Izazov kalkulacije na otvorenom
PTFE izmjenjivač topline instaliran na otvorenom doživljava temperaturu okoline koja varira između 15-20 stupnjeva između dana i noći, i 30-40 stupnjeva između ljeta i zime. Gubitak topline iz izmjenjivača i njegovih međusobno povezanih cjevovoda prema okolini varira proporcionalno. Dizajn koji uzima u obzir samo prosječnu zimsku temperaturu može biti poddimenzioniran za vrijeme zahlađenja. Dizajn za ekstremnu minimalnu temperaturu gubi kapacitet tokom normalnog rada.
Proračun gubitka topline mora uzeti u obzir i prosječnu temperaturnu razliku koja uzrokuje gubitak topline i vršni gubitak koji određuje maksimalni potrebni kapacitet izmjenjivača. Takođe mora da se pozabavi rizikom od smrzavanja tokom gašenja, kada se ne unosi toplota, a izmenjivač se hladi na temperaturu okoline.
Za razliku od metalnih izmjenjivača, PTFE ima marginu sigurnosti od oštećenja od smrzavanja. Fleksibilni fluoropolimer prilagođava ekspanziju vode koja se smrzava bez lomljenja-osobine koja utiče na strategiju zaštite od smrzavanja.
Komponente gubitka toplote
Gubitak topline iz vanjskog PTFE izmjenjivača topline ima tri komponente. Gubitak tijela spremnika ili izmjenjivača nastaje od izloženih površina rezervoara ili kućišta izmjenjivača u okolni zrak. Stopa gubitka zavisi od površine, temperaturne razlike između procesnog fluida i okolnog vazduha, i ukupnog koeficijenta prenosa toplote kroz bilo koju izolaciju plus spoljni vazdušni film.
Gubici u međusobnom povezivanju nastaju iz iznad-zemnih cjevovoda između izmjenjivača i procesa. Čak i uz izolaciju, svaki metar cijevi doprinosi mjerljivom gubitku topline. Ukupni gubitak cijevi ovisi o dužini izložene cijevi i temperaturnoj razlici.
Gubici{0}}povećani vjetrom povećavaju vanjski koeficijent prijenosa topline. Vjetar brzine 5 m/s može udvostručiti gubitak topline u poređenju sa mirnim zrakom. Podaci o vjetru za mjesto instalacije trebaju biti uključeni u proračun gubitka topline.
Tabela 1: Faktori proračuna gubitka toplote prema uslovima okoline (50 stepeni procesne tečnosti, 10m² izložene površine, 25mm izolacije od mineralne vune)
| Ambient Condition | Temperaturna razlika (stepeni) | Brzina vjetra (m/s) | Koeficijent vanjskog filma (W/m²·K) | Gubitak topline (kW) | Postotak projektne dužnosti (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Ljetnje popodne (35 stepeni, mirno) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| Ljetna noć (22 stepena, mirna) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| Zimsko popodne (10 stepeni, prozračno) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| Zimska noć (-5 stepeni, vetar) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| Zahlađenje (-20 stepeni, vjetrovito) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| Ekstremni minimum (-30 stepeni, vjetrovito) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
Vrijednosti gubitaka topline za neizolovanu površinu rezervoara bile bi 4-6 puta veće. Izolacija je neophodna za vanjske instalacije.
Optimizacija izolacije
Proračuni gubitka topline vode odabir debljine izolacije. Ekonomski optimum balansira trošak deblje izolacije u odnosu na vrijednost ušteđene energije tokom vijeka trajanja opreme. Za vanjske instalacije u hladnim klimama, proračun često rezultira debljinom izolacije od 50-75 mm.
Izolacija mora biti otporna na vremenske uvjete. Vanjska izolacija izložena kiši, snijegu i UV zračenju brzo se razgrađuje bez zaštitne obloge. Obloga od aluminija ili nehrđajućeg čelika štiti izolaciju i pruža izdržljivu površinu koja se može čistiti. Svi spojevi moraju biti zapečaćeni kako bi se spriječilo prodiranje vode, što uništava efikasnost izolacije.
PTFE izmjenjivači predstavljaju specifičan izazov za izolaciju na prirubničkim spojevima i pristupnim točkama. Sistem izolacije mora omogućiti periodičan pristup radi pregleda i održavanja bez oštećenja tokom uklanjanja i zamjene. Uklonjivi izolacijski pokrivači na ovim lokacijama pružaju neophodan pristup.
Strategija zaštite od smrzavanja
Kada se vanjski PTFE izmjenjivač topline isključi zimi, procesna tekućina zarobljena unutar cijevi može se smrznuti. Voda se širi oko 9% nakon smrzavanja, stvarajući pritisak koji može pocijepati krute cijevi i posude.
PTFE cijevi prihvataju širenje leda bez lomljenja. Izduženje materijala pri lomljenju prelazi 200%, a njegova fleksibilnost na niskim temperaturama-PTFE ostaje duktilan do -200 stepeni - omogućava cijevi da se širi sa smrzavanjem vode. Međutim, metalni kolektori, prirubnice i spojni cjevovodi spojeni na PTFE izmjenjivač ne dijele ovu toleranciju smrzavanja.
Strategija zaštite od smrzavanja se stoga fokusira na metalne komponente. Praćenje toplote izloženih metalnih cevi, kolektora i ventila sprečava smrzavanje tokom gašenja. Same PTFE cijevi ne zahtijevaju zaštitu od smrzavanja, iako tekućinu unutar cijevi treba isprazniti ili pustiti da polako cirkulira ako uslovi smrzavanja potraju.
Rezime
Promjene temperature okoline utječu na vanjske instalacije PTFE izmjenjivača topline kroz promjenjive gubitke topline koji moraju biti prilagođeni veličinom izmjenjivača. Debljina izolacije optimizovana je za lokalnu klimu, sa oblogom otpornom na vremenske prilike koja je neophodna za izdržljivost. Efekti vjetra na gubitke topline su značajni i treba ih uključiti u proračune.
PTFE cijevi tolerišu širenje smrzavanja bez oštećenja, pružajući inherentnu zaštitu od najtežih posljedica zimskog isključenja. Napori zaštite od smrzavanja fokusirani su na metalne komponente sistema povezane na PTFE izmjenjivač.
Inženjerske preporuke za spoljnu izolaciju PTFE izmenjivača toplote i dizajn zaštite od smrzavanja dostupne su nakon podnošenja meteoroloških podataka na lokaciji, svojstava procesnih fluida, profila radne temperature i temperature isključivanja i rasporeda cevi.
