Subcooling ที่เปลี่ยนแปลงระบบการถ่ายเทความร้อน
โรงงานแปรรูปทางเคมีที่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ด้วยไอน้ำที่ 6 บาร์ (อุณหภูมิอิ่มตัว 165 องศา) รายงานว่าความร้อนที่ปล่อยออกมาต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้ และการใช้ไอน้ำสูงกว่าที่คาดไว้ คอนเดนเสทจะปล่อยออกมาที่ 163 องศา ซึ่งหมายถึงระดับความเย็นต่ำกว่า 2 องศา
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้รับการออกแบบสำหรับภาระความร้อน 80 kW โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มไอน้ำควบแน่น 5,000 W/m²·K กำลังความร้อนที่เกิดขึ้นจริงคือ 68 กิโลวัตต์ ซึ่งต่ำกว่าค่าการออกแบบ 15% ปริมาณการใช้ไอน้ำสูงกว่าที่คาดไว้ 15%
ปัญหาคือการทำความเย็นย่อยของคอนเดนเสท การทำความเย็นย่อยที่ต่ำหมายความว่าคอนเดนเสทถูกปล่อยออกมาที่อุณหภูมิเกือบอิ่มตัว และฟิล์มคอนเดนเสทบนพื้นผิวท่อมีความหนา ฟิล์มหนาเพิ่มความต้านทานความร้อนซึ่งจะช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนและความร้อนที่ปล่อยออกมา
การเพิ่มการทำความเย็นย่อยเป็น 8–12 องศาจะทำให้ฟิล์มคอนเดนเสทบางลง เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน และคืนความร้อนที่ปล่อยออกมาให้เป็นค่าการออกแบบ การทำความเย็นย่อยที่สูงขึ้นจะลดการใช้ไอน้ำด้วย เนื่องจากต้องใช้ไอน้ำน้อยลงสำหรับภาระความร้อนเท่าเดิม
เหตุใด Subcooling จึงทำให้ฟิล์มคอนเดนเสทบางลง
ฟิล์มคอนเดนเสทบนพื้นผิวท่อคือชั้นของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อไอน้ำควบแน่น ความหนาของฟิล์มขึ้นอยู่กับอัตราการควบแน่น ความหนืดคอนเดนเสท และอัตราการระบายน้ำ
เมื่อคอนเดนเสทถูกทำให้เย็นลง ชั้นของเหลวที่พื้นผิวท่อจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าไอน้ำอิ่มตัว อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะเพิ่มความหนืดและความตึงผิวของคอนเดนเสท ซึ่งส่งเสริมการระบายน้ำและลดความหนาของฟิล์ม ฟิล์มทินเนอร์มีความต้านทานความร้อนต่ำกว่าและมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงกว่า
ผลของการทำให้เย็นลงต่อความหนาของฟิล์มจะมีผลเพียงเล็กน้อยที่การทำความเย็นย่อยที่ต่ำ แต่จะมีความสำคัญเมื่อการทำความเย็นย่อยที่สูงกว่า สำหรับการทำความเย็นย่อย 10 องศา ความหนาของฟิล์มอาจบางกว่าการทำความเย็นย่อยแบบไม่มีศูนย์ 20–30% และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนอาจสูงกว่า 15–25%
ช่วงการทำความเย็นที่เหมาะสมที่สุด
ช่วงการทำความเย็นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในบริการไอน้ำถูกกำหนดโดยการแลกเปลี่ยน-ระหว่างประโยชน์จากการถ่ายเทความร้อนและการสูญเสียความร้อนสัมผัสในคอนเดนเสท
ประโยชน์การถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีความเย็นต่ำกว่าเนื่องจากฟิล์มคอนเดนเสทบางลงและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น การสูญเสียความร้อนที่จับต้องได้จะเพิ่มขึ้นตามการทำความเย็นย่อย เนื่องจากคอนเดนเสทจะพาความร้อนออกไปมากขึ้นซึ่งอาจนำไปใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ของไหลในกระบวนการได้
สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มไอน้ำควบแน่น 5,000 W/m²·K และค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มกระบวนการ-ด้านข้าง 1,000 W/m²·K โดยทั่วไปการทำความเย็นย่อยที่เหมาะสมที่สุดคือ 8–12 องศา อุณหภูมิต่ำกว่า 8 องศา ฟิล์มมีความหนาและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนต่ำ ที่อุณหภูมิสูงกว่า 12 องศา การสูญเสียความร้อนที่จับต้องได้มีมากกว่าประโยชน์ในการถ่ายเทความร้อน
การทำความเย็นย่อยที่เหมาะสมที่สุดจะสูงกว่าสำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีค่าสัมประสิทธิ์การควบแน่นสูง และต่ำกว่าสำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีค่าสัมประสิทธิ์การควบแน่นต่ำ ค่าที่เหมาะสมที่สุดยังขึ้นอยู่กับแรงดันไอน้ำและอุณหภูมิในกระบวนการด้วย
ผล Subcooling ต่อการใช้ไอน้ำ
ปริมาณการใช้ไอน้ำจะพิจารณาจากภาระความร้อนและความร้อนแฝงของไอน้ำ ความร้อนแฝงจะถูกปล่อยออกมาเมื่อไอน้ำควบแน่นที่อุณหภูมิอิ่มตัว ความร้อนสัมผัสจะถูกปล่อยออกมาเมื่อคอนเดนเสทเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว
สำหรับไอน้ำที่ 6 บาร์ที่มีความร้อนแฝง 2,085 kJ/kg และความร้อนจำเพาะ 4.2 kJ/kg·K ความร้อนสัมผัสที่ปล่อยออกมาจากความเย็นต่ำกว่า 10 องศาจะเท่ากับ 42 kJ/kg ซึ่งคิดเป็นประมาณ 2% ของความร้อนแฝง ความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาต่อไอน้ำหนึ่งกิโลกรัมคือ 2,127 กิโลจูล/กก. ซึ่งมากกว่าความร้อนแฝงเพียงอย่างเดียว 2%
การปล่อยความร้อนเพิ่มเติมจะช่วยลดการใช้ไอน้ำประมาณ 2% สำหรับการทำความเย็นย่อย 10 องศา การลดลงเพียงเล็กน้อยในแง่สัมบูรณ์ แต่จะมีนัยสำคัญตลอดระยะเวลาหนึ่งปีของการดำเนินงานต่อเนื่อง
การลดการใช้ไอน้ำจะมากขึ้นหากการทำความเย็นย่อยทำให้มีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิไอน้ำต่ำลง อุณหภูมิไอน้ำที่ต่ำลงจะช่วยลดการสูญเสียความร้อนจากท่อไอน้ำและเปลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
ผล Subcooling ต่ออุณหภูมิผนังท่อ
การทำความเย็นย่อยส่งผลต่ออุณหภูมิผนังท่อผ่านความหนาของฟิล์มคอนเดนเสท ฟิล์มที่บางกว่ามีความต้านทานความร้อนต่ำกว่า ซึ่งจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างไอน้ำและผนังท่อสำหรับฟลักซ์ความร้อนที่กำหนด
อุณหภูมิผนังท่อที่ต่ำกว่าจะช่วยลดอัตราการย่อยสลายของ PTFE และยืดอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ผลกระทบจะมีน้อยเมื่อการทำความเย็นย่อยต่ำ แต่จะมีนัยสำคัญเมื่อการทำความเย็นย่อยที่สูงขึ้น
สำหรับฟลักซ์ความร้อน 2.0 วัตต์/ซม.² และค่าสัมประสิทธิ์การควบแน่น 5,000 วัตต์/ม.²·K อุณหภูมิที่แตกต่างกันในฟิล์มคอนเดนเสทคือ 4 องศา โดยมีการทำความเย็นย่อยเป็นศูนย์ และ 3 องศา โดยมีการทำความเย็นย่อย 10 องศา ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ลดลง 1 องศาจะช่วยลดอุณหภูมิผนังท่อลง 1 องศา ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานได้ประมาณ 5%
การหาปริมาณผล Subcooling
ตารางต่อไปนี้สรุปค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความร้อนที่ปล่อยออกมา และการใช้ไอน้ำสำหรับระดับการทำความเย็นย่อยที่แตกต่างกันในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE โดยมีไอน้ำที่ 6 บาร์ และอุณหภูมิกระบวนการ 80 องศา
| ซับคูลลิ่ง | ความหนาของฟิล์มคอนเดนเสท | ค่าสัมประสิทธิ์การควบแน่น | ค่าสัมประสิทธิ์โดยรวม | เอาท์พุทความร้อน | ปริมาณการใช้ไอน้ำ | อุณหภูมิผนังท่อ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 องศา | 100% | 5,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | 68 กิโลวัตต์ | 100% | 168 องศา |
| 2 องศา | 97% | 5,150 W/m²·K | 204 W/m²·K | 70 กิโลวัตต์ | 99% | 167 องศา |
| 5 องศา | 90% | 5,500 W/m²·K | 213 W/m²·K | 73 กิโลวัตต์ | 97% | 166 องศา |
| 8 องศา | 82% | 5,900 W/m²·K | 222 W/m²·K | 76 กิโลวัตต์ | 95% | 165 องศา |
| 10 องศา | 76% | 6,200 W/m²·K | 228 W/m²·K | 78 กิโลวัตต์ | 94% | 164 องศา |
| 12 องศา | 71% | 6,500 W/m²·K | 234 W/m²·K | 80 กิโลวัตต์ | 93% | 163 องศา |
| 15 องศา | 65% | 6,900 W/m²·K | 241 W/m²·K | 82 กิโลวัตต์ | 92% | 162 องศา |
| 20 องศา | 56% | 7,500 W/m²·K | 250 W/m²·K | 85 กิโลวัตต์ | 90% | 161 องศา |
ค่าความร้อนและปริมาณการใช้ไอน้ำจะถูกปรับให้เป็นมาตรฐานให้เป็นศูนย์ subcooling อุณหภูมิผนังท่อคืออุณหภูมิของพื้นผิวท่อที่สัมผัสกับไอน้ำ
ขีดจำกัดในทางปฏิบัติของ Subcooling
ขีดจำกัดในทางปฏิบัติของการทำความเย็นย่อยถูกกำหนดโดยการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและประสิทธิภาพของกับดักไอน้ำ
พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ใหญ่ขึ้นช่วยให้ระบายความร้อนได้มากขึ้น เนื่องจากคอนเดนเสทมีเวลาให้เย็นมากขึ้น พื้นที่ขนาดเล็กจะจำกัดการทำความเย็นย่อย
การระบายน้ำคอนเดนเสทคอนเดนเสทจะต้องระบายออกจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างอิสระเพื่อให้ระบบทำความเย็นย่อยเกิดขึ้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการระบายไม่ดีจะมีระบบทำความเย็นย่อยต่ำ
กับดักไอน้ำกับดักไอน้ำจะต้องสามารถระบายคอนเดนเสทที่ระบายความร้อนต่ำกว่าได้ กับดักที่มีขนาดสำหรับคอนเดนเสทอิ่มตัวอาจไม่ระบายคอนเดนเสทที่ระบายความร้อนต่ำกว่าอย่างเหมาะสม
อุณหภูมิกระบวนการการทำความเย็นย่อยถูกจำกัดโดยอุณหภูมิของกระบวนการ คอนเดนเสทไม่สามารถทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิกระบวนการได้
แรงดันไอน้ำการทำความเย็นย่อยถูกจำกัดโดยแรงดันไอน้ำ แรงดันไอน้ำที่สูงขึ้นจะทำให้มีศักยภาพในการทำความเย็นต่ำกว่าเนื่องจากอุณหภูมิอิ่มตัวจะสูงขึ้น
คุณสมบัติการออกแบบที่ส่งเสริม Subcooling
คุณสมบัติการออกแบบหลายประการส่งเสริมการทำความเย็นย่อยในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE
ส่วนการทำความเย็นแบบคอนเดนเสทส่วนการทำความเย็นย่อยแยกต่างหากที่ช่องระบายคอนเดนเสทช่วยให้คอนเดนเสทเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว ส่วนการทำความเย็นย่อยเป็นพื้นที่ถ่ายเทความร้อนขนาดเล็กที่สัมผัสกับของไหลในกระบวนการ
การระบายน้ำแรงโน้มถ่วงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งโดยลาดลงอย่างต่อเนื่องช่วยให้คอนเดนเสทระบายออกได้อย่างอิสระและเย็นลงขณะไหลไปทางทางออก
ความเร็วไอน้ำต่ำความเร็วไอน้ำต่ำช่วยลดการกักเก็บคอนเดนเสทและช่วยให้คอนเดนเสทระบายออกและทำให้เย็นลง
ขนาดกับดักไอน้ำที่เหมาะสมกับดักไอน้ำที่มีขนาดสำหรับการไหลของคอนเดนเสทแบบระบายความร้อนต่ำช่วยให้คอนเดนเสทระบายออกโดยไม่วาบไฟ
ฉนวนกันความร้อนฉนวนท่อไอน้ำและเปลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อนช่วยลดการสูญเสียความร้อนและช่วยให้คอนเดนเสทเย็นลงทีละน้อย
การเปรียบเทียบเป้าหมายการทำความเย็นย่อยสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน
ตารางต่อไปนี้สรุปเป้าหมายการทำความเย็นย่อยที่แนะนำสำหรับการทำความร้อนด้วยไอน้ำแบบต่างๆ ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE
| แอปพลิเคชัน | แรงดันไอน้ำ | อุณหภูมิกระบวนการ | คูลลิ่งที่แนะนำ | การปรับปรุงการส่งออกความร้อน | ลดการใช้ไอน้ำ |
|---|---|---|---|---|---|
| การชุบเครื่องทำความร้อนอาบน้ำ | 4 บาร์ | 60 องศา | 8–10 องศา | 10–12% | 4–5% |
| ความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์เคมี | 6 บาร์ | 80 องศา | 10–12 องศา | 12–15% | 5–7% |
| เครื่องทำความร้อนย้อมสี | 8 บาร์ | 130 องศา | 6–8 องศา | 8–10% | 3–4% |
| การทำความร้อนในห้องน้ำแบบอโนไดซ์ | 4 บาร์ | 20 องศา | 12–15 องศา | 15–18% | 6–8% |
| เครื่องทำความร้อนระเหย | 10 บาร์ | 150 องศา | 5–7 องศา | 6–8% | 2–3% |
| บริการฆ่าเชื้อ | 3 บาร์ | 121 องศา | 10–12 องศา | 12–15% | 5–7% |
การปรับปรุงการระบายความร้อนและการลดการใช้ไอน้ำสัมพันธ์กับกรณีการทำความเย็นแบบศูนย์ เป้าหมายการทำความเย็นย่อยที่แนะนำนั้นขึ้นอยู่กับความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประโยชน์การถ่ายเทความร้อนและการสูญเสียความร้อนที่สัมผัสได้
พารามิเตอร์ข้อมูลจำเพาะสำหรับการควบคุมการทำความเย็นย่อย
วิศวกรอุปกรณ์ที่ระบุตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับบริการทำความร้อนด้วยไอน้ำควรยืนยันพารามิเตอร์ต่อไปนี้กับซัพพลายเออร์
แรงดันไอน้ำระบุแรงดันไอน้ำและอุณหภูมิอิ่มตัว
อุณหภูมิกระบวนการระบุอุณหภูมิของเหลวในกระบวนการและอุณหภูมิเข้าใกล้
โหลดความร้อนระบุภาระความร้อนและช่วงที่คาดหวัง
เป้าหมายการทำความเย็นแบบ Subcoolingระบุเป้าหมายการทำความเย็นย่อยที่แนะนำโดยพิจารณาจากแรงดันไอน้ำและอุณหภูมิในกระบวนการ
การระบายน้ำคอนเดนเสทระบุการวางแนวตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและเส้นทางระบายน้ำ
กับดักไอน้ำระบุประเภทกับดักไอน้ำและเกณฑ์การกำหนดขนาดสำหรับคอนเดนเสทแบบระบายความร้อนต่ำกว่า
ส่วนการทำความเย็นแบบคอนเดนเสทระบุว่ามีส่วนทำความเย็นย่อยแยกต่างหากหรือไม่
การตรวจสอบอุณหภูมิระบุเซ็นเซอร์อุณหภูมิและวิธีการตรวจสอบเพื่อติดตามการทำความเย็นย่อย
การจับคู่ Subcooling กับสภาวะการทำความร้อนด้วยไอน้ำ
การทำความเย็นย่อยของคอนเดนเสทส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความร้อนที่ปล่อยออกมา และการใช้ไอน้ำในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับบริการทำความร้อนด้วยไอน้ำ การทำความเย็นย่อยที่ 8–12 องศาเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ยิ่งการทำความเย็นต่ำกว่าจะทำให้ฟิล์มคอนเดนเสทบางลง เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน และลดการใช้ไอน้ำ
การทำความเย็นย่อยควรได้รับการควบคุมผ่านการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและการเลือกกับดักไอน้ำ ส่วนการทำความเย็นย่อยที่แยกจากกันและตัวดักไอน้ำที่มีขนาดเหมาะสมช่วยให้การทำความเย็นย่อยสามารถพัฒนาได้โดยไม่กระทบต่อการระบายน้ำคอนเดนเสท
สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกในการทำความร้อนด้วยไอน้ำที่ประเมินตัวเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ควรระบุเป้าหมายการทำความเย็นย่อยในเอกสารการจัดซื้อและตรวจสอบเมื่อเริ่มเดินเครื่อง การกำหนดค่าเริ่มต้นที่ผู้ผลิตมอบให้อาจไม่รวมถึงข้อกำหนดสำหรับการทำความเย็นย่อย และผลลัพธ์ความร้อนที่ได้อาจต่ำกว่าที่คาดไว้
วิศวกรอุปกรณ์และผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่ประเมินข้อกำหนดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการทำความร้อนด้วยไอน้ำหรือบริการควบแน่นอื่นๆ สามารถขอการตรวจสอบการออกแบบที่ครอบคลุมแรงดันไอน้ำ อุณหภูมิกระบวนการ โหลดความร้อน เป้าหมายการทำความเย็นย่อย การระบายคอนเดนเสท และการเลือกกับดักไอน้ำ เพื่อยืนยันว่าหน่วยสอดคล้องกับสภาวะไอน้ำจริงและโครงสร้างต้นทุนการดำเนินงานของโรงงาน
