L'LMTD che definisce il servizio di raffreddamento
Una linea di anodizzazione dura di Tipo III che funziona a 2 gradi richiede uno scambiatore di calore per rimuovere 50 kW di calore di reazione. La fornitura di acqua refrigerata è a -2 gradi e il ritorno è a 2 gradi. Il fluido di processo entra nello scambiatore di calore a 4 gradi ed esce a 2 gradi.
Per una disposizione in controflusso, le differenze di temperatura alle due estremità sono: estremità calda (ingresso del processo 4 gradi − uscita acqua refrigerata 2 gradi)=2 gradi e estremità fredda (uscita del processo 2 gradi − ingresso acqua refrigerata −2 gradi)=4 gradi. L'LMTD viene calcolato da questi due valori ed è di circa 2,9 gradi.
L'LMTD di 2,9 gradi è molto piccolo. Per uno scambiatore di calore con un coefficiente complessivo di 200 W/m²·K e un carico termico di 50 kW, la superficie richiesta è di 86 m². Si tratta di uno scambiatore di calore molto grande e il costo di capitale è notevole.
Il piccolo LMTD è il vincolo determinante del raffreddamento dell'anodizzazione dura. Lo scambiatore di calore deve essere sufficientemente grande da trasferire il calore attraverso la piccola differenza di temperatura, e i requisiti di superficie determinano il costo di capitale e l’ingombro.
Perché l'LMTD è piccolo nel servizio di anodizzazione
L'LMTD è piccolo nel servizio di anodizzazione per tre motivi.
Innanzitutto, la temperatura del processo è bassa. L'anodizzazione dura di tipo III funziona a 0–5 gradi e l'anodizzazione solforica di tipo II funziona a 20–22 gradi. La bassa temperatura di processo limita la differenza di temperatura tra il processo e l'acqua refrigerata.
In secondo luogo, la temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata è limitata dal sistema di refrigerazione. Una tipica fornitura di acqua refrigerata è a 5–7 gradi per l'anodizzazione di Tipo II e da −5 a 0 gradi per l'anodizzazione dura di Tipo III. La temperatura di mandata non può essere ridotta indefinitamente perché l'efficienza del sistema di refrigerazione diminuisce e aumenta il rischio di congelamento.
In terzo luogo, la tolleranza alla temperatura del processo è ridotta. La velocità di reazione di anodizzazione e le proprietà del rivestimento dipendono dalla temperatura e la tolleranza è generalmente di ±1 grado. La stretta tolleranza limita l'aumento della temperatura del fluido di processo attraverso lo scambiatore di calore, riducendo l'LMTD.
L'LMTD nell'anodizzazione con acido solforico di tipo II
L'anodizzazione con acido solforico di tipo II funziona a 20–22 gradi con una tolleranza di ±1 grado. La fornitura di acqua refrigerata è tipicamente a 10–12 gradi e il ritorno è a 15–17 gradi. Il fluido di processo entra nello scambiatore di calore a 22 gradi ed esce a 20 gradi.
Per una disposizione in controflusso, le differenze di temperatura alle due estremità sono: estremità calda (ingresso del processo 22 gradi − uscita acqua refrigerata 17 gradi)=5 gradi e estremità fredda (uscita del processo 20 gradi − ingresso acqua refrigerata 10 gradi)=10 gradi. L'LMTD è di circa 7,2 gradi.
L'LMTD di 7,2 gradi è maggiore rispetto alla custodia con anodizzazione dura, ma comunque piccolo rispetto alle tipiche applicazioni dello scambiatore di calore. Per uno scambiatore di calore con un coefficiente complessivo di 200 W/m²·K e un carico termico di 50 kW, la superficie richiesta è di 35 m².
L'LMTD nell'anodizzazione dura di tipo III
L'anodizzazione dura di tipo III funziona a 0–5 gradi con una tolleranza di ±0,5 gradi. La fornitura di acqua refrigerata è tipicamente compresa tra -5 e 0 gradi e il ritorno è tra 0 e 3 gradi. Il fluido di processo entra nello scambiatore di calore a 4 gradi ed esce a 2 gradi.
Per una disposizione in controflusso, le differenze di temperatura alle due estremità sono: estremità calda (ingresso del processo 4 gradi − uscita acqua refrigerata 3 gradi)=1 gradi e estremità fredda (uscita del processo 2 gradi − ingresso acqua refrigerata −5 gradi)=7 gradi. L'LMTD è di circa 3,2 gradi.
L'LMTD di 3,2 gradi è molto piccolo. Per uno scambiatore di calore con un coefficiente complessivo di 200 W/m²·K e un carico termico di 50 kW, la superficie richiesta è di 78 m².
L'effetto della disposizione del flusso su LMTD
La disposizione del flusso influisce sull'LMTD. Una disposizione in contro-flusso fornisce il LMTD più grande per un dato insieme di temperature di ingresso e di uscita. Una disposizione di flusso parallelo- fornisce il LMTD più piccolo. Una disposizione a flusso incrociato-fornisce un LMTD intermedio.
Per il servizio di anodizzazione, la disposizione in contro{0}}flusso è preferita perché massimizza l'LMTD e minimizza la superficie richiesta. La disposizione in contro{2}}flusso è particolarmente importante nel servizio di anodizzazione dura, dove l'LMTD è molto piccolo e i requisiti di superficie sono elevati.
Confronto dei valori LMTD per diverse condizioni di anodizzazione
La tabella seguente riassume l'LMTD e la superficie richiesta per diverse condizioni di anodizzazione con un carico termico di 50 kW e un coefficiente complessivo di 200 W/m²·K.
| Tipo di anodizzazione | Temperatura di processo | Fornitura di acqua refrigerata | Ritorno dell'acqua refrigerata | Processo ΔT | LMTD | Superficie richiesta |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipo II, carico basso | 22 gradi | 12 gradi | 16 gradi | 1 grado | 8,5 gradi | 29 m² |
| Tipo II, carico moderato | 22 gradi | 10 gradi | 15 gradi | 2 gradi | 7,2 gradi | 35 m² |
| Tipo II, carico elevato | 22 gradi | 8 gradi | 14 gradi | 3 gradi | 6,1 gradi | 41 m² |
| Tipo III, carico basso | 4 gradi | 0 gradi | 2 gradi | 1 grado | 3,5 gradi | 71 m² |
| Tipo III, carico moderato | 4 gradi | −2 gradi | 2 gradi | 2 gradi | 2,9 gradi | 86 m² |
| Tipo III, carico elevato | 4 gradi | −5 gradi | 2 gradi | 3 gradi | 2,4 gradi | 104 m² |
| Tipo III, carico molto elevato | 4 gradi | −8 gradi | 2 gradi | 4 gradi | 2,0 gradi | 125 m² |
I valori della superficie richiesti presuppongono una disposizione in contro-flusso e un coefficiente di trasferimento termico complessivo di 200 W/m²·K. La superficie effettiva dipenderà dal materiale del tubo, dallo spessore della parete e dalle velocità del flusso.
I limiti pratici di LMTD nel servizio di anodizzazione
I limiti pratici dell'LMTD nel servizio di anodizzazione sono determinati dal compromesso-tra la dimensione dello scambiatore di calore e il costo di refrigerazione. Un LMTD più piccolo richiede uno scambiatore di calore più grande ma consente una temperatura di alimentazione dell'acqua refrigerata più elevata, riducendo i costi di refrigerazione. Un LMTD più grande consente uno scambiatore di calore più piccolo ma richiede una temperatura di alimentazione dell'acqua refrigerata inferiore, il che aumenta i costi di refrigerazione.
Per l'anodizzazione con acido solforico di tipo II, l'intervallo LMTD pratico è 6–10 gradi. Al di sotto dei 6 gradi, lo scambiatore di calore diventa impraticabilmente grande. Al di sopra di 10 gradi, la temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata diventa troppo elevata per fornire un raffreddamento adeguato.
Per l'anodizzazione dura di Tipo III, l'intervallo LMTD pratico è di 2–5 gradi. Al di sotto dei 2 gradi, lo scambiatore di calore diventa impraticabilmente grande. Al di sopra di 5 gradi, la temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata diventa troppo elevata per mantenere la temperatura di processo.
Caratteristiche di progettazione che consentono LMTD più piccoli
Diverse caratteristiche di progettazione consentono un LMTD più piccolo senza un aumento eccessivo delle dimensioni dello scambiatore di calore.
Materiale del tubo con conduttività più elevata.Un composto di PTFE riempito con una conduttività termica di 0,5 W/m·K ha metà della resistenza termica delle pareti del PTFE vergine, il che aumenta il coefficiente di trasferimento termico complessivo e riduce l'area superficiale richiesta.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce la resistenza termica e aumenta il coefficiente complessivo. Una parete da 0,5 mm ha la metà della resistenza termica di una parete da 1,0 mm.
Maggiore velocità del flusso.Una maggiore velocità del flusso aumenta i coefficienti del film su entrambi i lati della parete del tubo, il che aumenta il coefficiente complessivo e riduce la superficie richiesta.
Superficie del tubo migliorata.Una superficie del tubo con alette o scanalature aumenta l'area superficiale per unità di lunghezza e il coefficiente del film, il che consente un LMTD inferiore.
Maggiore differenza di temperatura durante il processo.Consentire al fluido di processo di salire o scendere di una quantità maggiore attraverso lo scambiatore di calore aumenta l'LMTD. La tolleranza della temperatura di processo limita la variazione di temperatura consentita.
Configurazione con scambiatore di calore split.La divisione del carico termico tra due scambiatori di calore più piccoli consente a ciascuna unità di funzionare con un LMTD più piccolo senza la penalità di spazio di una singola unità di grandi dimensioni.
Parametri di specifica per il servizio di anodizzazione
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio di anodizzazione devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Tipo di anodizzazione.Specificare l'anodizzazione di Tipo II o di Tipo III e la temperatura di processo.
Tolleranza alla temperatura di processo.Specificare la variazione di temperatura consentita nel bagno di processo.
Temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata.Specificare la temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata e la portata disponibile.
Temperatura di ritorno dell'acqua refrigerata.Specificare la temperatura massima consentita di ritorno dell'acqua refrigerata.
Carico termico.Specificare il carico termico e l'intervallo previsto.
LMTD.Specificare l'LMTD in base al processo e alle temperature dell'acqua refrigerata.
Superficie.Specificare la superficie richiesta per il carico termico e l'LMTD.
Materiale del tubo.Specificare il materiale del tubo in base al coefficiente complessivo richiesto e alla temperatura della parete.
Disposizione dei flussi.Specificare la disposizione del flusso. Per ottenere il massimo LMTD è preferibile il contro-flusso.
Abbinamento di LMTD ai requisiti del processo di anodizzazione
L'LMTD determina l'area superficiale richiesta e la fattibilità del servizio di raffreddamento in uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio di anodizzazione. Un LMTD più piccolo richiede uno scambiatore di calore più grande ma consente una temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata più elevata e un costo di refrigerazione inferiore. Un LMTD più grande consente uno scambiatore di calore più piccolo ma richiede una temperatura di alimentazione dell'acqua refrigerata inferiore e un costo di refrigerazione più elevato.
L'LMTD deve essere selezionato in base alla temperatura di processo, alla temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata, al carico termico e ai vincoli di spazio. Un semplice modello di foglio di calcolo con il calcolo del trasferimento di calore e i dati sui costi fornisce le informazioni necessarie per selezionare l'LMTD ottimale.
Per le linee di anodizzazione che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, l'LMTD deve essere specificato nei documenti di appalto e verificato al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore potrebbe essere ottimizzata per la compattezza piuttosto che per l'efficienza energetica e l'LMTD risultante potrebbe non corrispondere ai requisiti effettivi del processo.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per l'anodizzazione o altri servizi di raffreddamento a bassa-temperatura possono richiedere una revisione del progetto riguardante il tipo di anodizzazione, la temperatura di processo, la temperatura di fornitura dell'acqua refrigerata, il carico termico, LMTD e l'area superficiale per confermare che l'unità corrisponde ai requisiti di processo effettivi e alla struttura dei costi della struttura.
