Penurunan Tekanan Yang Menjadi Kekangan Reka Bentuk
Kemudahan pemprosesan kimia yang memanaskan larutan polimer likat dengan kelikatan 500 cP pada 60 darjah memerlukan penukar haba PTFE dengan beban haba 40 kW. Bendalir dipam melalui penukar haba pada kadar aliran 15 m³/j.
Reka bentuk awal memilih tiub 9.5 mm dengan ketebalan dinding 0.8 mm dan halaju aliran 1.5 m/s. Nombor Reynolds untuk keadaan ini adalah lebih kurang 28, iaitu dalam rejim aliran laminar. Faktor geseran untuk aliran laminar ialah 64/Re=2.3, dan penurunan tekanan pada panjang tiub 3 m adalah lebih kurang 85 kPa.
Penurunan tekanan 85 kPa adalah lebih tinggi daripada had yang dibenarkan iaitu 50 kPa untuk pam edaran. Diameter tiub mesti ditingkatkan untuk mengurangkan kejatuhan tekanan, atau halaju aliran mesti dikurangkan. Kedua-dua perubahan menjejaskan pekali pemindahan haba.
Undang-undang Penskalaan Penurunan Tekanan
Penurunan tekanan dalam tiub diberikan oleh persamaan Darcy-Weisbach: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2), dengan f ialah faktor geseran, L ialah panjang tiub, D ialah diameter tiub, ρ ialah ketumpatan bendalir, dan v ialah halaju aliran.
Untuk aliran laminar (Re < 2,300), faktor geseran ialah f=64/Re=64μ/(ρvD), dengan μ ialah kelikatan dinamik. Menggantikan ini ke dalam persamaan Darcy-Weisbach memberikan ΔP=32μLv/D².
Penurunan tekanan dalam aliran laminar adalah berkadar dengan kelikatan, panjang tiub, dan halaju, dan berkadar songsang dengan kuasa dua diameter tiub. Menggandakan diameter tiub mengurangkan penurunan tekanan sebanyak empat faktor pada halaju malar.
Untuk aliran gelora (Re > 4,000), faktor geseran bergantung pada nombor Reynolds dan kekasaran permukaan. Penurunan tekanan adalah lebih kurang berkadar dengan halaju yang dinaikkan kepada kuasa 1.8 dan berkadar songsang dengan diameter tiub yang dinaikkan kepada kuasa 1.2.
Pekali Pemindahan Haba dalam Aliran Likat
Pekali pemindahan haba dalam aliran laminar diberikan oleh Sieder-Korelasi Tate: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0.14, dengan Nu ialah nombor Nusselt, Pr ialah nombor Prandtl, dan μw ialah kelikatan pada suhu dinding.
Untuk cecair likat dengan nombor Prandtl 1,000, nombor Nusselt adalah lebih kurang 5–10, yang sepadan dengan pekali pemindahan haba 100–200 W/m²·K untuk tiub 9.5 mm. Pekali pemindahan haba adalah jauh lebih rendah daripada aliran gelora, di mana nombor Nusselt biasanya 50–100.
Pekali pemindahan haba yang rendah dalam aliran likat bermakna luas permukaan yang besar diperlukan untuk mencapai beban haba. Kawasan permukaan yang besar, digabungkan dengan had penurunan tekanan, mengekang pemilihan tiub.
Had Penurunan Tekanan untuk Diameter Tiub Berbeza
Jadual berikut meringkaskan penurunan tekanan dan pekali pemindahan haba untuk diameter tiub yang berbeza dalam cecair likat dengan kelikatan 500 cP dan halaju aliran 1.0 m/s.
| Diameter Tiub | Nombor Reynolds | Faktor Geseran | Penurunan Tekanan setiap Meter | Pekali Pemindahan Haba | Rejim Aliran |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 12 | 5.3 | 44 kPa/m | 180 W/m²·K | Laminar |
| 9.5 mm | 19 | 3.4 | 18 kPa/m | 150 W/m²·K | Laminar |
| 12.7 mm | 25 | 2.6 | 10 kPa/m | 130 W/m²·K | Laminar |
| 16 mm | 32 | 2.0 | 6.3 kPa/m | 115 W/m²·K | Laminar |
| 19 mm | 38 | 1.7 | 4.5 kPa/m | 105 W/m²·K | Laminar |
| 25 mm | 50 | 1.3 | 2.6 kPa/m | 90 W/m²·K | Laminar |
| 32 mm | 64 | 1.0 | 1.6 kPa/m | 80 W/m²·K | Laminar |
Penurunan tekanan per meter dikira untuk ketumpatan bendalir 1,100 kg/m³ dan halaju 1.0 m/s. Pekali pemindahan haba dikira daripada korelasi Sieder-Tate untuk nombor Prandtl 1,000.
Pertukaran-Antara Penurunan Tekanan dan Pemindahan Haba
Diameter tiub yang meminimumkan penurunan tekanan ialah diameter terbesar, tetapi diameter terbesar juga mempunyai pekali pemindahan haba terendah. Diameter optimum ialah yang memenuhi kedua-dua had penurunan tekanan dan keperluan pemindahan haba.
Untuk contoh kes dengan beban haba 40 kW, kelikatan 500 cP, dan had penurunan tekanan 50 kPa, pemilihan tiub berjalan seperti berikut.
Kawasan pemindahan haba yang diperlukan bergantung pada pekali pemindahan haba keseluruhan, yang didominasi oleh-pekali filem sisi proses. Untuk tiub 12.7 mm dengan pekali pemindahan haba 130 W/m²·K dan perbezaan suhu 20 darjah , luas yang diperlukan ialah 15.4 m². Penurunan tekanan untuk panjang tiub 3 m ialah 30 kPa, iaitu dalam had 50 kPa.
Untuk tiub 9.5 mm dengan pekali pemindahan haba 150 W/m²·K, luas yang diperlukan ialah 13.3 m². Penurunan tekanan untuk panjang tiub 3 m ialah 54 kPa, yang melebihi had 50 kPa.
Tiub 12.7 mm adalah pilihan yang lebih baik kerana ia memenuhi kedua-dua had penurunan tekanan dan keperluan pemindahan haba, walaupun ia memerlukan kawasan permukaan yang lebih besar sedikit.
Kesan Halaju Aliran
Halaju aliran mempengaruhi kedua-dua penurunan tekanan dan pekali pemindahan haba. Halaju yang lebih tinggi meningkatkan pekali pemindahan haba tetapi juga meningkatkan penurunan tekanan.
Dalam aliran laminar, pekali pemindahan haba adalah berkadar dengan halaju yang dinaikkan kepada kuasa 1/3, manakala penurunan tekanan adalah berkadar dengan halaju. Menggandakan halaju meningkatkan pekali pemindahan haba sebanyak 26% tetapi meningkatkan penurunan tekanan sebanyak 100%.
Kesan halaju kurang menguntungkan dalam aliran laminar berbanding aliran turbulen. Dalam aliran gelora, pekali pemindahan haba adalah berkadar dengan halaju yang dinaikkan kepada kuasa 0.8, manakala penurunan tekanan adalah berkadar dengan halaju yang dinaikkan kepada kuasa 1.8. Menggandakan halaju meningkatkan pekali pemindahan haba sebanyak 74% tetapi meningkatkan penurunan tekanan sebanyak 248%.
Halaju hendaklah dipilih untuk mengimbangi keperluan pemindahan haba terhadap had penurunan tekanan. Halaju 0.5–1.5 m/s adalah tipikal untuk perkhidmatan likat.
Ciri Reka Bentuk Yang Mengurangkan Penurunan Tekanan
Beberapa ciri reka bentuk mengurangkan penurunan tekanan dalam perkhidmatan likat.
Diameter tiub lebih besar.Diameter tiub yang lebih besar mengurangkan penurunan tekanan tetapi juga mengurangkan pekali pemindahan haba. Diameter optimum mengimbangi kedua-dua kesan.
Panjang tiub lebih pendek.Panjang tiub yang lebih pendek mengurangkan penurunan tekanan tetapi memerlukan bilangan tiub yang lebih besar secara selari untuk mencapai luas permukaan yang diperlukan.
Beberapa hantaran tiub selari.Membahagikan aliran di antara berbilang hantaran tiub secara selari mengurangkan halaju dalam setiap laluan dan penurunan tekanan. Susunan selari juga mengurangkan pekali pemindahan haba.
Permukaan tiub yang dipertingkatkan.Permukaan tiub dengan sirip atau alur meningkatkan pekali pemindahan haba tanpa meningkatkan penurunan tekanan secara berkadar. Permukaan yang dipertingkatkan amat berkesan dalam aliran likat.
Halaju sisi perkhidmatan yang lebih tinggi-Halaju sisi-perkhidmatan mempengaruhi-pekali filem sisi perkhidmatan tetapi bukan proses-penurunan tekanan sisi. Halaju sisi perkhidmatan yang lebih tinggi-memperbaiki pekali keseluruhan tanpa meningkatkan proses-penurunan tekanan sisi.
Membandingkan Diameter Tiub untuk Servis Likat
Jadual berikut meringkaskan luas permukaan yang diperlukan, penurunan tekanan dan jumlah kos lima-tahun untuk diameter tiub yang berbeza dalam aplikasi pemanasan kimia likat dengan beban haba 40 kW dan had penurunan tekanan 50 kPa.
| Diameter Tiub | Pekali Pemindahan Haba | Kawasan Permukaan yang Diperlukan | Penurunan Tekanan (3 m) | Kos Modal | Kos Pengepaman Tahunan | Jumlah Kos Lima-Tahun |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 180 W/m²·K | 11.1 m² | 132 kPa | $22,000 | $8,500 | $64,500 |
| 9.5 mm | 150 W/m²·K | 13.3 m² | 54 kPa | $26,000 | $4,200 | $47,000 |
| 12.7 mm | 130 W/m²·K | 15.4 m² | 30 kPa | $30,000 | $2,800 | $44,000 |
| 16 mm | 115 W/m²·K | 17.4 m² | 19 kPa | $34,000 | $2,100 | $44,500 |
| 19 mm | 105 W/m²·K | 19.0 m² | 13.5 kPa | $38,000 | $1,700 | $46,500 |
| 25 mm | 90 W/m²·K | 22.2 m² | 7.8 kPa | $45,000 | $1,200 | $51,000 |
Jumlah kos lima-tahun diminimumkan pada diameter tiub 12.7–16 mm. Tiub 9.5 mm mempunyai kos pengepaman yang lebih tinggi kerana penurunan tekanan melebihi had dan memerlukan pam yang lebih besar. Tiub 19 mm dan lebih besar mempunyai kos modal yang lebih tinggi yang tidak diimbangi oleh kos pengepaman yang lebih rendah.
Parameter Spesifikasi untuk Pemanasan Kimia Likat
Jurutera peralatan yang menyatakan penukar haba PTFE untuk pemanasan kimia likat hendaklah mengesahkan parameter berikut dengan pembekal.
Kelikatan cecair.Tentukan kelikatan pada suhu operasi dan julat yang dijangkakan.
Kadar aliran.Nyatakan kadar aliran reka bentuk dan julat yang dijangkakan.
Had penurunan tekanan.Nyatakan penurunan tekanan maksimum yang dibenarkan merentas penukar haba.
Beban haba.Nyatakan beban haba dan julat jangkaan.
Diameter tiub.Tentukan diameter tiub berdasarkan had penurunan tekanan dan keperluan pemindahan haba.
Halaju aliran.Nyatakan halaju reka bentuk dan julat yang dijangkakan.
Permukaan tiub.Tentukan sama ada tiub permukaan yang dipertingkatkan diperlukan.
Pemilihan pam.Nyatakan kepala pam dan keperluan kadar aliran.
Memadankan Pemilihan Tiub dengan Keadaan Aliran Likat
Penurunan tekanan merentasi penukar haba PTFE dalam perkhidmatan pemanasan kimia likat adalah parameter reka bentuk yang mengehadkan. Penurunan tekanan adalah berkadar dengan kelikatan dan halaju dan berkadar songsang dengan kuasa dua diameter tiub dalam aliran laminar. Pekali pemindahan haba adalah berkadar dengan halaju yang dinaikkan kepada kuasa 1/3 dan berkait songsang dengan diameter tiub.
Pemilihan tiub harus mengimbangi had penurunan tekanan terhadap keperluan pemindahan haba. Diameter tiub yang lebih besar mengurangkan penurunan tekanan tetapi juga mengurangkan pekali pemindahan haba, yang memerlukan kawasan permukaan yang lebih besar. Diameter optimum ialah diameter yang meminimumkan jumlah kos pemilikan sepanjang hayat perkhidmatan.
Untuk kemudahan pemanasan kimia likat yang menilai pilihan penukar haba PTFE, pemilihan tiub hendaklah berdasarkan jumlah kos pemilikan, termasuk kos modal, kos tenaga pam dan kos penyelenggaraan. Diameter tiub yang dioptimumkan untuk pemindahan haba sahaja mungkin mempunyai jumlah kos yang lebih tinggi kerana tenaga pengepaman yang berlebihan.
Jurutera peralatan dan pakar perolehan yang menilai spesifikasi penukar haba PTFE untuk pemanasan kimia likat atau perkhidmatan kelikatan tinggi-yang lain boleh meminta semakan reka bentuk yang meliputi kelikatan bendalir, kadar alir, had penurunan tekanan, beban haba, diameter tiub dan halaju aliran untuk mengesahkan unit dipadankan dengan sifat bendalir sebenar dan struktur kos operasi kemudahan tersebut.
