De totale warmte overdracht coëfficiënt, of U-waarde, verwijst naar hoe goed warmte wordt geleid over een reeks van resistente mediums. De eenheden zijn de W/(m2°C).

Stoom vs. heet water

Het volgende artikel laat zien hoe de U-waarde voor de warmteoverdracht van stoom en heet water door verschillende soorten mediums kan worden berekend en vergeleken, met inbegrip van filmcoëfficiënten en het feitelijke wandmateriaal zelf.

De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt beïnvloed door de dikte en de thermische geleidbaarheid van het medium waardoor de warmte wordt overgedragen. Hoe groter de coëfficiënt, hoe gemakkelijker de warmte wordt overgedragen van de bron naar het product dat wordt verwarmd. In een warmtewisselaar kan het verband tussen de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt (U) en de warmteoverdrachtssnelheid (Q) worden aangetoond met de volgende vergelijking:

waar

U Uit deze vergelijking blijkt dat de U-waarde recht evenredig is met Q, de warmteoverdrachtssnelheid. Ervan uitgaande dat het warmteoverdrachtsoppervlak en het temperatuurverschil onveranderd blijven, geldt dat hoe groter de U-waarde is, hoe groter de warmteoverdracht. Met andere woorden, dit betekent dat voor een bepaalde warmtewisselaar en een bepaald product een hogere U-waarde kan leiden tot kortere batchtijden en een hogere productie/opbrengst.

Berekening van de U-waarde

Er kunnen verschillende vergelijkingen worden gebruikt om de U-waarde te bepalen, waarvan er één is:

waarbij

Warmteoverdracht door een metalen wand

In het geval van het maken van warm water bijvoorbeeld, vindt de warmteoverdracht in principe plaats van vloeistof 1 (warmtebron) door een geleidende vaste stof (metalen wand) naar vloeistof 2 (water, het product dat wordt verwarmd). Er moet echter ook rekening worden gehouden met de weerstand van de film. Daarom wordt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (h), ook wel de filmcoëfficiënt genoemd, meegenomen bij de berekening van de warmteoverdracht tussen een vloeistof en een geleidende wand.

Bij bepaalde unieke toepassingen, zoals verwarming van farmaceutische of biotechnologische processen, kan die warmteoverdracht bovendien door meerdere lagen wandmateriaal plaatsvinden. In dergelijke gevallen kan de bovenstaande vergelijking worden aangepast door voor elke laag de dikte (L) van het vaste materiaal te delen door het warmtegeleidingsvermogen (λ).

Om onderstaande voorbeeldberekeningen te vergemakkelijken, kunnen de volgende waarden worden gebruikt als referentie voor de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten:

Vloeistof	Convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (h)
Water	ongeveer 1000 W/(m2 °C)
Warm Water	1000 – 6000 W/(m2 °C)
Stoom	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Exemplaar waarin het effect op U van verschillende warmtebronnen wordt vergeleken, stoom of heet water

Twee ketels van koolstofstaal (λ = 50 W/(m °C) ) met een binnenwanddikte van 15 mm worden gebruikt om water te verwarmen. De ene gebruikt heet water als warmtebron, terwijl de andere stoom gebruikt. Laten we, uitgaande van warmteoverdrachtscoëfficiënten van 1000 W/m2 °C voor het te verwarmen water, 3000 W/m2 °C voor heet water, en 10000 W/m2° C voor stoom, de U-waarden berekenen voor beide verwarmingsprocessen.

Koolstofstalen mantelketel – vergelijking heet water versus stoomwarmtebron

Warm water:

Stoom:

In dit geval zorgt stoom voor een berekende U-waardeverbetering van 17%.

Stelt u zich nu eens voor dat dezelfde overdrachtswand van de ketel ook bekleed is met glas van 1 mm dik (λ = 0,9 W/(m °C) ). Wanneer deze waarden in de bovenstaande vergelijking van de U-waarde worden opgenomen, levert dat de volgende resultaten op:

Glass-Lined Jacketed Kettle – Comparing Hot Water vs. Stoom Warmtebron

Warm Water:

Stoom:

In dit geval van extra weerstand tegen geleiding, wordt de U-waarde nog steeds verbeterd, maar slechts met 9%; en dit toont aan hoe een slechte warmtegeleider zoals glas de warmteoverdracht sterk kan belemmeren.

Dus voor bepaalde warmte-uitwisselingsapparatuur, zoals een koolstofstalen ketel, kan het veranderen van de warmtebron van heet water in stoom de U-waarde en de warmteoverdracht aanzienlijk verbeteren als het wandmateriaal zeer goed geleidend is. Hetzelfde dramatische effect wordt echter niet verwacht in gevallen waarin een warmtewisselaar met meerdere wandlagen wordt gebruikt, waaronder lagen materiaal die niet sterk geleidend zijn (zoals een met glas beklede ketel).

Niettemin vereisen sommige processen een bepaald wandmateriaal, zoals glasbekleding, om reactiviteit met het product te voorkomen. Toch kan de warmteoverdracht in dergelijke omstandigheden worden verbeterd door de warmtebron te veranderen van heet water in stoom om de productie te optimaliseren.

Geavanceerd begrip

Fouling

Fouling van het oppervlak van het wandmateriaal kan een extra barrière voor warmteoverdracht vormen. Dit probleem kan zich om verschillende redenen zowel aan de kant van het verwarmingsmedium als aan de kant van het product voordoen. Enkele oorzaken kunnen zijn afzetting van deeltjes aan de verwarmingszijde, en te hoge of te lage temperaturen aan de productzijde.

Zo wordt bijvoorbeeld de stoomdruk soms verhoogd om de nodige druk te creëren om condensaat door de regelklep van de uitlaat van een niveaupot te persen. Als de druk in de warmtewisselaar echter toeneemt, stijgt ook de temperatuur van de stoom, en deze overmatige warmte kan leiden tot meer vervuiling aan de productzijde. Omgekeerd, als condensaat zich in de apparatuur kan ophopen, kan aan de verwarmingszijde vervuiling ontstaan door de brokstukken die zich in het samengeklonterde condensaat bevinden, en aan de productzijde door de lagere temperaturen die ertoe leiden dat het product aan het oppervlak aankoekt wanneer de vereiste viscositeit van het product niet wordt gehandhaafd.

Afzetting kan aan bovenstaande vergelijking worden toegevoegd door de verhouding tussen de dikte (LF) en het geleidingsvermogen (λF) mee te tellen, op dezelfde manier als de glasbekleding hierboven is toegevoegd, maar wordt meestal opgenomen in en uitgedrukt als een aangroeifactor voor een wisselaar die “in bedrijf” is geweest. Gewoonlijk zijn de berekeningen om de vermindering in U te vergelijken voor schoon versus in bedrijf.

Stoomverwarmingsmechanisme

Wat is vacuümstoom?