Temperaturområdet der stråling er viktig
Strålingsvarmeoverføring er proporsjonal med den fjerde potensen av den absolutte temperaturen, i henhold til Stefan-Boltzmann-loven: q=εσ(T₁⁴ − T₂⁴), der q er varmefluksen, ε er emissiviteten, σ er Stefan--temperaturen og T₂tz-en til konstanten og T₂tz-en til konstanten. de to flatene.
Ved lave temperaturer er strålingsvarmefluksen liten sammenlignet med konveksjonsvarmefluksen. Ved 60 grader (333 K) er strålingsvarmefluksen mellom to overflater med en emissivitet på 0,9 og en temperaturforskjell på 20 grader omtrent 120 W/m². Konveksjonsvarmefluksen ved samme forhold er ca. 2000 W/m². Strålebidraget er ca. 6 % av totalen.
Ved 200 grader (473 K) er strålingsvarmefluksen med samme emissivitet og temperaturforskjell omtrent 380 W/m². Konveksjonsvarmefluksen er ca. 3500 W/m². Strålebidraget er ca. 10 % av totalen.
Ved 300 grader (573 K) er strålingsvarmefluksen omtrent 750 W/m². Konveksjonsvarmefluksen er ca. 4500 W/m². Strålebidraget er ca. 14 % av totalen.
Strålingsbidraget blir betydelig over 200 grader, og det må inkluderes i varmeoverføringsberegningen for høy-temperaturtjeneste.
Emissiviteten til PTFE
Emissiviteten til PTFE er omtrent 0,85–0,92 for bølgelengdeområdet til termisk stråling. Den høye emissiviteten gjør at PTFE-overflater er effektive radiatorer og absorbere termisk stråling.
Emissiviteten til PTFE er høyere enn for polerte metaller, som har emissiviteter på 0,05–0,20. Den høye emissiviteten til PTFE er en fordel ved strålingsvarmeoverføring fordi den lar overflaten absorbere og avgi stråling effektivt.
Emissiviteten påvirkes av overflatetilstanden. En glatt PTFE-overflate har en emissivitet på ca. 0,85, mens en ru eller forurenset overflate har en emissivitet på ca. 0,92. Emissiviteten øker også med temperaturen, fra 0,85 ved 20 grader til 0,92 ved 200 grader.
Geometrien til varmeveksleren
Strålingsvarmeoverføringen avhenger av varmevekslerens geometri og utsiktsfaktoren mellom overflatene. Synsfaktoren er brøkdelen av strålingen som forlater en overflate som treffer den andre overflaten.
I en varmeveksler med skall-og-rør er rørene omgitt av skallet, og utsiktsfaktoren mellom rørene og skallet er høy. Strålingsvarmeoverføringen mellom rørene og skallet er betydelig hvis skalltemperaturen er forskjellig fra rørtemperaturen.
I en platevarmeveksler er platene parallelle, og utsiktsfaktoren mellom tilstøtende plater er høy. Strålingsvarmeoverføringen mellom platene er betydelig hvis platetemperaturene er forskjellige.
I en dykkspole er spolen omgitt av prosessvæsken, og utsiktsfaktoren mellom spolen og tankveggen er moderat. Strålingsvarmeoverføringen mellom spolen og tankveggen er betydelig hvis tankveggens temperatur er forskjellig fra batteritemperaturen.
Strålingsbidraget i høy-temperaturtjeneste
Følgende tabell oppsummerer strålingsbidraget til den totale varmeoverføringen for ulike temperaturnivåer og overflateforhold i en PTFE varmeveksler.
| Prosesstemperatur | Overflateemissivitet | Temperaturforskjell | Strålingsvarmefluks | Konveksjonsvarmefluks | 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% |
Strålingsvarmefluksen beregnes for en overflateemissivitet på 0,85–0,92 og en temperaturforskjell på 20 grader. Konveksjonsvarmefluksen beregnes for en filmkoeffisient på 100 W/m²·K og samme temperaturforskjell. Strålingsbidraget er forholdet mellom strålingsvarmefluksen og den totale varmefluksen.
Effekten av stråling på den totale varmeoverføringskoeffisienten
Strålingsvarmeoverføringen øker konveksjonsvarmeoverføringen, og den kombinerte effekten øker den totale varmeoverføringskoeffisienten. Strålingsbidraget kan uttrykkes som en ekvivalent strålingsfilmkoeffisient, h_rad=q_rad / ΔT.
For en prosesstemperatur på 200 grader og en temperaturforskjell på 20 grader er strålingsvarmefluksen 400 W/m², og den ekvivalente strålingsfilmkoeffisienten er 20 W/m²·K. Konveksjonsfilmkoeffisienten er 100 W/m²·K. Den kombinerte filmkoeffisienten er 120 W/m²·K, som er 20 % høyere enn konveksjonskoeffisienten alene.
Økningen i filmkoeffisienten reduserer det nødvendige overflatearealet for en gitt varmebelastning. For en varmeveksler med en varmebelastning på 50 kW og en temperaturforskjell på 20 grader, er det nødvendige overflatearealet med kun konveksjon 25 m². Med stråling inkludert er det nødvendige overflatearealet 21 m², en reduksjon på 16 %.
Effekten av stråling på rørveggens temperatur
Strålingsvarmeoverføringen påvirker også rørveggens temperatur. Strålingsvarmefluksen absorberes av rørveggen og prosessvæsken, noe som reduserer temperaturforskjellen mellom rørveggen og prosessvæsken.
Den lavere temperaturforskjellen reduserer rørveggens temperatur og nedbrytningshastigheten til PTFE. Ved høy-temperatur kan den lavere veggtemperaturen forlenge levetiden til varmeveksleren.
Effekten er liten ved lav temperatur, men blir betydelig over 200 grader. Ved 300 grader kan strålingsbidraget redusere rørveggens temperatur med 5–10 grader, noe som kan forlenge levetiden med 20–30 %.
Designfunksjoner som forbedrer strålingsvarmeoverføring
Flere designfunksjoner forbedrer strålingsvarmeoverføringen i en PTFE varmeveksler.
Overflate med høy emissivitet.En overflate med høy emissivitet absorberer og sender ut stråling effektivt. PTFE har naturlig høy emissivitet, og overflaten bør holdes ren for å opprettholde emissiviteten.
Stor utsiktsfaktor.En geometri som gir en stor utsiktsfaktor mellom de varme og kalde overflatene forbedrer strålingsvarmeoverføringen. En skall-og-rørkonfigurasjon med rørene omgitt av skallet gir en høy visningsfaktor.
Høy temperaturforskjell.En større temperaturforskjell mellom overflatene øker strålingsvarmefluksen. Temperaturforskjellen bestemmes av prosess- og servicevæsketemperaturene.
Strålingsskjermer.I noen applikasjoner brukes strålingsskjold for å redusere strålingsvarmeoverføringen. Skjoldene er plassert mellom varme og kalde overflater og reduserer utsiktsfaktoren.
Overflateorientering.Orienteringen av overflatene påvirker strålingsvarmeoverføringen. Overflater som vender direkte mot hverandre har en høyere synsfaktor enn flater som er i vinkel.
Sammenligning av strålingsbidrag ved forskjellige temperaturer
Tabellen nedenfor oppsummerer den totale varmeoverføringskoeffisienten med og uten strålingsbidraget for ulike prosesstemperaturer i en PTFE varmeveksler.
| Prosesstemperatur | Konveksjonskoeffisient | Strålingskoeffisient | Kombinert koeffisient | Økning fra stråling | Nødvendig overflatereduksjon |
|---|---|---|---|---|---|
| 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% |
Konveksjonskoeffisienten antas å være 100 W/m²·K, og temperaturforskjellen er 20 grader. Strålingskoeffisienten beregnes fra Stefan-Boltzmann-loven med en emissivitet på 0,90. Den nødvendige overflatereduksjonen er den prosentvise reduksjonen i overflateareal sammenlignet med konveksjons-eneste tilfellet.
Spesifikasjonsparametre for høy-temperaturtjeneste
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for høy-temperatur, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Prosesstemperatur.Angi maksimal prosesstemperatur og forventet temperaturprofil.
Servicevæsketemperatur.Spesifiser servicevæsketemperaturen og tilgjengelig trykk.
Temperaturforskjell.Spesifiser temperaturforskjellen mellom prosess- og servicevæskene.
Overflateemissivitet.Spesifiser emissiviteten til PTFE-overflaten og overflatetilstanden.
Varmebelastning.Spesifiser varmebelastningen og forventet område.
Overflateareal.Spesifiser overflatearealet med og uten strålingsbidraget.
Temperatur på rørveggen.Angi maksimal tillatt rørveggtemperatur.
Strålebidrag.Spesifiser om strålingsbidraget er inkludert i varmeoverføringsberegningen.
Matchende strålingsbidrag til høy-temperaturtjeneste
Strålingsvarmeoverføringen bidrar til den totale varmeoverføringen i en PTFE varmeveksler ved temperaturer over 150 grader. Bidraget øker med temperaturen og når 10–14 % av den totale varmeoverføringen ved 200–300 grader . Strålingsbidraget reduserer nødvendig overflateareal og rørveggtemperaturen, noe som kan forlenge levetiden til varmeveksleren.
Strålingsbidraget bør inkluderes i varmeoverføringsberegningen for høy-temperaturtjeneste. Å neglisjere strålingsbidraget resulterer i en overdimensjonert varmeveksler som har høyere kapitalkostnad og større fotavtrykk enn nødvendig.
For serviceanlegg med høy-temperatur som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør strålingsbidraget spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten inkluderer kanskje ikke strålingsbidraget, og den resulterende varmeveksleren kan være overdimensjonert.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som evaluerer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for høy-temperaturtjeneste kan be om en designgjennomgang som dekker prosesstemperatur, servicevæsketemperatur, temperaturforskjell, overflateemissivitet, varmebelastning og overflateareal for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske varmeoverføringsforholdene og kostnadsstrukturen til anlegget.
