Il calcolo del passaggio della metropolitana
Una linea in rame chimico per PCB funziona a 38-42 gradi con una stretta tolleranza alla temperatura. Lo scambiatore di calore in PTFE deve fornire 35 kW di potenza di riscaldamento utilizzando 2 barg di vapore. Lo spazio disponibile nel serbatoio può contenere un ingombro della bobina di 1,2 metri per 0,8 metri. La domanda di progettazione: quanti tubi passano attraverso questa impronta raggiungono il trasferimento di calore richiesto?
I passaggi della metropolitana determinano due cose. Un numero maggiore di passaggi aumenta la lunghezza totale del tubo e l'area superficiale all'interno dell'impronta fissa. Tuttavia, un numero maggiore di passaggi aumenta anche la caduta di pressione sul lato vapore-e complica il drenaggio della condensa. Il conteggio ottimale dei passaggi fornisce il trasferimento di calore richiesto senza superare il budget di pressione del vapore o creare problemi di drenaggio.
Il metodo di calcolo
Il calcolo procede per gradi dal carico termico al conteggio dei passaggi.
La superficie richiesta viene prima di tutto. Con un funzionamento di 35 kW, vapore a 133 gradi, bagno a 40 gradi, LMTD di circa 85 gradi e valore U-di 280 W/m²·K per PTFE a parete sottile-, l'area richiesta è 35.000/(280 × 85)=1.47 m².
La lunghezza del tubo dipende dall'area e dal diametro del tubo. Utilizzando un tubo con diametro esterno di 8 mm, ogni metro lineare fornisce 0,0251 m² di superficie. La lunghezza totale richiesta è 1,47/0.0251=58.6 metri.
Il conteggio dei passaggi divide la lunghezza totale per la lunghezza di ciascun passaggio. L'ingombro disponibile di 1,2 m consente passaggi di circa 1,1 m di lunghezza attiva. Ogni passaggio fornisce 1,1 m di lunghezza del tubo. Passaggi richiesti: 58,6 / 1.1=53.3, arrotondati a 54 passaggi.
Tabella 1: Calcolo del passaggio del tubo per uno scaldabagno in rame per elettrolisi da 35 kW
| Parametro | Valore | Unità |
|---|---|---|
| Dovere di calore | 35 | kW |
| Temperatura del vapore (2 barg) | 133 | grado |
| Temperatura del bagno | 40 | grado |
| LMTD | 85 | grado |
| Valore U-di progettazione | 280 | W/m²·K |
| Superficie richiesta | 1.47 | m² |
| Diametro esterno del tubo | 8 | mm |
| Superficie per metro lineare | 0.0251 | m²/m |
| Lunghezza totale del tubo | 58.6 | m |
| Lunghezza passaggio disponibile | 1.1 | m |
| Conteggio dei passaggi calcolato | 54 | passa |
| Conteggio passaggi consigliato (con margine del 10%) | 60 | passa |
Configurazione all'interno dell'impronta
Sessanta passaggi in un ingombro di 1,2 m × 0,8 m richiedono l'organizzazione dei tubi in righe e colonne. Con tubi distanziati di 25 mm al centro per consentire il flusso della soluzione tra di loro, una larghezza di 0,8 m può ospitare 32 tubi per fila. Sessanta passaggi disposti su 2 file da 30 tubi rientrano nell'ingombro.
Le due righe possono essere impilate verticalmente come una griglia a due-livelli. Il vapore entra in un collettore di distribuzione, scorre attraverso 30 tubi paralleli nella fila superiore, ritorna attraverso 30 tubi nella fila inferiore e si raccoglie in un collettore della condensa. Questo flusso di vapore a passaggio singolo- con circuiti di tubi paralleli riduce al minimo la caduta di pressione pur raggiungendo la lunghezza totale richiesta.
Vincoli specifici del rame chimico
I bagni in rame chimico presentano vincoli di progettazione del riscaldatore unici oltre i calcoli termici. Il bagno è termodinamicamente instabile. Una temperatura eccessiva delle pareti innesca la deposizione spontanea di rame sulla superficie del riscaldatore-lo stesso problema delle piastre-fuori che distrugge i riscaldatori metallici.
Il PTFE elimina la placcatura catalitica, ma la temperatura della parete è ancora importante. A temperature del vapore superiori a 140 gradi, la decomposizione localizzata del bagno vicino alla parete del tubo diventa possibile anche senza effetti superficiali catalitici. Il vapore selezionato da 2 barg fornisce una temperatura di saturazione di 133 gradi, mantenendo la temperatura della parete saldamente al di sotto della soglia di decomposizione.
Il conteggio dei passaggi influisce su questo margine di sicurezza. Troppi passaggi aumentano la velocità del vapore e la caduta di pressione ma non modificano la temperatura della parete. Troppi passaggi riducono il flusso di vapore dei singoli tubi, causando potenzialmente un drenaggio non uniforme della condensa e punti freddi. La configurazione calcolata a 60 passaggi fornisce una distribuzione bilanciata del flusso.
Drenaggio della condensa in progetti-multipassaggio
Passaggi multipli del tubo richiedono un adeguato drenaggio della condensa da ciascun passaggio. La condensa intrappolata riduce l'effettiva area di trasferimento del calore e crea il rischio di colpi d'ariete. Ciascun passaggio deve avere una pendenza verso il basso verso il collettore di raccolta della condensa.
Per la configurazione a 60-pass two-tier, la riga inferiore drena naturalmente nell'intestazione. La fila superiore richiede una leggera pendenza integrata nella struttura di supporto. Gli scaricatori di condensa dimensionati per il carico totale di condensa a pieno regime completano il progetto di drenaggio. Le trappole a galleggiante-e-termostatiche sono preferite per modulare i carichi di condensa tipici dei bagni elettrolitici a temperatura controllata.
Riepilogo
Il calcolo dei passaggi dei tubi degli scambiatori di calore in PTFE per i bagni in rame chimico procede dal carico termico alla superficie, alla lunghezza del tubo per il conteggio dei passaggi. L'esempio da 35 kW produce 60 passaggi di tubi con diametro esterno di 8 mm disposti in una griglia a due livelli-all'interno di un ingombro di 1,2 m × 0,8 m.
La chimica del rame senza elettrolisi aggiunge vincoli di temperatura delle pareti che influenzano la selezione della pressione del vapore. Il materiale in PTFE elimina il rischio di rottura della piastra catalitica. Un corretto design del drenaggio della condensa garantisce che ogni passaggio contribuisca pienamente al trasferimento di calore.
L'analisi ingegneristica per il dimensionamento dello scambiatore di calore PTFE con linea in rame chimico PCB è disponibile previa presentazione di volume del bagno, temperatura operativa, tempo di riscaldamento-requisito, pressione del vapore disponibile, dimensioni del serbatoio e dati attuali sulle prestazioni del riscaldatore.
