skallen giver en høj synsfaktor.
Høj temperaturforskel.En større temperaturforskel mellem overfladerne øger strålingsvarmefluxen. Temperaturforskellen bestemmes af proces- og servicevæsketemperaturerne.
Strålingsskærme.I nogle applikationer bruges strålingsskærme til at reducere strålingsvarmeoverførslen. Skjoldene er placeret mellem de varme og kolde overflader og reducerer udsynsfaktoren.
Overfladeorientering.Overfladernes orientering påvirker strålingsvarmeoverførslen. Overflader, der vender direkte mod hinanden, har en højere synsfaktor end overflader, der er i en vinkel.
Sammenligning af strålingsbidrag ved forskellige temperaturer
Følgende tabel opsummerer den samlede varmeoverførselskoefficient med og uden strålingsbidraget for forskellige procestemperaturer i en PTFE varmeveksler.
| Procestemperatur | Konvektionskoefficient | Strålingskoefficient | Kombineret koefficient | Stigning fra stråling | Påkrævet overfladearealreduktion |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 grader | 100 W/m²·K | 5.5 W/m²·K | 105.5 W/m²·K | 5.5% | 5.2% |
| 100 grader | 100 W/m²·K | 9.0 W/m²·K | 109.0 W/m²·K | 9.0% | 8.3% |
| 150 grader | 100 W/m²·K | 14.0 W/m²·K | 114.0 W/m²·K | 14.0% | 12.3% |
| 200 grader | 100 W/m²·K | 20.0 W/m²·K | 120.0 W/m²·K | 20.0% | 16.7% |
| 250 grader | 100 W/m²·K | 28.0 W/m²·K | 128.0 W/m²·K | 28.0% | 21.9% |
| 300 grader | 100 W/m²·K | 38.0 W/m²·K | 138.0 W/m²·K | 38.0% | 27.5% |
Konvektionskoefficienten antages at være 100 W/m²·K, og temperaturforskellen er 20 grader. Strålingskoefficienten beregnes ud fra Stefan-Boltzmann-loven med en emissivitet på 0,90. Den påkrævede overfladearealreduktion er den procentvise reduktion i overfladeareal sammenlignet med konvektions-eneste tilfælde.
Specifikationsparametre for høj-temperaturtjeneste
Udstyrsingeniører, der specificerer en PTFE-varmeveksler til høj-temperaturservice, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Procestemperatur.Angiv den maksimale procestemperatur og den forventede temperaturprofil.
Servicevæsketemperatur.Angiv servicevæsketemperaturen og det tilgængelige tryk.
Temperaturforskel.Angiv temperaturforskellen mellem proces- og servicevæsken.
Overfladeemissionsevne.Angiv emissiviteten af PTFE-overfladen og overfladens tilstand.
Varmebelastning.Angiv varmebelastningen og det forventede område.
Overfladeareal.Angiv overfladearealet med og uden strålingsbidraget.
Rørvægstemperatur.Angiv den maksimalt tilladte rørvægstemperatur.
Strålingsbidrag.Angiv om strålingsbidraget indgår i varmeoverførselsberegningen.
Matchende strålingsbidrag til høj-temperaturservice
Strålingsvarmeoverførslen bidrager til den samlede varmeoverførsel i en PTFE varmeveksler ved temperaturer over 150 grader. Bidraget stiger med temperaturen og når 10–14 % af den samlede varmeoverførsel ved 200–300 grader . Strålingsbidraget reducerer det nødvendige overfladeareal og rørvægstemperaturen, hvilket kan forlænge varmevekslerens levetid.
Strålingsbidraget bør inkluderes i varmeoverførselsberegningen for høj-temperaturservice. Forsømmelse af strålingsbidraget resulterer i en overdimensioneret varmeveksler, der har en højere kapitalomkostning og et større fodaftryk end nødvendigt.
For servicefaciliteter med høj-temperatur, der evaluerer muligheder for PTFE-varmeveksler, bør strålingsbidraget angives i indkøbsdokumenterne og verificeres ved idriftsættelse. Standardkonfigurationen fra producenten inkluderer muligvis ikke strålingsbidraget, og den resulterende varmeveksler kan være overdimensioneret.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der evaluerer PTFE-varmevekslerspecifikationer til høj-temperaturservice, kan anmode om en designgennemgang, der dækker procestemperatur, servicevæsketemperatur, temperaturforskel, overfladeemissionsevne, varmebelastning og overfladeareal for at bekræfte, at enheden er afstemt med de faktiske varmeoverførselsbetingelser og omkostningsstrukturen for anlægget.
