Soalan Pengukuran
Mandian etsa titanium mengandungi 10% HF dan 15% HNO₃ pada suhu operasi 55 darjah. Isipadu mandian ialah 4,500 liter. Pemanasan dari ambien 20 darjah mesti selesai dalam masa 90 minit. Medium pemanasan yang ada ialah wap tepu 3 barg.
Soalan yang dihadapi oleh jurutera proses: apakah kawasan permukaan penukar haba PTFE yang memberikan prestasi ini? Bersaiz kecil bermakna mandi tidak pernah mencapai suhu dalam masa yang diperlukan. Bersaiz besar membazirkan modal dan menggunakan jumlah tangki yang berlebihan. Jawapan yang betul datang daripada pengiraan beban haba berkaedah.
Panaskan-Beban Tinggi lwn. Beban Pengendalian
Dua tugas haba yang berbeza menentukan luas permukaan PTFE. Beban haba-membawa mandian daripada ambien kepada suhu operasi dalam masa yang ditetapkan. Beban pengendalian mengekalkan suhu terhadap kehilangan haba semasa-pengeluaran keadaan mantap.
Beban haba-dikira daripada jisim mandi, haba tentu, kenaikan suhu dan masa. Untuk 4,500 liter larutan asid akueus dengan haba tentu lebih kurang 3.8 kJ/kg·K dan ketumpatan 1,100 kg/m³, jisimnya ialah 4,950 kg. Kenaikan suhu dari 20 darjah ke 55 darjah ialah 35 darjah . Jumlah tenaga yang diperlukan ialah 4,950 × 3.8 × 35=658,350 kJ. Dihantar lebih daripada 90 minit, purata kuasa-menaikkan ialah 122 kW.
Beban pengendalian menyumbang kepada kehilangan haba dari permukaan tangki, dinding, dan ekzos pengudaraan. Tangki bertebat-telaga 4,500-liter pada 55 darjah dalam ambien 20 darjah biasanya kehilangan 15-25 kW bergantung pada kawasan permukaan dan pergerakan udara. Secara konservatif mengandaikan 25 kW, penukar haba PTFE mesti menghantar 122 kW semasa pemanasan dan 25 kW semasa operasi mantap.
Beban haba-menguasai saiz. Gegelung mesti menghantar 122 kW pada penghujung tempoh haba-naik apabila LMTD ialah tempat mandi-terkecil berhampiran 55 darjah , stim pada 143 darjah , delta T kira-kira 88 darjah .
Jadual 1: Parameter Saiz Penukar Haba PTFE untuk Mandian Etching Titanium
| Parameter | Nilai | Unit |
|---|---|---|
| Isipadu mandian | 4,500 | L |
| Jisim mandi | 4,950 | kg |
| Suhu awal | 20 | ijazah |
| Suhu sasaran | 55 | ijazah |
| Masa panas-diperlukan | 90 | min |
| Tugas memanaskan- | 122 | kW |
| Tugas operasi | 25 | kW |
| Suhu tepu wap (3 barg) | 143 | ijazah |
| LMTD pada akhir pemanasan-naik | 88 | ijazah |
| Nilai U-reka bentuk (nipis-dinding PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Luas permukaan yang dikira | 5.0 | m² |
| Kawasan yang disyorkan dengan margin 15%. | 5.8 | m² |
Pengiraan menggunakan Q=U × A × LMTD. Nilai U-mengakaunkan pengaliran dinding PTFE dan rintangan lapisan sempadan pada pergolakan sederhana.
Faktor Keserasian Bahan HF
Mandian etsa titanium mengandungi HF, yang menghilangkan bahan penukar haba logam daripada pertimbangan. Titanium larut dalam HF. Keluli tahan karat menghakis dengan cepat. Kekangan bahan memaksa pemilihan fluoropolimer.
PTFE lengai secara kimia dalam campuran HF-HNO₃ pada semua kepekatan dan suhu sehingga 260 darjah . Pengiraan saiz untuk PTFE mengikut persamaan pemindahan haba yang sama seperti mana-mana bahan. Perbezaannya ialah nilai U-, yang untuk tiub PTFE dinding-nipis adalah lebih kurang 280 W/m²·K berbanding 800-1,200 untuk keluli tahan karat bersih.
Nilai U-yang lebih rendah bermakna PTFE memerlukan lebih banyak luas permukaan secara berkadar untuk duti haba yang sama. Ini ialah pertukaran material-off: jejak gegelung yang lebih besar sebagai pertukaran untuk keserasian HF kekal. 5.8 meter persegi yang dikira mungkin 3.5-4.5 meter persegi untuk logam tahan HF hipotesis, tetapi tiada logam sedemikian wujud.
Konfigurasi untuk Kawasan Dikira
Luas permukaan 5.8 meter persegi diterjemahkan ke dalam konfigurasi tiub tertentu. Menggunakan tiub PTFE OD 10mm, setiap meter linear menyediakan 0.0314 m² luas permukaan. Jumlah panjang tiub yang diperlukan ialah 5.8 / 0.0314=185 meter.
Panjang ini disusun sebagai grid berbilang-laluan. Sebuah 10-tiub-lebar dengan 19-tiub-grid dalam menggunakan tiub sepanjang 1 meter memberikan jumlah panjang 190 meter dan luas permukaan 5.97 m²-berhampiran dengan keperluan yang dikira. Grid menduduki kira-kira 1.0 × 0.5 meter keluasan lantai tangki, boleh diterima untuk tangki 4,500 liter.
Pengedaran wap kepada berbilang pas tiub memerlukan pengepala bersaiz betul. Penyingkiran kondensat dari titik terendah setiap laluan menghalang banjir yang mengurangkan kawasan berkesan. Butiran reka bentuk hidraulik ini sama pentingnya dengan pengiraan haba.
Ringkasan
Luas permukaan penukar haba PTFE untuk pemanasan mandian etsa titanium ditentukan oleh-tugas haba, yang biasanya melebihi duti operasi dengan faktor 3-5. Pengiraan menggunakan persamaan pemindahan haba standard dengan nilai U-khusus untuk tiub PTFE dinding nipis.
Kawasan yang terhasil, dengan margin keselamatan 15%, bertukar kepada konfigurasi grid tiub praktikal yang sesuai dalam tangki proses. Keserasian kimia HF adalah wujud dalam pemilihan bahan PTFE dan tidak memerlukan elaun reka bentuk tambahan.
Untuk operasi goresan titanium yang memerlukan saiz penukar haba PTFE, analisis kejuruteraan tersedia selepas menyerahkan isipadu mandian, kepekatan asid, suhu awal dan sasaran, masa-panas yang diperlukan, tekanan wap yang tersedia dan dimensi tangki.
