Millise erirõhuvahemiku (1–5 baari) korral langeb titaanküttekeha soojusefektiivsus kondensaadi katmise tõttu alla 90%?

Protsessiinseneril, kes kasutab titaanist sukelsoojendit surve all olevas süsteemis (nt autoklaavis, survereaktoris või auruga köetavas anumas), väheneb kondensaadi katmisel soojuse efektiivsus dramaatiliselt. Kondensaadi katmine tekib siis, kui küttekeha pinna temperatuur langeb alla seda ümbritseva auru küllastustemperatuuri, nii et pinnale tekib vedel kondensaat ja koguneb. See vedel kiht suurendab soojustakistust ja vähendab soojusülekande efektiivsust. Titaanküttekeha puhul, mis töötab küllastunud aurus või keevas vedelikus rõhul 1–5 baari (absoluutne), on soojuslik efektiivsus alla 90%, kui kondensaadikihi paksus on suurem kui umbes 0,5 mm. Täpne rõhuvahemik, kus see muret tekitab, sõltub küttekeha ümbrise temperatuuri erinevusest ja küllastustemperatuurist ning küttekeha orientatsioonist.

Titaanküttekeha katmine kondensaadi mehhanismi kaudu
Kui titaansoojendi töötab aurukeskkonnas (või ebastabiilse tuumakeemisega keevas vedelikus), võib pinna temperatuur olla madalam kui ümbritseva keskkonna küllastustemperatuur. Kondensaat moodustub tilkade või pideva kilena. Horisontaalsete torude puhul voolab kondensaat ära, nii et kiht jääb parajalt õhuke (0,1-0,3 mm). Vertikaalsete torude puhul voolab kondensaat allapoole ja pakseneb voolates. 0,5 mm kondensaadikiht lisab soojustakistust umbes R_cond=t/k, kus vee k on 0,6 W/m·K, seega R_cond=0.0005 / 0.6=0.00083 m²·K/W. Näiteks kui soojusülekandetegur ilma kondensaadita on 2000 W/m2·K (Rconv=0.0005 m2·K/W), suureneb üldine takistus 0,5 mm kondensaadikihiga 166%, mille tulemuseks on efektiivsuse langus 100%-lt umbes 38%-le. 0,1 mm kondensaadikihiga (R_cond=0.00017) langeb efektiivsus umbes 75% -ni.

Rõhu ja temperatuuri tingimuste kvantifitseerimine kondensaadi katmiseks Rõhk (bar abs) Küllastustemperatuur ( kraad ) Min. Katte temp. kondensaadi vältimine ( kraad ) Kriitiline ΔT (ümbrise - küllastus) Tõhusus ΔT=5 kraadi juures (kondensaadi olemasolu) Tõhusus ΔT=15 kraadi juures (kondensaat puudub)
1.0 100 > 105 5 kraad 65–75% 95–98% 1.5 111 > 116 5 kraad 70–80% 95–98% 2.0 120 > 125 5 kraad 75–85% 96–98% 2.5 127 > {{19–8} kraad 8% 6–9% 8
3.0 133 > 138 5 kraad 82–90% 96–98% 4.0 144 > 149 5 kraad 85–92% 97–98% 5.0 152 > 157 5 kraad 88–94% 97–98%
Madalamal rõhul (1 bar) on küllastustemperatuur madalam ja kondensaat tekib kergemini, kuna soojusülekandetegur aurule on väiksem. Suurem aurutihedus kõrgemal rõhul (5 baari) tagab parema soojusülekande ja väiksema kondensaadi kogunemise. Kondensaadi katmise tõhususe probleem on kõige olulisem rõhuvahemikus 1 kuni 3 baari. Üle 3 baari soodustab suurem aurutihedus tilkade kaasahaaramist ja õhemaid kondensaadikihte.

Stsenaariumil põhinev{0}}rõhu ja küttekeha konfigureerimise juhend
Töörõhk (bar abs.)Soojendi suund Kriitiline kondensaadi oht Soovitatav tegevus, et hoida kasutegur üle 90%
1.0 (atmosfääriline) Horisontaalne Kõrge Vertikaalne orientatsioon. Hoidke ΔT > 10 kraadi (ümbris 10 kraadi üle küllastuse).
1,0 (atmosfääriline) Vertikaalne Mõõdukas Tagada vattihedus > 3 W/cm², et hoida ümbrise temperatuur > 110 kraadi.
1.5 Horisontaalne kõrge kaldega kütteseade 15-30 kraadi horisontaalsest kondensaadi ärajuhtimiseks.
1.5 Vertikaalne madal Vertikaalne orientatsioon võib tavaliselt hoida efektiivsust > 90%, kui ΔT > 8 kraadi.
2.0 Horisontaalne Mõõdukas Lisage horisontaalsetele torudele ribid või kondensaadikaitsed.
2.0 Vertical Low Standard vastuvõetav vertikaalne disain
3,0 Madal Minimaalne kondensaadikate. Standardkonstruktsioon lubatud.
4.0–5.0 Very low No extra measures needed >95% efektiivsus isegi vähese kondensatsiooni korral.
Tehnilised lahendused kondensaadi katmise vältimiseks
Efficiency loss from condensate blanketing in the critical pressure range (1–3 bar) is prevented by many design improvements. The best way to solve this is to have the heater standing up. In the vertical tubes condensate is removed by gravity, which keeps the film thickness below 0.1 mm for a length less than 1 m. Vertical heater at 2 bar, >95% efektiivsus isegi madala vattiheduse korral. Teise võimalusena võib vattihedust suurendada. Samuti saame tõsta ümbrise temperatuuri 10–15 kraadi üle küllastumise, mis aurustab tekkiva kondensaadi, nii et see ei kogune. 2 baari süsteemi (küllastus 120 kraadi) korral annab töötase 8 W/cm2 ümbrise temperatuuriks umbes 135–140 kraadi. See annab ülekuumenemise 15-20 kraadi, mis eemaldab vedela kondensaadi. Kolmas alternatiiv on paigutada kondensaadi äravoolu elemendid, nagu ringsooned, spiraalsed ribid või tilkumisribid horisontaalsetele torudele, mis lõhuvad kondensaadikile ja suurendavad tilkade vabanemist, vähendades efektiivset kile paksust 50–70%.

Järeldus: tõhusus<90% @1-3 bar with condensate blanketing
Titaanküttekeha puhul, mis töötab küllastunud aurus või keevas vedelikus 1-3 baari (absoluutsel) rõhul, langeb kondensaadi katte tekkimisel termiline kasutegur alla 90% (mis juhtub siis, kui ümbrise temperatuur on alla 5–10 kraadi üle küllastustemperatuuri). Horisontaalse küttekeha puhul 2 W/cm$^2$ võib kasutegur olla 1 baari juures (100 kraadi küllastus) vaid 65–75% kondensaadi kogunemise tõttu. Auru suurenenud tihedus ja parem soojusülekanne rõhul 5 baari (küllastus 152 kraadi juures) hoitakse teatud kondensaadiga üle 95%. Kui kasutegur on üle 90% kriitilises vahemikus 1–3 baari, valige vertikaalne küttekeha suund, hoidke vattihedust üle 5 W/cm² (või ümbrise ülekuumenemise vähemalt 10 kraadi) või paigaldage horisontaalsetele torudele kondensaadi äravoolu. Surve all töötamiseks tuleks tarnijale anda töörõhu vahemik, hinnanguline vattihedus ja küttekeha orientatsioon. See võimaldab hinnata kondensaadi kattekihti ja anda soovitusi.