Całkowity współczynnik przenikania ciepła, lub wartość U, odnosi się do tego, jak dobrze ciepło jest przewodzone przez szereg odpornych ośrodków. Jego jednostką jest W/(m2°C) .

Para wodna vs. Gorąca woda

Poniższy artykuł pokazuje, jak obliczyć i porównać wartość U dla wymiany ciepła pary wodnej i gorącej wody przez różne rodzaje nośników, w tym współczynniki folii i sam materiał ściany.

Całkowity współczynnik przenikania ciepła zależy od grubości i przewodności cieplnej medium, przez które przenoszone jest ciepło. Im większy jest ten współczynnik, tym łatwiej ciepło jest przekazywane od źródła do ogrzewanego produktu. W wymienniku ciepła zależność pomiędzy całkowitym współczynnikiem przenikania ciepła (U) a natężeniem przepływu ciepła (Q) można przedstawić za pomocą następującego równania:

gdzie

Z równania tego wynika, że wartość U jest wprost proporcjonalna do Q, współczynnika przenikania ciepła. Zakładając, że powierzchnia wymiany ciepła i różnica temperatur pozostają niezmienione, im większa wartość U, tym większy współczynnik przenikania ciepła. Innymi słowy, oznacza to, że dla danego wymiennika ciepła i produktu, wyższa wartość U może prowadzić do skrócenia czasu partii i zwiększenia produkcji/przychodów.

Obliczanie wartości U

Do określenia wartości U można użyć kilku równań, jednym z nich jest:

gdzie

Przekazywanie ciepła przez metalową ścianę

W przypadku tworzenia gorącej wody, na przykład, wymiana ciepła zasadniczo zachodzi z płynu 1 (źródło ciepła) przez przewodzące ciało stałe (metalowa ściana) do płynu 2 (woda, ogrzewany produkt). Należy jednak wziąć pod uwagę również opór folii. Dlatego przy obliczaniu wymiany ciepła pomiędzy płynem a przewodzącą ścianą uwzględnia się współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła (h), czasami określany jako współczynnik filmu.

Dodatkowo, w niektórych wyjątkowych zastosowaniach, takich jak ogrzewanie procesów farmaceutycznych lub biotechnologicznych, wymiana ciepła może zachodzić przez kilka warstw materiału ścianki. W takich przypadkach, powyższe równanie można dostosować poprzez uwzględnienie grubości każdej warstwy ciała stałego (L) podzielonej przez jej przewodność cieplną (λ).

Aby ułatwić przykładowe obliczenia poniżej, następujące wartości mogą być użyte jako odniesienie dla współczynników konwekcyjnej wymiany ciepła:

Płyn	Współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła (h)
Woda	około 1000 W/(m2 °C)
Gorąca woda	1000 – 6000 W/(m2 °C)
Para	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Przykład porównujący wpływ różnych źródeł ciepła na U, pary lub gorącej wody

Dwa kotły z płaszczem ze stali węglowej (λ = 50 W/(m °C) ) o grubości ścianki wewnętrznej 15 mm są używane do podgrzewania wody. W jednym z nich źródłem ciepła jest gorąca woda, natomiast w drugim para wodna. Przyjmując współczynniki przenikania ciepła 1000 W/m2°C dla podgrzewanej wody, 3000 W/m2°C dla gorącej wody i 10000 W/m2° C dla pary, obliczmy wartości U dla obu procesów grzewczych.

Carbon Steel Jacketed Kettle – Comparing Hot Water vs. Steam Heat Source

Gorąca woda:

Para:

W tym przypadku para zapewnia obliczoną poprawę współczynnika U o 17%.

Wyobraźmy sobie teraz, że ta sama ścianka transferowa czajnika jest również wyłożona szkłem o grubości 1 mm (λ = 0,9 W/(m °C) ). Uwzględnienie tych wartości w powyższym równaniu na wartość U daje następujące wyniki:

Kotły z płaszczem szklanym – porównanie gorącej wody z parowym źródłem ciepła

Parowe źródło ciepła

Gorąca woda:

Para:

W tym przypadku dodatkowego oporu dla przewodnictwa, współczynnik U jest nadal poprawiony, ale tylko o 9%; i to pokazuje, jak słaby przewodnik termiczny, taki jak szkło, może znacznie zakłócić transfer ciepła.

Więc w przypadku niektórych urządzeń do wymiany ciepła, takich jak czajnik ze stali węglowej, zmiana źródła ciepła z gorącej wody na parę może potencjalnie znacznie poprawić współczynnik U i wymianę ciepła, jeśli materiał ścianek jest wysoce przewodzący. Jednakże, nie oczekuje się tego samego dramatycznego efektu w przypadkach, gdy stosuje się wymiennik ciepła z kilkoma warstwami ścianek, w tym warstwami materiału, które nie są wysoce przewodzące (jak np. kocioł z wykładziną szklaną).

Niemniej jednak, niektóre procesy wymagają określonego materiału ścianek, takiego jak wykładzina szklana, aby zapobiec reaktywności z produktem. Nawet w takich okolicznościach można poprawić współczynnik wymiany ciepła poprzez zmianę źródła ciepła z gorącej wody na parę w celu optymalizacji produkcji.

Zaawansowane rozumienie

Zanieczyszczenie

Zanieczyszczenie powierzchni materiału ścianki może stanowić dodatkową barierę dla wymiany ciepła. Problem ten może wystąpić zarówno po stronie czynnika grzewczego jak i produktu z wielu powodów. Niektóre z nich to osadzanie się cząsteczek po stronie czynnika grzewczego oraz zbyt wysokie lub niskie temperatury po stronie produktu.

Na przykład, ciśnienie pary jest czasami podnoszone w celu wytworzenia ciśnienia niezbędnego do przepchnięcia kondensatu przez zawór kontrolny wylotu w naczyniu poziomym. Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia w wymienniku ciepła, temperatura pary odpowiednio wzrasta, a to nadmierne ciepło może powodować zwiększone zanieczyszczenie po stronie produktu. I odwrotnie, jeśli pozwala się na gromadzenie się kondensatu w urządzeniach, po stronie grzewczej może dojść do zanieczyszczenia spowodowanego zanieczyszczeniami uwięzionymi w zgromadzonym kondensacie, a po stronie produktu do obniżenia temperatury, co powoduje zbrylanie się produktu na powierzchni, gdy nie jest utrzymywana wymagana lepkość produktu.

Zanieczyszczenia można dodać do powyższego równania poprzez uwzględnienie stosunku ich grubości (LF) do przewodności (λF), w taki sam sposób, w jaki dodano powyżej okładzinę szklaną, ale zazwyczaj jest ona włączana i wyrażana jako współczynnik zanieczyszczenia dla wymiennika, który był „w użyciu”. Powszechnie, obliczenia porównujące redukcję U dotyczą czystego wymiennika w porównaniu z eksploatowanym.

Mechanizm ogrzewania parowego

Co to jest para próżniowa?