LMTD'en, der definerer kølepligten
En type III hård anodiseringslinje, der opererer ved 2 grader, kræver en varmeveksler for at fjerne 50 kW reaktionsvarme. Kølevandsforsyningen er på -2 grader, og afkastet er på 2 grader. Procesvæsken kommer ind i varmeveksleren ved 4 grader og forlader ved 2 grader.
For et -modstrømsarrangement er temperaturforskellene i de to ender: varm ende (procesindløb 4 grader − kølevandsudløb 2 grader )=2 grad og kold ende (procesudløb 2 grader − kølevandsindløb −2 grader )=4 grad . LMTD er beregnet ud fra disse to værdier og er ca. 2,9 grader.
LMTD på 2,9 grader er meget lille. For en varmeveksler med en samlet koefficient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW er det nødvendige overfladeareal 86 m². Dette er en meget stor varmeveksler, og kapitalomkostningerne er betydelige.
Den lille LMTD er den definerende begrænsning af hård anodiseringskøling. Varmeveksleren skal være stor nok til at overføre varmen over den lille temperaturforskel, og overfladekravet driver kapitalomkostningerne og fodaftrykket.
Hvorfor LMTD er lille i anodiseringstjeneste
LMTD er lille i anodiseringstjeneste af tre grunde.
For det første er procestemperaturen lav. Type III hård anodisering fungerer ved 0-5 grader, og Type II svovlsyreanodisering fungerer ved 20-22 grader. Den lave procestemperatur begrænser temperaturforskellen mellem processen og det kølede vand.
For det andet er kølevandsforsyningstemperaturen begrænset af kølesystemet. En typisk afkølet vandforsyning er ved 5-7 grader for type II anodisering og ved -5 til 0 grader for type III hård anodisering. Fremløbstemperaturen kan ikke sænkes i det uendelige, fordi køleanlæggets effektivitet falder, og risikoen for frost stiger.
For det tredje er procestemperaturtolerancen stram. Anodiseringsreaktionshastigheden og belægningsegenskaberne afhænger af temperaturen, og tolerancen er typisk ±1 grad. Den snævre tolerance begrænser temperaturstigningen af procesvæsken over varmeveksleren, hvilket reducerer LMTD.
LMTD i type II svovlsyreanodisering
Type II svovlsyreanodisering fungerer ved 20-22 grader med en tolerance på ±1 grad. Kølevandsforsyningen er typisk på 10-12 grader, og afkastet er på 15-17 grader. Procesvæsken kommer ind i varmeveksleren ved 22 grader og forlader ved 20 grader.
For et -modstrømsarrangement er temperaturforskellene i de to ender: varm ende (procesindløb 22 grader − udløb for kølet vand 17 grader )=5 grad og kold ende (procesudløb 20 grader − indløb af kølet vand 10 grader )=10 grad . LMTD er cirka 7,2 grader.
LMTD på 7,2 grader er større end den hårde anodiseringskasse, men stadig lille sammenlignet med typiske varmevekslerapplikationer. For en varmeveksler med en samlet koefficient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW er det nødvendige overfladeareal 35 m².
LMTD i Type III hård anodisering
Type III hård anodisering fungerer ved 0–5 grader med en tolerance på ±0,5 grader. Kølevandsforsyningen er typisk på -5 til 0 grader, og afkastet er på 0-3 grader. Procesvæsken kommer ind i varmeveksleren ved 4 grader og forlader ved 2 grader.
For et mod-flow-arrangement er temperaturforskellene i de to ender: varm ende (procesindløb 4 grader − kølevandsudløb 3 grader )=1 grad og kold ende (procesudløb 2 grader − kølevandsindløb −5 grader )=7 grad . LMTD er cirka 3,2 grader.
LMTD på 3,2 grader er meget lille. For en varmeveksler med en samlet koefficient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW er det nødvendige overfladeareal 78 m².
Effekten af flow-arrangement på LMTD
Strømningsarrangementet påvirker LMTD. Et modstrøms-arrangement giver den største LMTD for et givet sæt indløbs- og udløbstemperaturer. Et parallel-flow-arrangement giver den mindste LMTD. Et kryds-flow-arrangement giver en mellemliggende LMTD.
Til anodiseringsservice foretrækkes modstrøms-arrangementet, fordi det maksimerer LMTD og minimerer det nødvendige overfladeareal. Modstrømsarrangementet er særligt vigtigt ved hård anodisering, hvor LMTD'en er meget lille, og kravet til overfladeareal er højt.
Sammenligning af LMTD-værdier for forskellige anodiseringsforhold
Følgende tabel opsummerer LMTD og det nødvendige overfladeareal for forskellige anodiseringsforhold med en varmebelastning på 50 kW og en samlet koefficient på 200 W/m²·K.
| Anodiseringstype | Procestemperatur | Kølet vandforsyning | Retur af kølet vand | Proces ΔT | LMTD | Nødvendigt overfladeareal |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Type II, lav belastning | 22 grader | 12 grader | 16 grader | 1 grad | 8,5 grader | 29 m² |
| Type II, moderat belastning | 22 grader | 10 grader | 15 grader | 2 grader | 7,2 grader | 35 m² |
| Type II, høj belastning | 22 grader | 8 grader | 14 grader | 3 grader | 6,1 grader | 41 m² |
| Type III, lav belastning | 4 grader | 0 grader | 2 grader | 1 grad | 3,5 grader | 71 m² |
| Type III, moderat belastning | 4 grader | -2 grader | 2 grader | 2 grader | 2,9 grader | 86 m² |
| Type III, høj belastning | 4 grader | -5 grader | 2 grader | 3 grader | 2,4 grader | 104 m² |
| Type III, meget høj belastning | 4 grader | -8 grader | 2 grader | 4 grader | 2,0 grader | 125 m² |
De påkrævede overfladearealværdier forudsætter et modstrøms-arrangement og en samlet varmeoverførselskoefficient på 200 W/m²·K. Det faktiske overfladeareal vil afhænge af rørmaterialet, vægtykkelsen og strømningshastighederne.
De praktiske grænser for LMTD i anodiseringsservice
De praktiske grænser for LMTD i anodiseringsservice bestemmes af afvejningen- mellem størrelsen på varmeveksleren og køleomkostningerne. En mindre LMTD kræver en større varmeveksler, men tillader en højere kølevandsforsyningstemperatur, hvilket reducerer køleomkostningerne. En større LMTD tillader en mindre varmeveksler, men kræver en lavere kølevandsforsyningstemperatur, hvilket øger køleomkostningerne.
For type II svovlsyreanodisering er det praktiske LMTD-område 6-10 grader. Under 6 grader bliver varmeveksleren upraktisk stor. Over 10 grader bliver kølevandsforsyningstemperaturen for høj til at give tilstrækkelig afkøling.
For type III hård anodisering er det praktiske LMTD-område 2-5 grader. Under 2 grader bliver varmeveksleren upraktisk stor. Over 5 grader bliver kølevandsforsyningstemperaturen for høj til at opretholde procestemperaturen.
Designfunktioner, der tillader mindre LMTD
Flere designfunktioner tillader en mindre LMTD uden en for stor stigning i varmevekslerstørrelsen.
Rørmateriale med højere ledningsevne.En fyldt PTFE-forbindelse med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvdelen af væggens termiske modstand af virgin PTFE, hvilket øger den samlede varmeoverførselskoefficient og reducerer det nødvendige overfladeareal.
Tyndere rørvæg.En tyndere væg reducerer den termiske modstand og øger den samlede koefficient. En 0,5 mm væg har halvdelen af den termiske modstand af en 1,0 mm væg.
Højere strømningshastighed.En højere strømningshastighed øger filmkoefficienterne på begge sider af rørvæggen, hvilket øger den samlede koefficient og reducerer det nødvendige overfladeareal.
Forbedret røroverflade.En røroverflade med finner eller riller øger overfladearealet pr. længdeenhed og filmkoefficienten, hvilket tillader en mindre LMTD.
Større temperaturforskel over hele processen.Ved at tillade procesvæsken at stige eller falde med en større mængde hen over varmeveksleren øges LMTD. Procestemperaturtolerancen begrænser den tilladte temperaturændring.
Split varmeveksler konfiguration.Opdeling af varmebelastningen mellem to mindre varmevekslere gør det muligt for hver enhed at arbejde ved en mindre LMTD uden pladsstraffen for en enkelt stor enhed.
Specifikationsparametre for anodiseringsservice
Udstyrsingeniører, der specificerer en PTFE-varmeveksler til anodiseringsservice, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Anodiseringstype.Angiv type II eller Type III anodisering og procestemperaturen.
Procestemperaturtolerance.Angiv den tilladte temperaturvariation i procesbadet.
Kølet vandforsyningstemperatur.Angiv kølevandsforsyningstemperaturen og den tilgængelige flowhastighed.
Returtemperatur for afkølet vand.Angiv den maksimalt tilladte returtemperatur for kølet vand.
Varmebelastning.Angiv varmebelastningen og det forventede område.
LMTD.Angiv LMTD baseret på proces- og kølevandstemperaturerne.
Overfladeareal.Angiv det nødvendige overfladeareal til varmebelastningen og LMTD'en.
Rørmateriale.Angiv rørmaterialet baseret på den nødvendige samlede koefficient og vægtemperaturen.
Flow arrangement.Angiv flowarrangementet. Modstrøm- foretrækkes for maksimal LMTD.
Matchende LMTD til anodiseringsproceskrav
LMTD'en bestemmer det nødvendige overfladeareal og gennemførligheden af kølepligten i en PTFE-varmeveksler til anodiseringsservice. En mindre LMTD kræver en større varmeveksler, men tillader en højere kølevandsforsyningstemperatur og lavere køleomkostninger. En større LMTD tillader en mindre varmeveksler, men kræver en lavere kølevandsforsyningstemperatur og højere køleomkostninger.
LMTD bør vælges baseret på procestemperaturen, kølevandsforsyningstemperaturen, varmebelastningen og pladsbegrænsningerne. En simpel regnearksmodel med varmeoverførselsberegningen og omkostningsdataene giver den nødvendige information til at vælge den optimale LMTD.
For anodiseringslinjer, der evaluerer muligheder for PTFE-varmeveksler, skal LMTD specificeres i indkøbsdokumenterne og verificeres ved idriftsættelse. Standardkonfigurationen leveret af producenten kan være optimeret til kompakthed snarere end energieffektivitet, og den resulterende LMTD matcher muligvis ikke de faktiske proceskrav.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der evaluerer PTFE-varmevekslerspecifikationer for anodisering eller anden lav-temperaturkøletjeneste, kan anmode om en designgennemgang, der dækker anodiseringstype, procestemperatur, kølevandsforsyningstemperatur, varmebelastning, LMTD og overfladeareal for at bekræfte, at enheden er afstemt med de faktiske proceskrav og omkostningsstrukturen for anlægget.
