LMTDen som definerer kjøleplikten
En type III hard anodiseringslinje som opererer ved 2 grader krever en varmeveksler for å fjerne 50 kW reaksjonsvarme. Kjølevannsforsyningen er på −2 grader, og returen er på 2 grader. Prosessvæsken kommer inn i varmeveksleren ved 4 grader og går ut ved 2 grader.
For et -motstrømsarrangement er temperaturforskjellene i de to endene: varm ende (prosessinnløp 4 grader − kjøltvannsuttak 2 grader )=2 grad og kald ende (prosessutløp 2 grader − kjøltvannsinntak −2 grader )=4 grad . LMTD beregnes fra disse to verdiene og er omtrent 2,9 grader.
LMTD på 2,9 grader er veldig liten. For en varmeveksler med en total koeffisient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW, er det nødvendige overflatearealet 86 m². Dette er en veldig stor varmeveksler, og kapitalkostnaden er betydelig.
Den lille LMTD er den definerende begrensningen for hard anodiseringskjøling. Varmeveksleren må være stor nok til å overføre varmen over den lille temperaturforskjellen, og overflatebehovet driver kapitalkostnaden og fotavtrykket.
Hvorfor LMTD er liten i anodiseringstjeneste
LMTD er liten i anodiseringstjeneste av tre grunner.
For det første er prosesstemperaturen lav. Type III hard anodisering opererer ved 0–5 grader, og Type II svovelsyre eloksering opererer ved 20–22 grader. Den lave prosesstemperaturen begrenser temperaturforskjellen mellom prosessen og kjølevannet.
For det andre begrenses tilførselstemperaturen for kjølt vann av kjølesystemet. En typisk kjølt vannforsyning er på 5–7 grader for type II anodisering og ved -5 til 0 grader for type III hard anodisering. Tilførselstemperaturen kan ikke reduseres i det uendelige fordi kjølesystemets effektivitet reduseres og risikoen for frysing øker.
For det tredje er prosesstemperaturtoleransen stram. Anodiseringsreaksjonshastigheten og beleggegenskapene avhenger av temperaturen, og toleransen er typisk ±1 grad. Den tette toleransen begrenser temperaturstigningen til prosessvæsken over varmeveksleren, noe som reduserer LMTD.
LMTD i type II svovelsyreanodisering
Type II svovelsyreanodisering fungerer ved 20–22 grader med en toleranse på ±1 grad. Kjølevannsforsyningen er typisk på 10–12 grader, og returen er på 15–17 grader. Prosessvæsken kommer inn i varmeveksleren ved 22 grader og går ut ved 20 grader.
For et -motstrømsarrangement er temperaturforskjellene i de to endene: varm ende (prosessinnløp 22 grader − kjøltvannsuttak 17 grader )=5 grad og kald ende (prosessutløp 20 grader − kjøltvannsinntak 10 grader )=10 grad . LMTD er omtrent 7,2 grader.
LMTD på 7,2 grader er større enn den harde anodiseringsboksen, men fortsatt liten sammenlignet med typiske varmevekslerapplikasjoner. For en varmeveksler med en total koeffisient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW, er det nødvendige overflatearealet 35 m².
LMTD i type III hard anodisering
Type III hard anodisering opererer ved 0–5 grader med en toleranse på ±0,5 grader. Kjølevannstilførselen er typisk på −5 til 0 grader, og returen er på 0–3 grader. Prosessvæsken kommer inn i varmeveksleren ved 4 grader og går ut ved 2 grader.
For et -motstrømsarrangement er temperaturforskjellene i de to endene: varm ende (prosessinnløp 4 grader − kjøltvannsuttak 3 grader )=1 grad og kald ende (prosessutløp 2 grader − kjøltvannsinntak −5 grader )=7 grad . LMTD er omtrent 3,2 grader.
LMTD på 3,2 grader er veldig liten. For en varmeveksler med en total koeffisient på 200 W/m²·K og en varmebelastning på 50 kW, er det nødvendige overflatearealet 78 m².
Effekten av strømningsarrangement på LMTD
Strømningsarrangementet påvirker LMTD. Et -motstrømsarrangement gir den største LMTD for et gitt sett med innløps- og utløpstemperaturer. Et parallell-flytarrangement gir den minste LMTD. Et kryss-flytarrangement gir en mellomliggende LMTD.
For anodiseringstjenester foretrekkes -motstrømsarrangementet fordi det maksimerer LMTD og minimerer det nødvendige overflatearealet. Motstrømsarrangementet er spesielt viktig i hard anodisering, der LMTD er veldig lite og overflatebehovet er høyt.
Sammenligning av LMTD-verdier for forskjellige anodiseringsforhold
Følgende tabell oppsummerer LMTD og det nødvendige overflatearealet for forskjellige anodiseringsforhold med en varmebelastning på 50 kW og en total koeffisient på 200 W/m²·K.
| Anodiseringstype | Prosesstemperatur | Kjølt vannforsyning | Retur av kjølt vann | Prosess ΔT | LMTD | Nødvendig overflate |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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, høy 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, høy belastning | 4 grader | -5 grader | 2 grader | 3 grader | 2,4 grader | 104 m² |
| Type III, svært høy belastning | 4 grader | -8 grader | 2 grader | 4 grader | 2,0 grader | 125 m² |
De nødvendige overflatearealverdiene forutsetter et -motstrømsarrangement og en total varmeoverføringskoeffisient på 200 W/m²·K. Det faktiske overflatearealet vil avhenge av rørmaterialet, veggtykkelsen og strømningshastighetene.
De praktiske grensene for LMTD i anodiseringstjeneste
De praktiske grensene for LMTD i anodiseringstjeneste bestemmes av avveiningen- mellom størrelsen på varmeveksleren og kjølekostnaden. En mindre LMTD krever en større varmeveksler, men tillater en høyere tilførselstemperatur for kjølt vann, noe som reduserer kjølekostnadene. En større LMTD tillater en mindre varmeveksler, men krever en lavere tilførselstemperatur for kjølt vann, noe som øker kjølekostnadene.
For anodisering av svovelsyre type II er det praktiske LMTD-området 6–10 grader. Under 6 grader blir varmeveksleren upraktisk stor. Over 10 grader blir tilførselstemperaturen for kjølt vann for høy til å gi tilstrekkelig kjøling.
For type III hard anodisering er det praktiske LMTD-området 2–5 grader. Under 2 grader blir varmeveksleren upraktisk stor. Over 5 grader blir tilførselstemperaturen for kjølt vann for høy til å opprettholde prosesstemperaturen.
Designfunksjoner som tillater mindre LMTD
Flere designfunksjoner tillater en mindre LMTD uten en overdreven økning i varmevekslerstørrelsen.
Rørmateriale med høyere ledningsevne.En fylt PTFE-blanding med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvparten av veggens termiske motstand av virgin PTFE, noe som øker den totale varmeoverføringskoeffisienten og reduserer det nødvendige overflatearealet.
Tynnere rørvegg.En tynnere vegg reduserer den termiske motstanden og øker den totale koeffisienten. En 0,5 mm vegg har halvparten av termisk motstand av en 1,0 mm vegg.
Høyere strømningshastighet.En høyere strømningshastighet øker filmkoeffisientene på begge sider av rørveggen, noe som øker den totale koeffisienten og reduserer det nødvendige overflatearealet.
Forbedret røroverflate.En røroverflate med finner eller spor øker overflatearealet per lengdeenhet og filmkoeffisienten, noe som tillater en mindre LMTD.
Større temperaturforskjell over hele prosessen.Å tillate prosessvæsken å stige eller falle med en større mengde over varmeveksleren øker LMTD. Prosesstemperaturtoleransen begrenser den tillatte temperaturendringen.
Delt varmevekslerkonfigurasjon.Ved å dele varmebelastningen mellom to mindre varmevekslere kan hver enhet operere på en mindre LMTD uten plassstraff for en enkelt stor enhet.
Spesifikasjonsparametre for anodiseringstjeneste
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for anodisering, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Anodiseringstype.Spesifiser Type II eller Type III anodisering og prosesstemperatur.
Prosesstemperaturtoleranse.Spesifiser tillatt temperaturvariasjon i prosessbadet.
Tilførselstemperatur for kjølt vann.Spesifiser tilførselstemperaturen for kjølt vann og tilgjengelig strømningshastighet.
Returtemperatur for avkjølt vann.Spesifiser maksimal tillatt returtemperatur for kjølt vann.
Varmebelastning.Spesifiser varmebelastningen og forventet område.
LMTD.Spesifiser LMTD basert på prosess- og kjølevannstemperaturer.
Overflateareal.Spesifiser overflatearealet som kreves for varmebelastningen og LMTD.
Rørmateriale.Spesifiser rørmaterialet basert på den nødvendige totale koeffisienten og veggtemperaturen.
Strømningsarrangement.Spesifiser strømningsarrangementet. Motstrøm- er foretrukket for maksimal LMTD.
Matching av LMTD til anodiseringsprosesskrav
LMTD bestemmer det nødvendige overflatearealet og gjennomførbarheten av kjøleplikten i en PTFE varmeveksler for anodiseringstjeneste. En mindre LMTD krever en større varmeveksler, men tillater en høyere tilførselstemperatur for kjølt vann og lavere kjølekostnad. En større LMTD tillater en mindre varmeveksler, men krever en lavere tilførselstemperatur for kjølt vann og en høyere kjølekostnad.
LMTD bør velges basert på prosesstemperaturen, tilførselstemperaturen for kjølt vann, varmebelastningen og plassbegrensningene. En enkel regnearkmodell med varmeoverføringsberegning og kostnadsdata gir informasjonen som trengs for å velge den optimale LMTD.
For anodiseringslinjer som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør LMTD spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen levert av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for energieffektivitet, og den resulterende LMTD-en samsvarer kanskje ikke med de faktiske prosesskravene.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som evaluerer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for anodisering eller annen lav-temperaturkjøletjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker anodiseringstype, prosesstemperatur, kjøltvannstilførselstemperatur, varmebelastning, LMTD og overflateareal for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske prosesskravene og kostnadsstrukturen til anlegget.
