พื้นผิวที่กำหนดความเสถียรของอ่างอาบน้ำ
ไลน์การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่ทำงานในอ่างขนาด 4,000 ลิตรที่ 90 องศา ต้องใช้ความร้อน 18 กิโลวัตต์ เพื่อรักษาอุณหภูมิไม่ให้สูญเสียในถังและโหลดชิ้นงาน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่จ่ายความร้อนนี้มีพื้นที่ผิว 6 ตารางเมตร ซึ่งสอดคล้องกับฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิว 3.0 วัตต์/ซม.²
อุณหภูมิผนังท่อถูกกำหนดโดยฟลักซ์ความร้อนและความต้านทานความร้อนของผนังท่อและฟิล์มของไหล สำหรับท่อ PTFE ที่มีผนัง 0.8 มม. และมีค่าการนำความร้อน 0.25 W/m·K ความต้านทานความร้อนที่ผนังคือ 0.0032 m²·K/W ที่ฟลักซ์ความร้อน 3.0 วัตต์/ซม.² อุณหภูมิที่แตกต่างกันทั่วทั้งผนังจะอยู่ที่ประมาณ 96 องศา หากอ่างทำมุม 90 องศา พื้นผิวด้านในของผนังท่อจะอยู่ที่ประมาณ 186 องศา
เกณฑ์การสลายตัวของอ่างสำหรับอ่างนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าแบบไฮโปฟอสไฟต์-แบบรีดิวซ์อยู่ที่ประมาณ 95–100 องศาที่พื้นผิว อุณหภูมิผนังท่อ 186 องศาอยู่เหนือเกณฑ์นี้มากและอ่างจะสลายตัวบนพื้นผิวท่อ การสลายตัวก่อให้เกิดการสะสมตัวของนิกเกิลที่จะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน และในที่สุดจะทำให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทำงานล้มเหลว
เกณฑ์ฟลักซ์ความร้อนที่กำหนดอายุการใช้งานของท่อ
เกณฑ์ฟลักซ์ความร้อนสำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าคือค่าที่ต่ำกว่าอุณหภูมิผนังท่อยังคงต่ำกว่าเกณฑ์การสลายตัวของอ่าง สำหรับการอาบน้ำที่อุณหภูมิ 90 องศา และเกณฑ์การสลายตัวที่ 98 องศา อุณหภูมิที่อนุญาตทั่วทั้งผนังคือ 8 องศา ที่ความต้านทานความร้อนผนัง 0.0032 ตร.ม.·K/W ค่าฟลักซ์ความร้อนที่อนุญาตคือ 0.25 วัตต์/ซม.²
เกณฑ์นี้ต่ำกว่าฟลักซ์ความร้อนในการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไปมาก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ออกแบบมาสำหรับฟลักซ์ความร้อน 3.0 วัตต์/ซม.² จะทำงานที่อุณหภูมิผนังท่อซึ่งสูงกว่าเกณฑ์การสลายตัวอย่างมาก และอายุการใช้งานของท่อจะถูกกำหนดโดยอัตราการสลายตัวของอ่างบนพื้นผิวท่อ
ความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์ความร้อนและอายุการใช้งานของท่อไม่เป็นเส้นตรง อายุการใช้งานของท่อต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดโดยปัจจัยทางกล เช่น วงจรความร้อนและการคืบ และอายุการใช้งานโดยทั่วไปคือ 10-15 ปี อายุการใช้งานของท่อจะถูกกำหนดโดยอัตราการสลายตัวและอายุการใช้งานจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อฟลักซ์ความร้อนเพิ่มขึ้น
อัตราการสลายตัวเหนือเกณฑ์
อัตราการสลายตัวจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามอุณหภูมิผนังท่อ อุณหภูมิผนังที่เพิ่มขึ้น 10 องศาจะเพิ่มอัตราการสลายตัวประมาณสองเท่า ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิผนัง 100 องศาและ 186 องศาเป็นปัจจัย 6,000 ในอัตราการย่อยสลาย
การสลายตัวทำให้เกิดการสะสมของนิกเกิลบนพื้นผิวท่อ ความหนาของคราบจะเพิ่มขึ้นตามเวลา และคราบจะลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์ที่ลดลงต้องใช้อุณหภูมิผนังท่อที่สูงขึ้นเพื่อรักษาฟลักซ์ความร้อนเท่าเดิม ซึ่งจะเพิ่มอัตราการสลายตัวต่อไป ผลที่ได้คือสภาวะที่ไม่สามารถควบคุมได้ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของท่ออย่างรวดเร็ว
ในทางปฏิบัติ อายุของท่อที่สูงกว่าเกณฑ์ปกติคือ 3–12 เดือน ขึ้นอยู่กับฟลักซ์ความร้อนและเคมีของอ่าง อายุการใช้งานจะยาวนานขึ้นเมื่อมีฟลักซ์ความร้อนต่ำ และสั้นลงเมื่อมีฟลักซ์ความร้อนสูงขึ้น
การหาปริมาณอายุการใช้งานของท่อที่ฟลักซ์ความร้อนต่างๆ
ตารางต่อไปนี้สรุปอายุของท่อโดยประมาณที่ฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิวต่างๆ ในอ่างนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่ 90 องศา โดยมีเกณฑ์การสลายตัวที่ 98 องศา
| ฟลักซ์ความร้อนพื้นผิว | อุณหภูมิผนังท่อ | อัตราการสลายตัว | อายุหลอดโดยประมาณ | โหมดความล้มเหลวที่โดดเด่น |
|---|---|---|---|---|
| 0.2 วัตต์/ซม.² | 96 องศา | เล็กน้อย | 12–15 ปี | ความเหนื่อยล้าทางกล |
| 0.5 วัตต์/ซม.² | 106 องศา | ต่ำ | 5–8 ปี | สลายตัวช้า |
| 1.0 วัตต์/ซม.² | 122 องศา | ปานกลาง | 2–3 ปี | เงินฝากสลายตัว |
| 1.5 วัตต์/ซม.² | 138 องศา | สูง | 12–18 เดือน | เงินฝากสลายตัว |
| 2.0 วัตต์/ซม.² | 154 องศา | สูงมาก | 8–12 เดือน | การสลายตัวอย่างรวดเร็ว |
| 2.5 วัตต์/ซม.² | 170 องศา | สุดขีด | 5–8 เดือน | การสลายตัวอย่างรวดเร็ว |
| 3.0 วัตต์/ซม.² | 186 องศา | สุดขีด | 3–5 เดือน | การสลายตัวอย่างรวดเร็ว |
ค่าอายุการใช้งานของท่อเป็นค่าประมาณโดยอิงจากข้อมูลภาคสนามจากไลน์การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าพร้อมอ่างลดไฮโปฟอสไฟต์- อายุการใช้งานจริงจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเคมีในการอาบน้ำ ความเข้มข้นของสารทำให้คงตัว และวิธีปฏิบัติ
ข้อกำหนดพื้นที่ผิวที่ฟลักซ์ความร้อนเกณฑ์
เกณฑ์ฟลักซ์ความร้อนที่ 0.25–0.5 วัตต์/ซม.² สำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้านั้นต้องการพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่าการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไปมาก สำหรับโหลดความร้อน 18 kW ที่ฟลักซ์ความร้อน 0.4 W/cm² พื้นที่ผิวที่ต้องการคือ 45 m²
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่มีพื้นที่ผิว 45 ตร.ม. มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง ต้นทุนเงินทุนสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีพื้นที่ผิว 6 ตารางเมตรประมาณ 3-4 เท่า หน่วยที่ใหญ่กว่ายังต้องการพื้นที่มากขึ้น ปริมาณของเหลวที่มากขึ้น และพลังงานการสูบที่มากขึ้น
ข้อเสีย-คือระหว่างต้นทุนเงินทุนที่สูงขึ้นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่กับค่าบำรุงรักษาที่ลดลงและอายุการใช้งานของท่อที่ยาวขึ้น ในช่วงระยะเวลาห้า- ปี หน่วยที่ใหญ่กว่าซึ่งมีฟลักซ์ความร้อนต่ำกว่ามักจะมีต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของที่ต่ำกว่า เนื่องจากต้องการการทำความสะอาดและเปลี่ยนบ่อยครั้งน้อยกว่า
คุณสมบัติการออกแบบที่ลดฟลักซ์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพ
คุณสมบัติการออกแบบหลายประการลดการไหลของความร้อนที่มีประสิทธิภาพบนพื้นผิวท่อ
พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นวิธีที่ตรงที่สุดในการลดฟลักซ์ความร้อนคือการเพิ่มพื้นที่ผิว พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น 50% ช่วยลดฟลักซ์ความร้อนได้ 33%
ความเร็วการไหลของกระบวนการที่สูงขึ้นความเร็วการไหลที่สูงขึ้นจะเพิ่ม-ค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มด้านข้างของกระบวนการ และลดอุณหภูมิผนังท่อสำหรับฟลักซ์ความร้อนเท่าเดิม ความเร็วที่สูงขึ้นยังช่วยลดความหนาของชั้นขอบเขตและความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวที่พื้นผิวท่อ
ผนังท่อบางกว่าผนังที่บางลงจะช่วยลดความต้านทานความร้อนและอุณหภูมิผนังสำหรับฟลักซ์ความร้อนเดียวกัน ผนัง 0.5 มม. มีความต้านทานความร้อนครึ่งหนึ่งของผนัง 0.8 มม.
วัสดุท่อนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นสารประกอบ PTFE แบบเติมที่มีค่าการนำความร้อน 0.5 W/m·K มีความต้านทานความร้อนที่ผนังครึ่งหนึ่งของ PTFE บริสุทธิ์ ความต้านทานที่ต่ำกว่าจะช่วยลดอุณหภูมิผนังสำหรับฟลักซ์ความร้อนเดียวกัน
ส่วนหัวการกระจายการไหลส่วนหัวการกระจายการไหลช่วยให้มั่นใจได้ว่าการไหลสม่ำเสมอทั่วทั้งมัดท่อ ซึ่งป้องกันจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งฟลักซ์ความร้อนสูงกว่าค่าเฉลี่ย
การกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแยกส่วนการแบ่งภาระความร้อนระหว่างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็กสองตัวจะช่วยลดการไหลของความร้อนในแต่ละยูนิต และทำให้เกิดความซ้ำซ้อนหากยูนิตหนึ่งทำงานล้มเหลว
การเปรียบเทียบการกำหนดค่าการออกแบบสำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า
ตารางต่อไปนี้สรุปอายุการใช้งานของท่อและต้นทุนรวมห้า- ปีสำหรับการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ต่างๆ ในอ่างนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่ 90 องศา พร้อมภาระความร้อน 18 kW
| การกำหนดค่า | พื้นที่ผิว | ฟลักซ์ความร้อน | ชีวิตหลอด | ต้นทุนเงินทุน | ค่าบำรุงรักษาประจำปี | ต้นทุนรวมห้า-ปี |
|---|---|---|---|---|---|---|
| การออกแบบมาตรฐาน | 6 m² | 3.0 วัตต์/ซม.² | 3–5 เดือน | $18,000 | $12,000 | $78,000 |
| พื้นที่ผิวปานกลาง | 12 m² | 1.5 วัตต์/ซม.² | 12–18 เดือน | $24,000 | $6,000 | $54,000 |
| พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ | 24 m² | 0.75 วัตต์/ซม.² | 3-5 ปี | $34,000 | $3,000 | $49,000 |
| พื้นที่ผิวที่ใหญ่มาก | 45 m² | 0.4 วัตต์/ซม.² | 8–12 ปี | $52,000 | $1,500 | $59,500 |
| พื้นที่ผิวขนาดใหญ่พร้อม PTFE ที่เต็มไป | 18 m² | 1.0 วัตต์/ซม.² | 5–8 ปี | $32,000 | $2,000 | $42,000 |
| การกำหนดค่าแบบแยกส่วนด้วย PTFE ที่เติมไว้ | 2 × 9 m² | 1.0 วัตต์/ซม.² | 5–8 ปี | $38,000 | $2,500 | $50,500 |
มูลค่าต้นทุนรวมห้า-ปีจะถือว่ามีมูลค่าการผลิต 500 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง และรวมต้นทุนทุนและค่าบำรุงรักษาตลอดระยะเวลาห้าปีด้วย ตารางแสดงให้เห็นว่าการกำหนดค่าพื้นที่ผิวปานกลางด้วย PTFE ที่เติมไว้มีต้นทุนรวมต่ำสุดในห้า- ปี
พารามิเตอร์ข้อมูลจำเพาะสำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า
วิศวกรอุปกรณ์ที่ระบุตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าควรยืนยันพารามิเตอร์ต่อไปนี้กับซัพพลายเออร์
โหลดความร้อนระบุภาระความร้อนและช่วงที่คาดหวัง
พื้นที่ผิวระบุพื้นที่ผิวตามเกณฑ์ฟลักซ์ความร้อน แนะนำให้ใช้ฟลักซ์ความร้อน 0.4–1.0 วัตต์/ซม.² สำหรับบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า
ความหนาของผนังท่อระบุความหนาของผนังท่อ ความหนา 0.5–0.7 มม. ช่วยลดอุณหภูมิผนัง
วัสดุท่อระบุสารประกอบ PTFE ที่เติมไว้หรือเกรดการนำไฟฟ้าสูง- หาก PTFE บริสุทธิ์มาตรฐานทำให้เกิดอุณหภูมิผนังสูงกว่าเกณฑ์การสลายตัว
ความเร็วการไหลของกระบวนการระบุความเร็วด้านข้างของกระบวนการ-ขั้นต่ำ แนะนำให้ใช้ความเร็ว 0.8–1.2 ม./วินาที
การกระจายการไหลระบุส่วนหัวการกระจายการไหลเพื่อให้แน่ใจว่าการไหลสม่ำเสมอทั่วทั้งมัดท่อ
การตรวจสอบอุณหภูมิระบุเซ็นเซอร์อุณหภูมิและวิธีการตรวจสอบเพื่อติดตามประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน
บทบัญญัติการทำความสะอาดระบุการเชื่อมต่อและวาล์วที่จำเป็นสำหรับ-การทำความสะอาดในสถานที่
การจับคู่ฟลักซ์ความร้อนกับข้อกำหนดด้านความเสถียรของอ่างอาบน้ำ
ฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิวจะกำหนดอุณหภูมิผนังท่อและอัตราการสลายตัวของอ่างบนพื้นผิวท่อในบริการนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ต่ำกว่าเกณฑ์ 0.25–0.5 W/cm² อุณหภูมิผนังท่อยังคงต่ำกว่าเกณฑ์การสลายตัว และอายุการใช้งานของท่อถูกกำหนดโดยปัจจัยทางกล เหนือเกณฑ์ที่กำหนด อัตราการสลายตัวจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ และอายุของท่อจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อฟลักซ์ความร้อนเพิ่มขึ้น
ควรเลือกฟลักซ์ความร้อนโดยพิจารณาจากข้อกำหนดความเสถียรของอ่างและต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นและมีฟลักซ์ความร้อนต่ำกว่าจะมีต้นทุนเงินทุนสูงกว่าแต่ค่าบำรุงรักษาต่ำกว่าและอายุการใช้งานของท่อยาวนานกว่า ในระยะเวลาห้า- ปี โดยทั่วไปแล้วการกำหนดค่าพื้นที่ผิวปานกลางด้วย PTFE ที่เติมไว้จะมีต้นทุนรวมต่ำที่สุด
สำหรับสายการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเพื่อประเมินตัวเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ควรระบุฟลักซ์ความร้อนในเอกสารการจัดซื้อและตรวจสอบเมื่อเริ่มดำเนินการ การกำหนดค่าเริ่มต้นที่ผู้ผลิตมอบให้อาจได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อความกะทัดรัดมากกว่าความเสถียรของอ่างอาบน้ำ และอายุการใช้งานของท่อที่ได้อาจสั้นกว่าที่คาดไว้มาก
วิศวกรอุปกรณ์และผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่ประเมินข้อกำหนดเฉพาะของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าหรือบริการที่ละเอียดอ่อนต่ออุณหภูมิอื่นๆ- สามารถขอการตรวจสอบการออกแบบที่ครอบคลุมภาระความร้อน พื้นที่ผิว ฟลักซ์ความร้อน ความหนาของผนังท่อ วัสดุของท่อ ความเร็วการไหล และข้อกำหนดในการทำความสะอาด เพื่อยืนยันว่าหน่วยนั้นสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านความมั่นคงของอ่างจริงและโครงสร้างต้นทุนของโรงงาน
