U kontinuiranim{0}}primjenama za grijanje kiselinom-kao što su linije za kiseljenje, alati za nagrizanje ili sistemi za hemijsko čišćenje-svaki stepen pada temperature preko PFA omotača predstavlja izgubljenu energiju i povećane operativne troškove. Tanji PFA plašt (1 mm) nudi nižu toplotnu otpornost od standardnog omotača od 2 mm, omogućavajući više toplote da dostigne procesnu tečnost za istu temperaturu metalnog jezgra. Uštede se manifestuju u dva oblika: smanjena potrošnja energije za održavanje ciljne izlazne temperature i povećana propusnost (veći protok) za isti unos energije. Za tipičan-protočni kiselinski grijač koji obrađuje 50 L/min 15% HCl od 40 stepeni do 60 stepeni, prelazak sa 2 mm na 1 mm PFA plašt štedi približno 2.500–3.500 kWh godišnje električne energije (8–12% ukupne energije grijanja) i smanjuje potrebnu veličinu grijača za 10–10%. Tokom jedne godine neprekidnog rada (8.760 sati), uštede energije iznose ukupno 300–300–500 po $0,10/kWh, uz dodatne uštede zbog smanjenih troškova kapitala.
Razlika u toplinskoj otpornosti između omotača od 1 mm i 2 mm
Toplotna otpornost PFA omotača je R_PFA=t_PFA / k_PFA, gdje je t debljina, a k toplotna provodljivost (približno 0,20 W/m·K za PFA na 60 stepeni). Za plašt od 2 mm (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Za plašt od 1 mm, R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-polovina otpora. Ukupni toplinski otpor grijaćeg elementa prema fluidu također uključuje konvektivni granični sloj (1/h_fluid). Za turbulentni protok (Re > 10.000) u cijevi ili kanalu, h_fluid je tipično 1.000–3.000 W/m²·K, što daje 1/h=0.001–0.00033 m²·K/W-mnogo manji od otpora PFA. PFA dominira ukupnim otporom, doprinoseći 70-90% pada temperature.
Pad temperature preko omotača je ΔT_PFA=q × R_PFA, gdje je q toplinski tok (W/m²). Za potreban toplotni tok od 30.000 W/m² (3 W/cm², tipično za grijanje kiselinom), omotač od 2 mm stvara ΔT_PFA=30, 000 × 0.010=300 stepen, zahtijevajući da metalno jezgro radi na 300 stepeni iznad temperature vanjske PFA površine. Plašt od 1 mm pri istom toplotnom fluksu stvara ΔT_PFA=150 stepen. Niža temperatura jezgre (za 150 stepeni) produžava životni vek grejnog elementa i smanjuje električne gubitke. Alternativno, za fiksnu maksimalnu temperaturu jezgre (npr. 260 stepeni za Incoloy), plašt od 1 mm dozvoljava veći toplotni tok: q_max,1mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 stepen (pod pretpostavkom da je spoljna površina na 60 stepeni, jezgro daje na 26 stepeni, jezgro daje 26 stepeni) Δ0 stepeni 0.005=40,000 W/m² (4 W/cm²). Plašt od 2 mm sa istom temperaturom jezgra daje q_max,2mm=200 / 0.010=20,000 W/m² (2 W/cm²). Tanji omotač isporučuje dvostruki toplinski tok za istu temperaturu jezgre.
Proračun uštede energije i troškova za grijač s kontinuiranim{0}}protočnim grijanjem
Razmislite o kontinuiranom{0}}grejaču kiseline sa sljedećim parametrima: brzina protoka 50 L/min (0,05 m³/min, 3 m³/h), fluid 15% HCl, specifična toplota 3,800 J/kg·K, gustina 1,070 kg/m³, temperatura na ulazu 40 stepen{T stepen{} stepen{} na izlazu ). Potrebna toplinska opterećenost Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1,070) kg/h × 3,800 J/kg·K × 20 K / 3600 s/h=(3,210 kg/hr) {0 × 30,0} {0 × 38 W=67.8 kW. To je toplina koja se mora prenijeti od grijača do kiseline.
Za plašt od 2 mm PFA sa R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W, potrebna temperatura metalnog jezgra T_core=T_fluid_out + q × R_total. Potrebna površina grijača A=Q / q. Za cilj q=30,000 W/m² (3 W/cm²), A=67,800 / 30,000=2.26 m². T_core=60 + 30,000 × 0.011=60 + 330=390 stepen -previsoko za Incoloy (ograničenje ~260 stepeni). Stoga, omotač od 2 mm ne može postići 3 W/cm²; toplotni tok se mora smanjiti na q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18,200 W/m² (1,82 W/cm²). Potrebna površina A_2mm=67,800 / 18,200=3.73 m².
Za plašt od 1 mm sa R_ukupno=0.005 + 0.001=0.006 m²·K/W, q_max=(260 - 60) / 0.006=200 / 0.006=33, 300 W/m² (3,33 W/cm²). Potrebna površina A_1mm=67,800 / 33,300=2.04 m². Plašt od 1 mm zahtijeva 45% manju površinu grijača (2,04 m² naspram. 3.73 m²), što omogućava manji grijač sa nižim-cijenom. Potrošnja električne energije je ista (67,8 kW) jer oba moraju dostaviti istu toplinu fluidu. Međutim, plašt od 2 mm radi na višoj temperaturi jezgre (260 stepeni u odnosu na . 240 stepen za 1 mm pri istom toplotnom fluksu), uzrokujući veće gubitke radijacije i provodljivosti kroz izolaciju grijača. Pretpostavimo 5% veće gubitke za grijač od 2 mm: dodatni gubitak=67.8 × 0,05 × 8,760 sati=29, 700 kWh godišnje. Na 0,10/kWh, uštede od smanjenih gubitaka=0.10/kWh, uštede od smanjenih gubitaka=2, 970 godišnje-značajan iznos.
Godišnji sažetak ušteda (8.760 sati neprekidnog rada)
| Parametar | 2 mm PFA plašt | 1 mm PFA plašt | Razlika (ušteda sa 1 mm) |
|---|---|---|---|
| Maksimalni održivi toplotni tok (W/cm²) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Potrebna površina grijača (m²) | 3.73 | 2.04 | -45% (manji grijač) |
| Temperatura metalnog jezgra na 67,8 kW (stepen) | 260 | 240 | -20 stepeni (duži život) |
| Gubitak toplote kroz izolaciju (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Godišnji gubitak toplote (kWh/god.) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Godišnja električna energija za gubitke (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Godišnja cijena energije iznosi 0,10 USD/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Kapitalni trošak grijača (procijenjeni) | $1,800 | $1,200 | 600 dolara (manji grijač) |
| Troškovi ugradnje (cijevovodi, nosači) | $800 | $500 | $300 |
| Ukupna ušteda za prvu -godinu | - | - | $1,430 |
Dodatne uštede od smanjene snage pumpe
Grijač s plaštom od 1 mm ima 45% manji volumen i niže ograničenje protoka (ako je grijač in-line dizajn). Za grijač sa unutrašnjim protočnim prolazima, pad tlaka se mjeri po dužini. Grejač od 3,73 m² (2 mm) može imati prolaze dužine 1,5 m; grijač od 2,04 m² (1 mm) imao bi prolaze dužine 0,8 m. Smanjenje pada pritiska od 40-50% smanjuje snagu pumpe. Za protok od 50 L/min sa padom pritiska od 1,0 bara, snaga pumpe=(50 L/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (efikasnost pumpe)=0.14 kW. Smanjenje pada pritiska za 50% štedi 0,07 kW × 8,760=613 kWh/godišnje, ili 61at61at0,10/kWh. Ovo je mali dodatak, ali doprinosi ukupnoj uštedi.
Razmatranje-zastupnica i rizika
Plašt od 1 mm nije univerzalno bolji. 45% manja površina prijenosa topline znači da grijač radi na većem toplotnom toku (3,33 W/cm² u odnosu na . 1.82 W/cm²). Veći toplotni tok povećava temperaturu vanjske površine PFA: na q=33,300 W/m², pad preko omotača od 1 mm je ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 stepen , tako da temperatura vanjske površine=240 - 166=74 stepen (prihvatljivo). Veći toplotni tok također povećava rizik od lokaliziranog pregrijavanja ako je protok prekinut, a tanji zid nudi manju mehaničku čvrstoću i manju otpornost na abraziju i kemijsko prodiranje. Za čistu kiselinu sa stabilnim protokom, ovi rizici se mogu upravljati. Za abrazivne muljke ili servise sa čestim-isušivanjem, omotač od 2 mm pruža sigurnosnu marginu.
Zaključak: omotač od 1 mm štedi $1,400+ godišnje u kontinuiranom-usluzi
Za kontinuirani{0}}protočni grijač kiseline 50 L/min od 40 stepeni do 60 stepeni, prelazak sa 2 mm na 1 mm PFA omotač štedi približno 530 godišnje za smanjene gubitke toplote i 530 godišnje za smanjenje gubitaka toplote i 600–900 za kapitalne troškove (manji grijač), ukupno 900 za kapitalne troškove (mali lerheater),ukupno 1.400–1.500 ušteda u prvoj godini. Tanji plašt omogućava 831.500 ušteda u prvoj godini. godišnje. Inženjeri bi trebali izvršiti sličan proračun za svoj specifični protok i ΔT, koristeći gornje odnose. U većini aplikacija s kontinuiranim-protokom, period povrata za specificiranje omotača od 1 mm umjesto omotača od 2 mm je kraći od 6 mjeseci, uz dodatnu prednost smanjene veličine i težine grijača. Kompromis-od smanjene mehaničke robusnosti mora se procijeniti u odnosu na specifične uslove procesa. Za čiste, ne{30}}abrazivne, kontinuirano tekuće kiseline sa stabilnim protokom, plašt od 1 mm je ekonomičniji izbor tokom bilo kojeg 12-mjesečnog radnog perioda. Za povremene usluge ili abrazivne uslove, omotač od 2 mm ostaje poželjniji uprkos energetskoj kazni.
