Μετάδοση θερμότητας με ατμό: αρχές, συντελεστής U και θερμικές αντιστάσεις

Σε ένα σύστημα θέρμανσης με ατμό, η παραγωγή και η διανομή του ατμού έχουν τελικά έναν βασικό σκοπό: να παραδώσουν θερμική ενέργεια στην επιφάνεια όπου πραγματοποιείται η διεργασία. Αν είναι γνωστά το απαιτούμενο θερμικό φορτίο και η πίεση του ατμού, μπορεί να υπολογιστεί η απαιτούμενη κατανάλωση ατμού και να διαστασιολογηθούν ο λέβητας, το δίκτυο και ο εναλλάκτης.

Οι τρεις βασικοί μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας

• αγωγή,
• συναγωγή,
• ακτινοβολία.

Αγωγή θερμότητας

Q̇ = k · A · ΔT / L

Η μετάδοση αυξάνεται με τη θερμική αγωγιμότητα, την επιφάνεια και τη διαφορά θερμοκρασίας και μειώνεται με το πάχος.

Παράδειγμα

Για σιδερένιο τοίχωμα k = 70 W/(m·°C), πάχος 25 mm, επιφάνεια 0,15 m² και ΔT = 70°C:

Q̇ = 29.400 W = 29,4 kW

Θερμική αγωγιμότητα υλικών

Οι τιμές είναι σε W/(m·°C).

Συναγωγή

Q̇ = h · A · ΔT

Η συναγωγή μπορεί να είναι εξαναγκασμένη ή φυσική. Η συμπύκνωση ατμού αποτελεί επίσης συναγωγική διεργασία αλλαγής φάσης.

Παράδειγμα

Για επιφάνεια 0,36 m², h = 1.600 W/(m²·°C) και ΔT = 30°C:

Q̇ = 17,28 kW

Ακτινοβολία

Η θερμική ακτινοβολία μεταφέρει ενέργεια με ηλεκτρομαγνητικά κύματα και δεν απαιτεί υλικό μέσο.

Η γενική εξίσωση μετάδοσης θερμότητας

Q̇ = U · A · ΔT

Ο συνολικός συντελεστής U λαμβάνει υπόψη τις επιμέρους αντιστάσεις συναγωγής, αγωγής και fouling.

Μέση διαφορά θερμοκρασίας

Με κορεσμένο ατμό, η θερμοκρασία της πρωτεύουσας πλευράς μπορεί να θεωρηθεί σταθερή κατά τη συμπύκνωση.

AMTD

ΔTAM = Ts - (T1 + T2) / 2

LMTD

ΔTLM = (T2 - T1) / ln[(Ts - T1)/(Ts - T2)]

Παράδειγμα 1

Ατμός 2 bar(g), Ts = 134°C, νερό 20→50°C:

• AMTD = 99°C
• LMTD = 98,24°C

Παράδειγμα 2

Ατμός 4 bar(g), Ts = 152°C, ρευστό 10→120°C:

• AMTD = 87°C
• LMTD = 73,8°C

Η χρήση AMTD θα έδινε υπολογιζόμενη επιφάνεια σχεδόν 15% μικρότερη από την απαιτούμενη.

Πραγματικές θερμικές αντιστάσεις

• φιλμ αέρα,
• φιλμ συμπυκνώματος,
• επικαθίσεις στην πλευρά ατμού,
• μεταλλικό τοίχωμα,
• επικαθίσεις προϊόντος,
• στάσιμο φιλμ προϊόντος.

Φιλμ συμπυκνώματος

Το συνεχές φιλμ συμπυκνώματος μπορεί να είναι 100–150 φορές πιο ανθεκτικό στη μετάδοση θερμότητας από χάλυβα και 500–600 φορές πιο ανθεκτικό από χαλκό.

Filmwise και dropwise condensation

Στη dropwise condensation οι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας μπορούν να είναι έως δέκα φορές μεγαλύτεροι από τη filmwise condensation, αλλά η διατήρηση αυτών των συνθηκών είναι δύσκολη.

Ο αέρας ως θερμική αντίσταση

Ο αέρας μπορεί να είναι 1.500–3.000 φορές πιο ανθεκτικός στη θερμική ροή από χάλυβα και 8.000–16.000 φορές από χαλκό. Φιλμ αέρα πάχους 0,025 mm μπορεί να παρουσιάζει θερμική αντίσταση αντίστοιχη με περίπου 400 mm χαλκού.

Επικαθίσεις και fouling

Οι επικαθίσεις αυξάνουν τη συνολική θερμική αντίσταση και μειώνουν τον U. Η σωστή λειτουργία του λέβητα, η απομάκρυνση υγρασίας, η εξαέρωση και ο καθαρισμός βοηθούν στη διατήρηση της θερμικής απόδοσης.

Τι πρέπει να εξετάζει ο μηχανικός

• θερμικό φορτίο,
• πίεση και θερμοκρασία ατμού,
• θερμοκρασίες εισόδου/εξόδου προϊόντος,
• AMTD ή LMTD,
• συνολικό συντελεστή U,
• fouling,
• εξαέρωση,
• απομάκρυνση συμπυκνωμάτων.

Η επιλογή εναλλακτών θερμότητας, ατμοπαγίδων και εξοπλισμού συμπυκνωμάτων, ρυθμιστικών βαλβίδων και φίλτρων σωληνώσεων πρέπει να γίνεται με βάση τις πραγματικές θερμικές και υδραυλικές συνθήκες.

Συμπέρασμα

Η πραγματική μετάδοση θερμότητας με ατμό καθορίζεται από τον συνδυασμό αγωγής, συναγωγής, μέσης διαφοράς θερμοκρασίας και όλων των θερμικών αντιστάσεων. Αέρας, συμπύκνωμα και επικαθίσεις μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση περισσότερο από το ίδιο το μεταλλικό τοίχωμα.

Συχνές Ερωτήσεις

Τι εκφράζει ο συνολικός συντελεστής U;

Τη συνολική δυνατότητα μετάδοσης θερμότητας, λαμβάνοντας υπόψη τις επιμέρους αντιστάσεις.

Ποια είναι η βασική εξίσωση ενός εναλλάκτη;

Q̇ = U·A·ΔT.

Πότε χρησιμοποιείται LMTD;

Όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταβάλλεται σημαντικά κατά μήκος του εναλλάκτη.

Γιατί το φιλμ συμπυκνώματος μειώνει την απόδοση;

Επειδή προσθέτει σημαντική θερμική αντίσταση.

Γιατί ο αέρας είναι επιβαρυντικός;

Επειδή έχει πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και λειτουργεί σαν μονωτικό στρώμα.

Τι είναι dropwise condensation;

Συμπύκνωση όπου τα σταγονίδια δεν σχηματίζουν άμεσα συνεχές φιλμ.

Πώς επηρεάζει το fouling;

Αυξάνει τη συνολική θερμική αντίσταση και μειώνει τον U.