陽極酸化ラインの PTFE 熱交換器設計に適した対数平均温度差はどれくらいですか?

冷却義務を定義する LMTD

2 度で動作するタイプ III 硬質陽極酸化ラインには、50 kW の反応熱を除去するための熱交換器が必要です。冷水の供給は -2 度、戻りは 2 度です。プロセス流体は 4 度で熱交換器に入り、2 度で出ます。

向流配置の場合、両端の温度差は、ホットエンド (プロセス入口 4 度 − 冷水出口 2 度)=2 度、コールドエンド (プロセス出口 2 度 − 冷水入口 -2 度)=4 度です。 LMTD はこれら 2 つの値から計算され、約 2.9 度になります。

LMTD 2.9 度は非常に小さいです。全体の係数が 200 W/m²・K、熱負荷が 50 kW の熱交換器の場合、必要な表面積は 86 m² です。これは非常に大型の熱交換器であり、多額の資本コストがかかります。

小さい LMTD は、硬質陽極酸化冷却の決定的な制約です。熱交換器は、わずかな温度差で熱を伝達するのに十分な大きさが必要であり、表面積の要件によって資本コストと設置面積が大きくなります。

陽極酸化サービスにおいてLMTDが小さい理由

LMTD の陽極酸化サービスは 3 つの理由から小規模です。

まず、プロセス温度が低い。タイプ III 硬質陽極酸化は 0 ～ 5 度で動作し、タイプ II 硫酸陽極酸化は 20 ～ 22 度で動作します。プロセス温度が低いため、プロセスと冷水との温度差が制限されます。

第 2 に、冷水供給温度は冷凍システムによって制限されます。一般的な冷水供給は、タイプ II 陽極酸化処理の場合は 5 ～ 7 度、タイプ III 硬質陽極酸化処理の場合は -5 ～ 0 度です。冷凍システムの効率が低下し、凍結の危険性が高まるため、供給温度を無制限に下げることはできません。

第三に、プロセス温度の許容範囲が厳しいです。陽極酸化の反応速度とコーティングの特性は温度に依存し、許容差は通常 ±1 度です。厳しい許容差により、熱交換器全体のプロセス流体の温度上昇が制限され、LMTD が低減されます。

II型硫酸陽極酸化におけるLMTD

タイプ II 硫酸陽極酸化は 20 ～ 22 度で動作し、許容差は ±1 度です。冷水の供給温度は通常 10 ～ 12 度、戻り温度は 15 ～ 17 度です。プロセス流体は 22 度で熱交換器に入り、20 度で出ます。

- 向流配置の場合、両端の温度差は、ホットエンド (プロセス入口 22 度 − 冷水出口 17 度)=5 度、コールドエンド (プロセス出口 20 度 − 冷水入口 10 度)=10 度です。 LMTD は約 7.2 度です。

7.2 度の LMTD は硬質陽極酸化処理の場合よりも大きくなりますが、一般的な熱交換器用途と比較すると依然として小さいです。全体の係数が 200 W/m²・K、熱負荷が 50 kW の熱交換器の場合、必要な表面積は 35 m² です。

タイプ III 硬質陽極酸化処理における LMTD

タイプ III 硬質陽極酸化は 0 ～ 5 度で動作し、許容差は ±0.5 度です。冷水の供給は通常 -5 ～ 0 度、戻りは 0 ～ 3 度です。プロセス流体は 4 度で熱交換器に入り、2 度で出ます。

- 向流配置の場合、両端の温度差は、ホットエンド (プロセス入口 4 度 − 冷水出口 3 度)=1 度、コールドエンド (プロセス出口 2 度 − 冷水入口 -5 度)=7 度です。 LMTD は約 3.2 度です。

LMTD 3.2 度は非常に小さいです。全体の係数が 200 W/m²・K、熱負荷が 50 kW の熱交換器の場合、必要な表面積は 78 m² です。

流れの配置がLMTDに及ぼす影響

流れの配置は LMTD に影響します。逆流配置では、所定の入口温度と出口温度のセットに対して最大の LMTD が得られます。-並列フロー配置により最小の LMTD が得られます。{3}クロスフロー配置により、中間の LMTD が提供されます。-

陽極酸化サービスの場合は、LMTD を最大化し、必要な表面積を最小化するため、逆流配置が推奨されます。{0}逆流の配置は、LMTD が非常に小さく、表面積の要件が大きい硬質陽極酸化処理において特に重要です。

異なる陽極酸化条件の LMTD 値の比較

次の表は、熱負荷 50 kW、全体係数 200 W/m²・K のさまざまな陽極酸化条件での LMTD と必要な表面積をまとめたものです。

必要な表面積の値は、向流配置と全体の熱伝達係数が 200 W/m²・K であることを前提としています。{0}実際の表面積は、チューブの材質、壁の厚さ、流速によって異なります。

陽極酸化サービスにおけるLMTDの実際的な限界

陽極酸化処理における LMTD の実際の限界は、熱交換器のサイズと冷凍コストとのトレードオフによって決まります。{0}} LMTD が小さくなると、より大きな熱交換器が必要になりますが、冷水の供給温度を高くすることができるため、冷凍コストが削減されます。 LMTD が大きくなると熱交換器も小さくなりますが、必要な冷水供給温度が低くなり、冷凍コストが増加します。

タイプ II 硫酸陽極酸化の場合、実用的な LMTD 範囲は 6 ～ 10 度です。 6 度未満では、熱交換器が実用的ではないほど大きくなります。 10 度を超えると、冷水供給温度が高くなりすぎて適切な冷却ができなくなります。

タイプ III 硬質陽極酸化の場合、実際の LMTD 範囲は 2 ～ 5 度です。 2 度を下回ると、熱交換器が実用的ではないほど大きくなります。 5 度を超えると、冷水供給温度が高くなりすぎてプロセス温度を維持できなくなります。

LMTDの小型化を可能にする設計機能

いくつかの設計機能により、熱交換器のサイズを過度に大きくすることなく、LMTD を小さくすることができます。

より高い導電率のチューブ素材。熱伝導率 0.5 W/m・K の充填 PTFE コンパウンドは、未使用 PTFE の壁熱抵抗の半分であるため、全体の熱伝達係数が増加し、必要な表面積が減少します。

チューブの壁が薄くなります。壁が薄くなると熱抵抗が減少し、全体の係数が増加します。 0.5 mm の壁の熱抵抗は 1.0 mm の壁の半分です。

より高い流速。流速が高くなると、管壁の両側の膜係数が増加し、全体の係数が増加し、必要な表面積が減少します。

強化されたチューブ表面。フィンまたは溝を備えたチューブ表面により、単位長さあたりの表面積と膜係数が増加し、LMTD を小さくすることができます。

プロセス全体の温度差が大きくなる。プロセス流体が熱交換器全体でより多く上昇または下降できるようにすると、LMTD が増加します。プロセス温度許容差により、許容される温度変化が制限されます。

分割熱交換器構成。熱負荷を 2 つの小型熱交換器に分割することで、単一の大型ユニットのようなスペースを犠牲にすることなく、各ユニットをより小型の LMTD で動作させることができます。

陽極酸化サービスの仕様パラメータ

陽極酸化サービス用の PTFE 熱交換器を指定する装置エンジニアは、サプライヤーに次のパラメータを確認する必要があります。

アルマイト処理タイプ。タイプ II またはタイプ III の陽極酸化処理とプロセス温度を指定します。

プロセス温度の許容範囲。プロセスバス内の許容温度変動を指定します。

冷水供給温度。冷水供給温度と使用可能な流量をご指定ください。

冷水戻り温度。最大許容冷水戻り温度を指定します。

熱負荷。熱負荷と予想される範囲を指定します。

LMTD。プロセス温度と冷水温度に基づいて LMTD を指定します。

表面積。熱負荷と LMTD に必要な表面積を指定します。

チューブ素材。必要な全体係数と壁温度に基づいてチューブの材質を指定します。

流れの整理。流れの配置を指定します。 LMTD を最大化するには、逆流-が推奨されます。

LMTD を陽極酸化プロセス要件に適合させる

LMTD は、陽極酸化処理のために必要な表面積と PTFE 熱交換器の冷却義務の実現可能性を決定します。 LMTD が小さくなると、より大きな熱交換器が必要になりますが、冷水の供給温度が高くなり、冷凍コストが低くなります。 LMTD が大きくなると、熱交換器を小さくできますが、冷水の供給温度が低くなり、冷却コストが高くなります。

LMTD は、プロセス温度、冷水供給温度、熱負荷、およびスペースの制約に基づいて選択する必要があります。熱伝達計算とコスト データを含む単純なスプレッドシート モデルは、最適な LMTD を選択するために必要な情報を提供します。

PTFE 熱交換器オプションを評価する陽極酸化ラインの場合、LMTD を調達文書に指定し、試運転時に検証する必要があります。メーカーが提供するデフォルト構成は、エネルギー効率ではなくコンパクト性を重視して最適化されている場合があり、その結果得られる LMTD が実際のプロセス要件と一致しない可能性があります。

陽極酸化またはその他の低温冷却サービス用の PTFE 熱交換器の仕様を評価する機器エンジニアや調達専門家は、陽極酸化の種類、プロセス温度、冷水供給温度、熱負荷、LMTD、表面積を対象とした設計レビューをリクエストして、ユニットが実際のプロセス要件と施設のコスト構造に適合していることを確認できます。{0}