Pideva -vooluga happekütterakendustes-, nagu marineerimisliinid, söövitusriistad või keemilised puhastussüsteemid-, näitab iga PFA ümbrise temperatuuri langus energiakao ja suurenenud kasutuskulusid. Õhem PFA ümbris (1 mm) pakub madalamat soojustakistust kui tavaline 2 mm kest, võimaldades sama metallisüdamiku temperatuuri juures protsessivedelikku jõuda rohkem soojust. Kokkuhoid avaldub kahes vormis: vähendatud energiatarve, et säilitada väljalaskeava sihttemperatuur, ja suurenenud läbilaskevõime (suurem voolukiirus) sama energiasisendi korral. Tüüpilise pideva -vooluga happesoojendi töötlemisel 50 l/min 15% HCl 40 kraadilt 60 kraadini säästab 2 mm PFA ümbriselt 1 mm PFA ümbrise vahetamine umbes 2500–3500 kWh aastas elektrienergiat (8–12% kogu kütteenergiast) ja vähendab vajalikku küttekeha 10–15% võrra. Üle ühe aasta pideva töötamise (8760 tundi) jooksul on energiasääst 300–300–500 0,10 dollarit kWh kohta koos täiendava säästuga kapitalikulude vähenemisest.
Soojustakistuse erinevus 1 mm ja 2 mm kestade vahel
PFA ümbrise soojustakistus on R_PFA=t_PFA / k_PFA, kus t on paksus ja k on soojusjuhtivus (ligikaudu 0,20 W/m·K PFA puhul 60 kraadi juures). 2 mm ümbrise (0,002 m) korral on R_PFA=0.002 / 0.20=0.010 m²·K/W. 1 mm ümbrise puhul on R_PFA=0.001 / 0.20=0.005 m²·K/W-pool takistusest. Kogu soojustakistus kütteelemendist vedelikule sisaldab ka konvektiivset piirkihti (1/h_fluid). Torus või kanalis turbulentse voolu (Re > 10 000) korral on h_fluid tavaliselt 1000–3000 W/m²·K, mis annab 1/h=0.001–0,00033 m²·K/W-palju väiksema PFA takistusest. PFA domineerib kogutakistusest, põhjustades 70–90% temperatuuri langusest.
Temperatuuri langus üle ümbrise on ΔT_PFA=q × R_PFA, kus q on soojusvoog (W/m²). Nõutava soojusvoo 30 000 W/m² (3 W/cm², tüüpiline happega kuumutamisel) korral tekitab 2 mm kest ΔT_PFA=30 000 × 0.010=300 kraadi, mis nõuab, et metallsüdamik töötaks 300 kraadi kõrgemal PFA välispinna temperatuurist. 1 mm kest sama soojusvoo juures tekitab ΔT_PFA=150 kraadi. Madalam sisetemperatuur (150 kraadi võrra) pikendab kütteelemendi eluiga ja vähendab elektrikadusid. Alternatiivina võimaldab fikseeritud maksimaalse sisetemperatuuri (nt Incoloy puhul 260 kraadi) korral 1 mm kest suuremat soojusvoogu: q_max,1mm=ΔT_PFA_max / R_PFA=200 kraadi (eeldades, et välispind on 60 kraadi juures, südamik annab /3} 260 kraadi juures) 0.005=40 000 W/m² (4 W/cm²). Sama sisetemperatuuriga 2 mm ümbris annab q_max,2mm=200 / 0.010=20,000 W/m² (2 W/cm²). Õhem ümbris tagab sama sisetemperatuuri korral kahekordse soojusvoo.
Pideva{0}}vooluküttekeha energia- ja kulude kokkuhoiu arvutamine
Mõelge pideva -vooluga happesoojendile järgmiste parameetritega: voolukiirus 50 l/min (0,05 m³/min, 3 m³/h), vedelik 15% HCl, erisoojus 3800 J/kg·K, tihedus 1070 kg/m³, sisselasketemperatuur 40 kraadi, väljundtemperatuur 40 kraadi, väljundtemperatuur 60 kraadi (Δ1} 60 kraadi). Nõutav soojuskoormus Q=ṁ × c_p × ΔT=(0,05 × 60 × 1070) kg/h × 3800 J/kg·K × 20 K / 3600 s/h=(3210 kg/h) /=(3210 kg/h) × 30} (3210 kg/h) × 0,8 × 30=67.8 kW. See on soojus, mis tuleb küttekehast happele üle kanda.
2 mm PFA ümbrise puhul R_total=0.010 (PFA) + 0.001 (1/h)=0.011 m²·K/W, nõutav metallist südamiku temperatuur T_core=T_fluid_out + q × R_total. Nõutav küttekeha pindala A=Q / q. Sihtväärtus 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 kraadi -Incoloy jaoks liiga kõrge (piirang ~260 kraadi). Seetõttu ei saa 2 mm kest saavutada 3 W/cm²; soojusvoogu tuleb vähendada väärtuseni q_max=(260 - 60) / 0.011=200 / 0.011=18,200 W/m² (1,82 W/cm²). Nõutav pindala A_2 mm=67,800 / 18,200=3.73 m².
1 mm ümbrise jaoks, mille 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). Nõutav pindala A_1 mm=67,800 / 33,300=2.04 m². 1 mm kest vajab 45% vähem küttekeha pinda (2,04 m² vs . 3.73 m²), võimaldades väiksemat ja odavamat kütteseadet. Elektrienergia tarbimine on sama (67,8 kW), sest mõlemad peavad andma vedelikule sama soojust. 2 mm ümbris töötab aga kõrgemal südamikutemperatuuril (260 kraadi vs Oletame 2 mm küttekeha puhul 5% suuremad kaod: lisakadu=67.8 × 0,05 × 8760 tundi=29,700 kWh aastas. 0,10/kWh, kokkuhoid väiksematest kadudest=0.10/kWh, kokkuhoid väiksematest kadudest=2,970 aastas-märkimisväärne summa.
Aastane säästude kokkuvõte (8760 tundi pidevat tööd)
| Parameeter | 2 mm PFA ümbris | 1 mm PFA ümbris | Erinevus (1 mm kokkuhoid) |
|---|---|---|---|
| Maksimaalne jätkusuutlik soojusvoog (W/cm²) | 1.82 | 3.33 | +83% |
| Küttekeha nõutav pindala (m²) | 3.73 | 2.04 | -45% (väiksem küttekeha) |
| Metallist südamiku temperatuur 67,8 kW ( kraadi ) | 260 | 240 | -20 kraadi (pikem eluiga) |
| Soojuskadu isolatsiooni kaudu (kW) | 3.4 | 2.8 | -0,6 kW |
| Aastane soojuskadu (kWh/aastas) | 29,800 | 24,500 | 5300 kWh |
| Aastane elektrienergia kadude jaoks (kWh) | 29,800 | 24,500 | 5300 kWh |
| Aastane energiakulu 0,10 $/kWh | $2,980 | $2,450 | $530 |
| Kütteseadme kapitalikulu (hinnanguline) | $1,800 | $1,200 | 600 dollarit (väiksem kütteseade) |
| Paigalduskulud (torustik, toed) | $800 | $500 | $300 |
| Esimese{0}}aasta kokkuhoid kokku | - | - | $1,430 |
Täiendav kokkuhoid tänu väiksemale pumpamisvõimsusele
1 mm vooderdisoojendil on 45% väiksem maht ja madalam voolupiirang (kui küttekeha on liinisisese konstruktsiooniga). Sisemiste voolukanalitega küttekeha jaoks on pikkusega rõhulanguskaalud. 3,73 m² (2 mm) küttekehas võivad olla 1,5 m pikkused läbipääsud; 2,04 m² (1 mm) küttekehal oleks 0,8 m pikkused läbipääsud. Rõhulanguse vähendamine 40–50% vähendab pumpamisvõimsust. 50 l/min vooluhulga 1,0 baarise rõhulangusega pumpamisvõimsus=(50 l/min × 1,0 bar × 1,67e-5) / 0,6 (pumba kasutegur)=0.14 kW. Rõhulanguse vähendamine 50% säästab 0,07 kW × 8, 760=613 kWh/aastas või 61–61–0,10 kWh/kWh. See on väike täiendus, kuid aitab kokku hoida.
Kompromissi-Otsikud ja riskikaalutlused
1 mm ümbris ei ole üldiselt parem. 45% väiksem soojusülekandeala tähendab, et kütteseade töötab suurema soojusvooga (3,33 W/cm² vs . 1.82 W/cm²). Suurem soojusvoog tõstab PFA välispinna temperatuuri: q=33,300 W/m² juures on langus üle 1 mm kesta ΔT_PFA=33,300 × 0.005=166 kraadi, seega välispinna temperatuur=240 - 166=74 kraadi (vastuvõetav). Suurem soojusvoog suurendab ka lokaalse ülekuumenemise ohtu voolu katkemise korral ning õhem sein pakub väiksemat mehaanilist tugevust ja väiksemat vastupidavust hõõrdumisele ja keemilisele läbitungimisele. Stabiilse vooluga puhta happeteenuse puhul on need riskid juhitavad. Abrasiivsete suspensioonide või sagedaste kuivamisjuhtumitega hooldamise korral annab 2 mm ümbris ohutusvaru.
Järeldus: 1 mm ümbris säästab 1 $,400+ aastas pideva-voolu teenusega
Pideva -vooluga happesoojendi töötlemiseks 50 l/min 40 kraadist 60 kraadini säästab 2 mm PFA ümbriselt 1 mm ümbrisele ümberlülitamine ligikaudu 530 aastas vähendatud soojuskaod ja 530 aastas vähendatud soojuskaod ja 600–900 kapitalikulu (väiksem kütteseade), kokku 900 kapitalikulu (väike lerheater), kokku 1400–1500esimese aasta kokkuhoid.Õhemad õõnsad 831 500 esimese aasta kokkuhoid. aastas. Insenerid peaksid tegema sarnase arvutuse oma erivoolukiiruse ja ΔT jaoks, kasutades ülaltoodud seoseid. Enamiku pideva-vooluga rakenduste puhul on tasuvusaeg 1 mm ümbrise määramisel 2 mm kesta asemel alla 6 kuu, lisaks on küttekeha väiksem suurus ja kaal. Vähendatud mehaanilise vastupidavuse{28}}kompensatsiooni tuleb hinnata konkreetsete protsessitingimuste alusel. Puhaste, -abrasiivsete, pidevalt voolavate ja stabiilse vooluga hapete jaoks on 1 mm kest ökonoomsem valik 12-kuulise tööperioodi jooksul. Katkendliku hoolduse või abrasiivsete tingimuste korral on 2 mm ümbris eelistatav hoolimata energiatarbimisest.
