Phạm vi nhiệt độ nơi bức xạ có vấn đề
Sự truyền nhiệt bức xạ tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối, theo định luật Stefan-Boltzmann: q=εσ(T₁⁴ − T₂⁴), trong đó q là thông lượng nhiệt, ε là độ phát xạ, σ là hằng số Stefan-Boltzmann và T₁ và T₂ là nhiệt độ tuyệt đối của hai bề mặt.
Ở nhiệt độ thấp, dòng nhiệt bức xạ nhỏ so với dòng nhiệt đối lưu. Ở 60 độ (333 K), dòng nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt có độ phát xạ 0,9 và chênh lệch nhiệt độ 20 độ là khoảng 120 W/m2. Thông lượng nhiệt đối lưu ở cùng điều kiện là khoảng 2.000 W/m2. Sự đóng góp bức xạ là khoảng 6% trong tổng số.
Ở 200 độ (473 K), dòng nhiệt bức xạ có cùng độ phát xạ và chênh lệch nhiệt độ là khoảng 380 W/m2. Thông lượng nhiệt đối lưu xấp xỉ 3.500 W/m2. Sự đóng góp bức xạ là khoảng 10% tổng số.
Ở 300 độ (573 K), dòng nhiệt bức xạ xấp xỉ 750 W/m2. Thông lượng nhiệt đối lưu xấp xỉ 4.500 W/m2. Sự đóng góp bức xạ là khoảng 14% trong tổng số.
Sự đóng góp bức xạ trở nên đáng kể trên 200 độ và nó phải được đưa vào tính toán truyền nhiệt cho dịch vụ ở nhiệt độ-cao.
Độ phát xạ của PTFE
Độ phát xạ của PTFE là khoảng 0,85–0,92 đối với phạm vi bước sóng của bức xạ nhiệt. Độ phát xạ cao có nghĩa là bề mặt PTFE là bộ tản nhiệt và hấp thụ bức xạ nhiệt hiệu quả.
Độ phát xạ của PTFE cao hơn kim loại được đánh bóng, có độ phát xạ 0,05–0,20. Độ phát xạ cao của PTFE là một lợi thế trong việc truyền nhiệt bức xạ vì nó cho phép bề mặt hấp thụ và phát ra bức xạ hiệu quả.
Độ phát xạ bị ảnh hưởng bởi điều kiện bề mặt. Bề mặt PTFE nhẵn có độ phát xạ khoảng 0,85, trong khi bề mặt gồ ghề hoặc bị ô nhiễm có độ phát xạ khoảng 0,92. Độ phát xạ cũng tăng theo nhiệt độ, từ 0,85 ở 20 độ đến 0,92 ở 200 độ.
Hình học của bộ trao đổi nhiệt
Sự truyền nhiệt bức xạ phụ thuộc vào hình dạng của bộ trao đổi nhiệt và hệ số nhìn giữa các bề mặt. Hệ số quan sát là phần bức xạ rời khỏi một bề mặt chiếu vào bề mặt kia.
Trong bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ-và-ống, các ống được bao quanh bởi vỏ và hệ số nhìn giữa các ống và vỏ cao. Sự truyền nhiệt bức xạ giữa các ống và vỏ là đáng kể nếu nhiệt độ của vỏ khác với nhiệt độ của ống.
Trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, các tấm song song và hệ số nhìn giữa các tấm liền kề cao. Sự truyền nhiệt bức xạ giữa các tấm là đáng kể nếu nhiệt độ tấm khác nhau.
Trong cuộn dây ngâm, cuộn dây được bao quanh bởi chất lỏng xử lý và hệ số nhìn giữa cuộn dây và thành bể là vừa phải. Sự truyền nhiệt bức xạ giữa cuộn dây và thành bể là đáng kể nếu nhiệt độ thành bể khác với nhiệt độ cuộn dây.
Đóng góp bức xạ trong dịch vụ-nhiệt độ cao
Bảng sau đây tóm tắt sự đóng góp của bức xạ vào tổng lượng truyền nhiệt đối với các mức nhiệt độ và điều kiện bề mặt khác nhau trong bộ trao đổi nhiệt PTFE.
| Nhiệt độ xử lý | Độ phát xạ bề mặt | Chênh lệch nhiệt độ | Thông lượng nhiệt bức xạ | Thông lượng nhiệt đối lưu | Đóng góp bức xạ |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 độ | 0.85 | 20 độ | 110 W/m² | 2,000 W/m² | 5% |
| 100 độ | 0.87 | 20 độ | 180 W/m² | 2,500 W/m² | 7% |
| 150 độ | 0.89 | 20 độ | 280 W/m² | 3,000 W/m² | 9% |
| 200 độ | 0.91 | 20 độ | 400 W/m² | 3,500 W/m² | 10% |
| 250 độ | 0.92 | 20 độ | 560 W/m² | 4,000 W/m² | 12% |
| 300 độ | 0.92 | 20 độ | 760 W/m² | 4,500 W/m² | 14% |
| 350 độ | 0.92 | 20 độ | 1,000 W/m² | 5,000 W/m² | 17% |
Thông lượng nhiệt bức xạ được tính toán cho độ phát xạ bề mặt là 0,85–0,92 và chênh lệch nhiệt độ là 20 độ. Thông lượng nhiệt đối lưu được tính cho hệ số màng 100 W/m2·K và có cùng chênh lệch nhiệt độ. Sự đóng góp bức xạ là tỷ lệ của dòng nhiệt bức xạ trên tổng dòng nhiệt.
Ảnh hưởng của bức xạ đến hệ số truyền nhiệt tổng thể
Sự truyền nhiệt bức xạ làm tăng thêm sự truyền nhiệt đối lưu và hiệu ứng kết hợp làm tăng hệ số truyền nhiệt tổng thể. Sự đóng góp bức xạ có thể được biểu thị dưới dạng hệ số màng bức xạ tương đương, h_rad=q_rad / ΔT.
Đối với nhiệt độ xử lý là 200 độ và chênh lệch nhiệt độ là 20 độ, thông lượng nhiệt bức xạ là 400 W/m2 và hệ số màng bức xạ tương đương là 20 W/m2·K. Hệ số màng đối lưu là 100 W/m2·K. Hệ số màng kết hợp là 120 W/m2·K, cao hơn 20% so với riêng hệ số đối lưu.
Việc tăng hệ số màng làm giảm diện tích bề mặt cần thiết cho một lượng nhiệt nhất định. Đối với bộ trao đổi nhiệt có tải nhiệt 50 kW và chênh lệch nhiệt độ 20 độ, diện tích bề mặt cần thiết chỉ có đối lưu là 25 mét vuông. Bao gồm cả bức xạ, diện tích bề mặt cần thiết là 21 m2, giảm 16%.
Ảnh hưởng của bức xạ đến nhiệt độ thành ống
Sự truyền nhiệt bức xạ cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ thành ống. Dòng nhiệt bức xạ được hấp thụ bởi thành ống và chất lỏng xử lý, làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và chất lỏng xử lý.
Chênh lệch nhiệt độ thấp hơn làm giảm nhiệt độ thành ống và tốc độ phân hủy của PTFE. Khi làm việc ở nhiệt độ-cao, nhiệt độ thành thấp hơn có thể kéo dài tuổi thọ của bộ trao đổi nhiệt.
Hiệu ứng này nhỏ ở nhiệt độ thấp nhưng trở nên đáng kể ở nhiệt độ trên 200 độ. Ở 300 độ, sự đóng góp của bức xạ có thể làm giảm nhiệt độ thành ống từ 5–10 độ, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng thêm 20–30%.
Đặc điểm thiết kế giúp tăng cường truyền nhiệt bức xạ
Một số tính năng thiết kế tăng cường khả năng truyền nhiệt bức xạ trong bộ trao đổi nhiệt PTFE.
Bề mặt phát xạ cao.Bề mặt có độ phát xạ cao hấp thụ và phát ra bức xạ hiệu quả. PTFE tự nhiên có độ phát xạ cao và bề mặt phải được giữ sạch sẽ để duy trì độ phát xạ.
Yếu tố xem lớn.Hình học cung cấp hệ số quan sát lớn giữa bề mặt nóng và lạnh giúp tăng cường khả năng truyền nhiệt bức xạ. Cấu hình vỏ-và-ống với các ống được bao quanh bởi vỏ mang lại hệ số nhìn cao.
Chênh lệch nhiệt độ cao.Sự chênh lệch nhiệt độ lớn hơn giữa các bề mặt làm tăng dòng nhiệt bức xạ. Chênh lệch nhiệt độ được xác định bởi nhiệt độ của chất lỏng trong quá trình và dịch vụ.
Lá chắn bức xạ.Trong một số ứng dụng, tấm chắn bức xạ được sử dụng để giảm sự truyền nhiệt bức xạ. Các tấm chắn được đặt giữa bề mặt nóng và lạnh và làm giảm hệ số quan sát.
Định hướng bề mặt.Sự định hướng của các bề mặt ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt bức xạ. Các bề mặt đối diện trực tiếp với nhau có hệ số nhìn cao hơn các bề mặt nằm ở một góc.
So sánh sự đóng góp bức xạ ở các nhiệt độ khác nhau
Bảng sau đây tóm tắt hệ số truyền nhiệt tổng thể có và không có sự đóng góp bức xạ đối với các nhiệt độ xử lý khác nhau trong bộ trao đổi nhiệt PTFE.
| Nhiệt độ xử lý | Hệ số đối lưu | Hệ số bức xạ | Hệ số kết hợp | Tăng từ bức xạ | Giảm diện tích bề mặt cần thiết |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 độ | 100 W/m²·K | 5.5 W/m²·K | 105.5 W/m²·K | 5.5% | 5.2% |
| 100 độ | 100 W/m²·K | 9.0 W/m²·K | 109.0 W/m²·K | 9.0% | 8.3% |
| 150 độ | 100 W/m²·K | 14.0 W/m²·K | 114.0 W/m²·K | 14.0% | 12.3% |
| 200 độ | 100 W/m²·K | 20.0 W/m²·K | 120.0 W/m²·K | 20.0% | 16.7% |
| 250 độ | 100 W/m²·K | 28.0 W/m²·K | 128.0 W/m²·K | 28.0% | 21.9% |
| 300 độ | 100 W/m²·K | 38.0 W/m²·K | 138.0 W/m²·K | 38.0% | 27.5% |
Hệ số đối lưu được giả định là 100 W/m2·K và chênh lệch nhiệt độ là 20 độ. Hệ số bức xạ được tính từ định luật Stefan-Boltzmann với độ phát xạ là 0,90. Mức giảm diện tích bề mặt cần thiết là phần trăm giảm diện tích bề mặt so với trường hợp-chỉ đối lưu.
Thông số kỹ thuật cho dịch vụ nhiệt độ-cao
Các kỹ sư thiết bị chỉ định bộ trao đổi nhiệt PTFE cho dịch vụ nhiệt độ-cao phải xác nhận các thông số sau với nhà cung cấp.
Nhiệt độ quá trình.Chỉ định nhiệt độ tối đa của quá trình và hồ sơ nhiệt độ dự kiến.
Nhiệt độ chất lỏng dịch vụ.Chỉ định nhiệt độ chất lỏng dịch vụ và áp suất có sẵn.
Chênh lệch nhiệt độ.Chỉ định chênh lệch nhiệt độ giữa quy trình và chất lỏng dịch vụ.
Độ phát xạ bề mặt.Xác định độ phát xạ của bề mặt PTFE và tình trạng bề mặt.
Tải nhiệt.Chỉ định tải nhiệt và phạm vi dự kiến.
Diện tích bề mặt.Xác định diện tích bề mặt có và không có sự đóng góp của bức xạ.
Nhiệt độ thành ống.Chỉ định nhiệt độ thành ống tối đa cho phép.
Đóng góp bức xạ.Chỉ định xem sự đóng góp bức xạ có được đưa vào tính toán truyền nhiệt hay không.
Điều chỉnh đóng góp bức xạ phù hợp với dịch vụ nhiệt độ-cao
Việc truyền nhiệt bức xạ góp phần truyền nhiệt tổng thể trong bộ trao đổi nhiệt PTFE ở nhiệt độ trên 150 độ. Sự đóng góp tăng theo nhiệt độ và đạt 10–14% tổng lượng nhiệt truyền ở 200–300 độ. Sự đóng góp bức xạ làm giảm diện tích bề mặt cần thiết và nhiệt độ thành ống, có thể kéo dài tuổi thọ của bộ trao đổi nhiệt.
Sự đóng góp bức xạ phải được đưa vào tính toán truyền nhiệt cho dịch vụ có nhiệt độ-cao. Việc bỏ qua sự đóng góp của bức xạ dẫn đến một bộ trao đổi nhiệt quá khổ có chi phí vốn cao hơn và diện tích lớn hơn mức cần thiết.
Đối với các cơ sở dịch vụ có nhiệt độ-cao đang đánh giá các phương án trao đổi nhiệt PTFE, mức đóng góp bức xạ phải được nêu rõ trong tài liệu mua sắm và được xác minh khi vận hành thử. Cấu hình mặc định do nhà sản xuất cung cấp có thể không bao gồm sự đóng góp của bức xạ và kết quả là bộ trao đổi nhiệt có thể quá khổ.
Các kỹ sư thiết bị và chuyên gia mua sắm đánh giá thông số kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt PTFE cho dịch vụ nhiệt độ-cao có thể yêu cầu đánh giá thiết kế bao gồm nhiệt độ quy trình, nhiệt độ chất lỏng dịch vụ, chênh lệch nhiệt độ, độ phát xạ bề mặt, tải nhiệt và diện tích bề mặt để xác nhận thiết bị phù hợp với điều kiện truyền nhiệt thực tế và cơ cấu chi phí của cơ sở.
