Pertukaran panas
Untuk keperluan pertukaran panas, konfigurasi yang dijelaskan dapat dibagi menjadi tiga bagian sesuai dengan metode perpindahan panas dan sehubungan dengan kendala teknis yang diperlukan di setiap titik, untuk mencapai efisiensi energi dan hasil daya tahan dari panas mentransfer muatan fluida dan dari material peralatan. ( lihat Perpindahan panas ).
Dalam Gambar 3, tiga zona jelas dibedakan:
1. Radiasi
Secara praktis meliputi seluruh ruang pembakaran, lebih khusus, permukaan bagian dalam koil interior, dengan itu menentukan di daerah ini, dari sudut pandang teknis, untuk mengetahui nilai-nilai tepat dari suhu maksimum yang dicapai oleh kedua fluida perpindahan panas. dan bahan koil karena, meskipun merupakan area dengan kapasitas pertukaran terbesar, juga berisiko melebihi nilai maksimum yang diizinkan. – Gambar 4 -.
Gambar 4. Area boiler sesuai dengan metode perpindahan panas. Sehubungan dengan massa dan suhu film yang tercapai – lihat Temperatur -.
Karakteristik fluida termal yang digunakan, bahan bakar, peraturan pembakaran, diameter nyala api, persyaratan pertukaran, aliran sirkulasi minimum fluida perpindahan panas yang diperlukan dan, oleh karena itu, kecepatan dan diameter tabung kumparannya adalah semua parameter yang menentukan apa yang harus dianggap penting dalam desain – dimensi diameter dan panjang bilik.
Diameter yang terlalu kecil untuk ruang pembakaran akan memungkinkan perpindahan panas yang optimal tetapi akan membahayakan masa manfaat dari muatan fluida transfer panas dan juga boiler itu sendiri dan juga akan menyebabkan hilangnya muatan sirkuit asap yang mungkin merupakan beban berlebihan untuk pembakar standar.
Di sisi lain, ruang pembakaran dengan diameter yang terlalu besar, akan mengurangi efisiensi energi peralatan.
Panjang ruang pembakaran juga sangat penting sehubungan dengan keandalan peralatan. Ruang pembakaran yang terlalu pendek untuk daya yang dibutuhkan akan melibatkan suhu tinggi yang tidak biasa pada penutupan bawah dan pada penutupan atas ruang, yang dapat menyebabkan kerusakan sebagian elemen-elemen ini.
2. Zona transisi
Ini terdiri dari wajah bagian dalam dari ujung gulungan bagian dalam dan luar. Tergantung pada penyesuaian burner, sebagian dapat mencakup permukaan luar dari koil dalam. Di daerah ini, radiasi dan konveksi hidup berdampingan sebagai proses perpindahan panas dan, oleh karena itu, berkenaan dengan panas, baik tindakan pencegahan untuk pertukaran dengan radiasi dan kendala karena pertukaran dengan konveksi harus diperhitungkan.
Perhatian khusus harus diberikan pada desain untuk perubahan arah sirkuit gas pembakaran di penutupan bawah ruang pembakaran, karena kedap udara yang lengkap harus dicapai (jika tidak, gas pembakaran akan melewati langsung dari lintasan pertama ke saluran buang, memberikan kinerja yang sangat buruk dan lebih buruk, dengan suhu yang sangat tinggi di cerobong asap yang dapat menyebabkan kehancurannya) bersama-sama dengan hilangnya muatan yang rendah dalam perubahan arah gas cerobong asap.
3. Zona konveksi
Ini sesuai dengan kedua wajah koil luar dan wajah bagian dalam koil interior.
Meskipun mungkin ada sedikit risiko melebihi suhu maksimum penggunaan cairan dan bahan perpindahan panas (lihat Gambar 4), perhatian utama ketika merancang area ini adalah mencapai tingkat perpindahan panas yang tinggi melalui kecepatan pembakaran yang cukup besar. gas tetapi tanpa menghasilkan risiko kontaminasi yang signifikan dalam asap melewati 2 dan 3 karena ukuran di dalam lorong-lorong ini atau kehilangan muatan yang tinggi dalam sirkuit asap (dikenal sebagai boiler overpressure) sehingga sulit untuk menggunakan pembakar pasar standar.
Gambar 3. Area berbeda dalam boiler fluida transfer panas untuk tujuan pertukaran panas
Selain semua parameter yang dibahas di atas, kumparan juga harus dirancang dengan hati-hati sehingga, dari sudut pandang hidrolika, kehilangan muatan sirkuit cairan transfer panas tidak tinggi, yang akan menghasilkan pompa non-standar dan konsumsi listrik yang tinggi. dan yang, pada saat yang sama, menjamin kecepatan fluida transfer panas yang cukup untuk memberikan koefisien perpindahan panas yang memuaskan – lihat Gambar 5.
Gambar 5. Kecepatan fluida perpindahan panas / koefisien perpindahan panas. Nilai untuk BP Transcal N. fluida transfer panas Suhu 290 ° C. Faktor-faktor lain dikecualikan untuk pemahaman yang lebih baik tentang pentingnya kecepatan
Diferensial panas. Melewati kumparan
Diferensial panas juga dikenal sebagai lompatan panas , adalah peningkatan maksimum suhu fluida perpindahan panas yang dapat diperoleh boiler dalam kekuatan panas nominalnya, pada laju aliran desain fluida perpindahan panas.
Lompatan termal yang paling umum adalah 20 ° C dan 40 ° C, meskipun nilai-nilai ini memiliki beberapa margin tergantung pada cairan perpindahan panas yang digunakan dan suhu operasi, oleh karena itu, kita harus benar-benar berbicara tentang interval antara 18-22 ° C di pertama kasing dan 36-42 ° C pada kasing kedua.
Penting untuk diingat bahwa satu ketel tidak lebih baik atau lebih buruk daripada ketel lain dengan daya panas yang sama tetapi lompatan berbeda. Dengan desain yang benar, kedua jenis boiler akan memiliki kinerja energi yang sama dan fungsi operasi yang serupa.
Alasan untuk memiliki boiler dengan perbedaan panas yang berbeda adalah untuk mendapatkan adaptasi terbaik dari boiler dengan karakteristik proses produksi dan, lebih khusus lagi, untuk peralatan konsumen sistem.
Awalnya, sebuah boiler dengan loncatan panas 20ºC dapat memberikan keseragaman suhu yang lebih besar pada peralatan yang dikonsumsi karena memiliki aliran sirkulasi yang lebih besar, meskipun dengan instalasi yang awalnya lebih mahal karena diameter pipa yang lebih besar, kapasitas cairan perpindahan panas yang lebih besar dalam sistem dan konsumsi listrik yang lebih tinggi di pompa utama. Namun, boiler dengan diferensial panas 40 ° C juga dapat mencapai hasil yang sama melalui sirkuit resirkulasi dengan pompa sekunder yang memberikan laju aliran yang lebih besar pada peralatan konsumen dan, dengan demikian, keseragaman yang lebih besar. Namun, dalam kasus terakhir, biaya pemasangan boiler diferensial panas jauh lebih tinggi yang bukan merupakan faktor positif.
Perbedaan panas lebih tinggi dari 40 atau 50ºC tidak umum mengingat bahwa masa manfaat fluida perpindahan panas dipengaruhi oleh perubahan suhu yang begitu tinggi dan tiba-tiba dan desain boiler harus mengantisipasi langkah-langkah untuk menyerap ekspansi tambahan, yang membuat desain lebih terspesialisasi. dan lebih mahal. Namun, dalam aplikasi untuk pembangkit listrik tenaga surya, boiler cairan transfer panas dengan diferensial panas 100 ° C dapat ditemukan.
Rekomendasi kami adalah bahwa pengguna menghubungi pabrik boiler, pemasang resmi atau in-house atau insinyur eksternal untuk mendiskusikan perbedaan panas apa yang paling cocok untuk proses mereka.
Kita telah melihat bahwa menentukan diferensial panas, pada dasarnya berdasarkan karakteristik perangkat yang dikonsumsi, menentukan laju aliran sirkulasi cairan transfer panas yang diperlukan dalam sistem. Tetapi aliran ini juga harus memenuhi persyaratan tertentu yang ditandai pada boiler.
Kecepatan fluida perpindahan panas dalam kumparan harus cukup tinggi untuk memastikan pertukaran panas yang baik sementara tidak melebihi suhu film dari fluida perpindahan panas yang digunakan untuk menghindari degradasinya yang cepat. Tetapi kecepatan sirkulasi tinggi ini yang diperlukan juga menyiratkan kerugian muatan yang signifikan (kehilangan tekanan) karena kehilangan muatan sebanding dengan kecepatan tinggi kuadrat, dengan kemungkinan harus menggunakan pompa yang sangat besar dengan konsumsi listrik yang sangat tinggi untuk mencapai hidrolik stabilitas di sirkuit.
Menyatukan faktor-faktor kecepatan tinggi dan kehilangan muatan yang dapat diterima hanya dimungkinkan dengan studi panas dan hidraulik yang tepat terhadap kumparan, diameter tabungnya, panjangnya dan hubungannya.
Dengan bantuan diagram pada Gambar 6 dan contoh singkat, kami akan mencoba menjelaskan sedikit semua masalah ini. Kami telah menyederhanakan opsi hidraulik yang mungkin secara eksklusif dalam tiga kasus ini. Pada kenyataannya, lintasan paralel gulungan dapat hanya dari 1 lintasan atau hingga 6, 7 atau 8.
Suhu operasi T 1 dan output kW panas nya adalah sama di semua tiga diagram pada Gambar 6. Selain itu, total panjang pipa komponen kumparan adalah sama – 4L.
Perbedaannya berkaitan dengan suhu saluran masuk boiler (suhu balik dari peralatan yang dikonsumsi setelah memasok energi yang diperlukan), T2, T3 dan T4. Tingkat aliran beredar Q, Q 1 y Q 2 dan kerugian biaya ΔP 1 , ΔP 2 dan ΔP 3 juga berbeda.
Contoh angka nyata
Kami memiliki boiler cairan transfer panas dengan diferensial panas 40ºC dan dengan daya pemanas 1100 kW. Permukaan penukarnya adalah 54 m 2 dengan hasil sekitar 86-89%, tergantung pada suhu operasi.
Garis desainnya adalah A) pada Gambar 6, dengan dua gulungan seri dan dua lintasan paralel per koil. Laju aliran desain untuk kondisi ini adalah 52 m 3 / jam, dengan kehilangan muatan 2,37 bar pada suhu operasi 260ºC.
Jika kita mencoba mengoperasikan ketel ini dengan lompatan panas 20 ° C, laju aliran harus 104 m 3 / jam dan kehilangan muatan yang diharapkan pada suhu yang sama seperti sebelumnya, 260 ° C, akan menjadi 8,17 bar. Kita harus menggunakan pompa yang sangat canggih dan mahal, dengan konsumsi listrik yang sangat tinggi.
Di sisi lain, jika kita menggunakan garis desain B) pada Gambar 6 (dua gulungan secara seri dengan tiga lintasan paralel per kumparan) dengan laju aliran yang sama, 104 m 3 / jam, dan permukaan pertukaran, 54 m 2 , muatan hilang akan menjadi 2,62 bar, yang dapat diterima untuk pompa konvensional.
Garis desain tipe B ini tidak akan layak untuk boiler dengan diferensial panas 40ºC karena, dengan laju aliran rendah yang dibutuhkan, 52 m 3 / jam, tidak akan ada masalah penurunan tekanan (hanya 0,71 bar) tetapi, sebaliknya, masalahnya adalah mengatasi suhu film fluida, karena ini akan menjadi sekitar 44 ° C lebih tinggi dari suhu operasi.
Seperti dapat dilihat pada Temperatur , suhu film maksimum biasanya dalam urutan 10-20 ° C di atas suhu operasi maksimum sehingga, dalam kasus hipotetis ini, kami akan mengalami degradasi cepat dari biaya cairan transfer panas atau kami akan terpaksa bekerja pada suhu rendah, yang mungkin tidak dapat diterima untuk sistem produksi kami.
Desain C), dengan dua kumparan yang terhubung secara paralel, masing-masing dengan tiga lintasan fluida perpindahan panas, sesuai dengan rakitan yang tidak biasa dan satu tipikal dari boiler yang membutuhkan perbedaan panas yang sangat kecil, dalam urutan 10 atau 15ºC. Dalam kondisi ini, laju aliran, 205 m 3 / jam, sangat tinggi dan jika konfigurasi ini tidak dipilih, kehilangan muatan fluida perpindahan panas akan sangat tinggi, bahkan dengan konfigurasi tiga lintasan dalam desain garis B), mengingat bahwa itu akan menjadi sekitar 8,45 bar.
Gambar 6. Jenis koneksi koil. A) Secara seri, dua lintasan per koil secara paralel. B) Secara seri, tiga lintasan per koil secara paralel. C) Secara paralel, dua lintasan per koil secara paralel
Karena itu, kita dapat melihat bahwa lompatan panas yang diperlukan sangat memengaruhi desain boiler dan oleh karena itu, harus dipertimbangkan sebagai faktor kunci dalam proyek pemasangan sistem fluida transfer panas.