U-verdiens betydning
Den totale varmeoverføringskoeffisienten-U-verdi-avgjør hvor mye varme en PTFE-varmeveksler overfører per kvadratmeter per grad av temperaturforskjell. Et unøyaktig U--verdiestimat gir en varmeveksler med feil størrelse. Batteriet er enten for lite til å klare varmebelastningen eller unødvendig stor og dyr.
U-verdiestimat for PTFE-varmevekslere skiller seg fra metallvekslere på ett kritisk aspekt: motstanden i rørveggen er betydelig. For rustfritt stål er veggmotstanden ofte ubetydelig. For PTFE, med termisk ledningsevne 60 ganger lavere, er veggmotstand en hovedkomponent av den totale U--verdien. Å ignorere det fører til betydelige størrelsesfeil.
Nøyaktig estimering av U-verdi krever summering av tre motstander i serie: den indre damp-sidefilmen, PTFE-rørveggen og den eksterne prosess-sidefilmen. Hver bidrar til totalen. Den største motstanden dominerer U-verdien.
De tre motstandene i serien
Den totale varmeoverføringskoeffisienten er den inverse av summen av individuelle motstander. Hver motstand representerer en barriere som varme må krysse.
Den indre filmmotstanden avhenger av varmeoverføringskoeffisienten på damp-siden. For kondensering av damp inne i et rør er denne koeffisienten høy-vanligvis 5 000–10 000 W/m²·K. Motstanden er liten, ofte mindre enn 10 % av totalen.
Rørveggmotstand avhenger av PTFEs varmeledningsevne og veggtykkelse. For 1,0 mm vegg-PTFE-rør med konduktivitet på 0,25 W/m·K, er veggmotstanden 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Denne motstanden fastsettes av materialvalg og veggtykkelse. Den representerer typisk 20-40 % av den totale motstanden.
Ekstern filmmotstand avhenger av prosess-sidekonveksjon. Under tvungen konveksjon med væskehastighet på 0,5-0,8 m/s forbi rørene, varierer den eksterne koeffisienten fra 400-800 W/m²·K for vandige løsninger. Motstanden er 0,00125-0,0025 m²·K/W. Dette er ofte den største enkeltmotstanden, som representerer 40-60 % av totalen.
Tabell 1: U-verdiberegningskomponenter for PTFE varmeveksler (10 mm OD, 1 mm vegg, tvungen konveksjon)
| Motstandskomponent | Koeffisient (W/m²·K) | Motstand (m²·K/W) | % av total motstand |
|---|---|---|---|
| Intern (kondenserende damp) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| PTFE-rørvegg (1,0 mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Ekstern (tvungen konveksjon, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Tilsmussing (ren service) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Samlet U-verdi | 167 | 0.006 | 100% |
Beregning for vandig syreløsning ved 60 grader med 0,6 m/s tverrstrømningshastighet. Tilsmussing for innledningsvis ren PTFE-overflate. Faktisk felt U-verdi reduseres etter hvert som begroing akkumuleres.
Tvunget konveksjonseffekt på U-verdi
Tvunget konveksjon øker den eksterne varmeoverføringskoeffisienten, og reduserer den eksterne filmmotstanden. Dette forbedrer den generelle U-verdien. Men forbedringen har grenser fordi PTFE-veggmotstanden er fast og betydelig.
Dobling av væskehastigheten fra 0,3 m/s til 0,6 m/s øker den eksterne koeffisienten fra ca. 350 til 600 W/m²·K. Den generelle U-verdien forbedres fra 145 til 167 W/m²·K-bare en økning på 15 %. Ytterligere hastighetsøkninger produserer avtagende avkastning ettersom den faste veggmotstanden blir dominerende.
Denne oppførselen skiller seg fra metallvarmevekslere, der økende hastighet kan forbedre U-verdien dramatisk fordi veggmotstanden er ubetydelig. For PTFE-vekslere setter veggmotstanden et tak på oppnåelig U--verdi uavhengig av strømningsforhold.
Feltmåling vs. beregning
Beregnede U--verdier gir designanslag. Feltmåling bekrefter faktisk ytelse. Felt U--verdien bestemmes ved å måle varmebelastning (fra strømningshastighet og temperaturendring på hver side) og dividere med kjent overflate og målt LMTD.
En felt U--verdi som er betydelig lavere enn det beregnede estimatet indikerer tilsmussing, kondensatflom eller strømningsfeilfordeling. Vanlig U-verditrend gir tidlig advarsel om utvikling av problemer før de påvirker produksjonen.
For nye PTFE-varmevekslere bør en grunnlinje U--verdi etableres under idriftsettelse. Denne grunnlinjen blir referansen for alle fremtidige ytelsessammenligninger.
Sammendrag
PTFE-varmeveksler U--verdiestimat summerer motstanden mot indre film, rørvegg og ytre film. PTFE-veggmotstanden, fastsatt av materialets ledningsevne og tykkelse, representerer en betydelig brøkdel av de totale -vanligvis 30-45 %. Denne veggmotstanden begrenser den maksimalt oppnåelige U-verdien uavhengig av strømningsforbedringer.
Tvunget konveksjon forbedrer ekstern filmkoeffisient, men gir avtagende avkastning ettersom veggmotstanden dominerer. Beregnede U--verdier bør verifiseres ved feltmåling og trendes over tid for å oppdage begroing eller annen degradering.
Teknisk analyse for PTFE varmeveksler U-verdiberegning i spesifikke prosessforhold er tilgjengelig ved innsending av væskeegenskaper, strømningshastighet, rørspesifikasjoner, dampforhold og driftstemperaturdata.
