Trong-các ứng dụng gia nhiệt axit dòng chảy liên tục-chẳng hạn như dây chuyền tẩy rửa, công cụ khắc axit hoặc hệ thống lọc hóa học-mỗi mức độ giảm nhiệt độ trên vỏ bọc PFA đều thể hiện sự thất thoát năng lượng và tăng chi phí vận hành. Vỏ bọc PFA mỏng hơn (1 mm) có khả năng chịu nhiệt thấp hơn vỏ bọc 2 mm tiêu chuẩn, cho phép nhiều nhiệt tiếp cận chất lỏng xử lý hơn với cùng nhiệt độ lõi kim loại. Sự tiết kiệm được biểu hiện dưới hai hình thức: giảm mức tiêu thụ năng lượng để duy trì nhiệt độ đầu ra mục tiêu và tăng thông lượng (tốc độ dòng chảy cao hơn) cho cùng một năng lượng đầu vào. Đối với một-bộ gia nhiệt axit dòng chảy liên tục điển hình xử lý 50 L/phút HCl 15% từ 40 độ đến 60 độ, việc chuyển từ vỏ bọc PFA 2 mm sang 1 mm giúp tiết kiệm điện khoảng 2.500–3.500 kWh mỗi năm (8–12% tổng năng lượng sưởi ấm) và giảm kích thước bộ gia nhiệt cần thiết xuống 10–15%. Trong một năm hoạt động liên tục (8.760 giờ), tổng năng lượng tiết kiệm được là 300–300–500 ở mức 0,10 USD/kWh, cộng thêm khoản tiết kiệm từ chi phí vốn giảm.
Sự khác biệt về khả năng chịu nhiệt giữa vỏ bọc 1mm và 2 mm
Điện trở nhiệt của vỏ bọc PFA là R_PFA=t_PFA / k_PFA, trong đó t là độ dày và k là độ dẫn nhiệt (khoảng 0,20 W/m·K đối với PFA ở 60 độ ). Đối với vỏ bọc 2 mm (0,002 m), R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. Đối với vỏ bọc 1 mm, R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-một nửa điện trở. Tổng điện trở nhiệt từ bộ phận làm nóng đến chất lỏng cũng bao gồm lớp biên đối lưu (1/h_fluid). Đối với dòng chảy rối (Re > 10.000) trong đường ống hoặc kênh, h_fluid thường là 1.000–3.000 W/m²·K, cho ra 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W-nhỏ hơn nhiều so với điện trở PFA. PFA chiếm ưu thế trong tổng điện trở, góp phần làm giảm nhiệt độ từ 70–90%.
Độ giảm nhiệt độ trên vỏ bọc là ΔT_PFA=q × R_PFA, trong đó q là thông lượng nhiệt (W/m2). Đối với thông lượng nhiệt yêu cầu là 30.000 W/m2 (3 W/cm2, điển hình khi gia nhiệt bằng axit), vỏ bọc 2 mm tạo ra ΔT_PFA=30,000 × 0.010=300 độ, yêu cầu lõi kim loại phải hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 300 độ so với nhiệt độ bề mặt PFA bên ngoài. Vỏ bọc 1 mm ở cùng một dòng nhiệt tạo ra ΔT_PFA=150 độ . Nhiệt độ lõi thấp hơn (150 độ) giúp kéo dài tuổi thọ của bộ phận làm nóng và giảm tổn thất điện. Ngoài ra, đối với nhiệt độ lõi tối đa cố định (ví dụ: 260 độ đối với Incoloy), vỏ bọc 1 mm cho phép dòng nhiệt cao hơn: q_max,1mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 độ (giả sử bề mặt bên ngoài là 60 độ, lõi ở 260 độ sẽ cho ΔT=200 độ ) / 0.005=40,000 W/m² (4 W/cm2). Vỏ bọc 2 mm có cùng nhiệt độ lõi cho q_max,2mm=200 / 0.010=20.000 W/m² (2 W/cm²). Lớp vỏ mỏng hơn mang lại dòng nhiệt gấp đôi cho cùng nhiệt độ lõi.
Tính toán tiết kiệm năng lượng và chi phí cho bộ gia nhiệt dòng chảy-liên tục
Hãy xem xét một-bộ gia nhiệt axit dòng chảy liên tục với các thông số sau: tốc độ dòng 50 L/phút (0,05 m³/phút, 3 m³/giờ), chất lỏng 15% HCl, nhiệt dung riêng 3.800 J/kg·K, mật độ 1.070 kg/m³, nhiệt độ đầu vào 40 độ , nhiệt độ đầu ra 60 độ (ΔT{11}} độ ). Công suất nhiệt yêu cầu Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1.070) kg/giờ × 3.800 J/kg·K × 20 K / 3600 s/giờ=(3.210 kg/giờ) × 3.800 × 20 / 3600=67,800 W=67.8 kW. Đây là nhiệt phải được truyền từ lò sưởi sang axit.
Đối với vỏ bọc PFA 2 mm có R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m2·K/W, nhiệt độ lõi kim loại yêu cầu T_core=T_fluid_out + q × R_total. Diện tích bề mặt gia nhiệt cần thiết A=Q / q. Đối với mục tiêu 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 độ -quá cao đối với Incoloy (giới hạn ~260 độ ). Do đó, vỏ bọc 2 mm không thể đạt được 3 W/cm2; thông lượng nhiệt phải giảm xuống q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18,200 W/m² (1,82 W/cm²). Diện tích yêu cầu A_2mm=67,800 / 18,200=3.73 m2.
Đối với vỏ bọc 1 mm có R_total=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). Diện tích yêu cầu A_1mm=67,800 / 33,300=2.04 m2. Vỏ bọc 1 mm yêu cầu diện tích bề mặt thiết bị sưởi ít hơn 45% (2,04 m2 so với{20}} m2), cho phép thiết bị sưởi nhỏ hơn,{21}}chi phí thấp hơn. Mức tiêu thụ điện năng là như nhau (67,8 kW) vì cả hai đều phải cung cấp nhiệt như nhau cho chất lỏng. Tuy nhiên, vỏ bọc 2 mm hoạt động ở nhiệt độ lõi cao hơn (260 độ so với{27}} độ đối với 1 mm ở cùng một dòng nhiệt), gây ra tổn thất bức xạ và dẫn điện cao hơn qua lớp cách nhiệt của bộ sưởi. Giả sử tổn thất cao hơn 5% đối với bộ sưởi 2 mm: tổn thất bổ sung=67.8 × 0,05 × 8.760 giờ=29,700 kWh mỗi năm. Ở mức 0,10/kWh,tiết kiệm từ tổn thất giảm=0.10/kWh,tiết kiệm từ tổn thất giảm=2,970 mỗi năm-một số tiền đáng kể.
Tóm tắt tiết kiệm hàng năm (8.760 giờ hoạt động liên tục)
| tham số | Vỏ bọc PFA 2 mm | Vỏ bọc PFA 1 mm | Sự khác biệt (Tiết kiệm với 1 mm) |
|---|---|---|---|
| Thông lượng nhiệt bền vững tối đa (W/cm2) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Diện tích bề mặt gia nhiệt cần thiết (m2) | 3.73 | 2.04 | -45% (lò sưởi nhỏ hơn) |
| Nhiệt độ lõi kim loại ở mức 67,8 kW (độ) | 260 | 240 | -20 độ (tuổi thọ cao hơn) |
| Tổn thất nhiệt qua lớp cách nhiệt (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Tổn thất nhiệt hàng năm (kWh/năm) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Điện năng tổn thất hàng năm (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5.300 kWh |
| Chi phí năng lượng hàng năm ở mức 0,10 USD/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Chi phí vốn sưởi ấm (ước tính) | $1,800 | $1,200 | $600 (máy sưởi nhỏ hơn) |
| Chi phí lắp đặt (đường ống, giá đỡ) | $800 | $500 | $300 |
| Tổng số tiền tiết kiệm được-năm đầu tiên | - | - | $1,430 |
Tiết kiệm bổ sung từ việc giảm công suất bơm
Bộ sưởi có vỏ bọc 1 mm có thể tích nhỏ hơn 45% và hạn chế dòng chảy thấp hơn (nếu bộ sưởi có thiết kế-nội tuyến). Đối với thiết bị sưởi có đường dẫn dòng chảy bên trong, độ giảm áp suất tăng theo chiều dài. Một lò sưởi rộng 3,73 mét vuông (2 mm) có thể có các lối đi dài 1,5 m; một lò sưởi 2,04 mét vuông (1 mm) sẽ có lối đi dài 0,8 m. Giảm áp suất giảm 40–50% làm giảm công suất bơm. Đối với lưu lượng 50 L/phút với mức giảm áp suất 1,0 bar, công suất bơm=(50 L/phút × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (hiệu suất bơm)=0.14 kW. Giảm mức giảm áp suất xuống 50% giúp tiết kiệm 0,07 kW × 8,760=613 kWh/năm hoặc 61at61at0,10/kWh. Đây là một bổ sung nhỏ nhưng góp phần tiết kiệm tổng số.
-Sự đánh đổi và cân nhắc rủi ro
Vỏ bọc 1 mm không phải là vượt trội về mặt tổng thể. Diện tích truyền nhiệt nhỏ hơn 45% có nghĩa là máy sưởi hoạt động ở dòng nhiệt cao hơn (3,33 W/cm2 so với. 1.82 W/cm2). Thông lượng nhiệt cao hơn làm tăng nhiệt độ bề mặt PFA bên ngoài: ở mức q=33,300 W/m², độ giảm trên lớp vỏ 1 mm là ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 độ, do đó nhiệt độ bề mặt bên ngoài=240 - 166=74 độ (có thể chấp nhận được). Thông lượng nhiệt cao hơn cũng làm tăng nguy cơ quá nhiệt cục bộ nếu dòng chảy bị gián đoạn và thành mỏng hơn có độ bền cơ học kém hơn cũng như khả năng chống mài mòn và thẩm thấu hóa học thấp hơn. Đối với dịch vụ axit sạch có dòng chảy ổn định, những rủi ro này có thể quản lý được. Đối với chất bùn hoặc dịch vụ mài mòn thường xuyên bị khô{17}}, lớp bọc 2 mm mang lại giới hạn an toàn.
Kết luận: Vỏ bọc 1 mm tiết kiệm $1,400+ hàng năm trong dịch vụ dòng chảy-liên tục
Đối với-bộ gia nhiệt axit dòng chảy liên tục xử lý 50 L/phút từ 40 độ đến 60 độ, việc chuyển từ vỏ bọc PFA 2 mm sang 1 mm sẽ tiết kiệm được khoảng 530 mỗi năm tổn thất nhiệt giảm và 530 mỗi năm tổn thất nhiệt giảm và 600–900 chi phí vốn (máy sưởi nhỏ hơn), tổng cộng 900 chi phí vốn (máy sưởi nhỏ hơn), tổng cộng 1.400–1.500 tiết kiệm trong năm đầu tiên. Vỏ bọc mỏng hơn cho phép tiết kiệm 831.500 trong năm đầu tiên. Vỏ bọc mỏng hơn8350– $100 hàng năm. Các kỹ sư nên thực hiện phép tính tương tự cho tốc độ dòng chảy cụ thể và ΔT của họ, sử dụng các mối quan hệ ở trên. Trong hầu hết các ứng dụng{23}dòng liên tục, thời gian hoàn vốn để chỉ định vỏ bọc 1 mm thay vì vỏ bọc 2 mm là dưới 6 tháng, cộng thêm lợi ích là giảm kích thước và trọng lượng của bộ sưởi. Sự đánh đổi{28}}sự suy giảm độ bền cơ học phải được đánh giá theo các điều kiện quy trình cụ thể. Đối với axit sạch, không mài mòn, chảy liên tục với dòng chảy ổn định, vỏ bọc 1 mm là lựa chọn kinh tế hơn trong bất kỳ khoảng thời gian hoạt động 12 tháng nào. Đối với dịch vụ không liên tục hoặc điều kiện mài mòn, vỏ bọc 2 mm vẫn được ưu tiên hơn mặc dù bị giảm năng lượng.
