Le LMTD qui définit le devoir de refroidissement
Une ligne d'anodisation dure de type III fonctionnant à 2 degrés nécessite un échangeur de chaleur pour éliminer 50 kW de chaleur de réaction. L'alimentation en eau glacée est à −2 degrés et le retour est à 2 degrés. Le fluide de procédé entre dans l'échangeur de chaleur à 4 degrés et en sort à 2 degrés.
Pour un arrangement à contre-courant-, les différences de température aux deux extrémités sont : extrémité chaude (entrée de processus 4 degrés − sortie d'eau glacée 2 degrés)=2 degrés et extrémité froide (sortie de processus 2 degrés − entrée d'eau glacée −2 degrés)=4 degrés. Le LMTD est calculé à partir de ces deux valeurs et est d'environ 2,9 degrés.
Le LMTD de 2,9 degrés est très faible. Pour un échangeur de chaleur avec un coefficient global de 200 W/m²·K et une charge thermique de 50 kW, la surface requise est de 86 m². Il s’agit d’un très grand échangeur de chaleur et le coût en capital est substantiel.
Le petit LMTD est la contrainte déterminante du refroidissement par anodisation dure. L'échangeur de chaleur doit être suffisamment grand pour transférer la chaleur à travers la petite différence de température, et la surface requise détermine le coût en capital et l'empreinte au sol.
Pourquoi le LMTD est petit dans le service d'anodisation
Le LMTD est petit en service d'anodisation pour trois raisons.
Premièrement, la température du processus est basse. L'anodisation dure de type III fonctionne à 0-5 degrés et l'anodisation sulfurique de type II fonctionne à 20-22 degrés. La basse température du procédé limite la différence de température entre le procédé et l'eau glacée.
Deuxièmement, la température d’alimentation en eau glacée est limitée par le système de réfrigération. Une alimentation en eau glacée typique se situe entre 5 et 7 degrés pour l'anodisation de type II et entre -5 et 0 degrés pour l'anodisation dure de type III. La température d'alimentation ne peut pas être réduite indéfiniment car l'efficacité du système de réfrigération diminue et le risque de gel augmente.
Troisièmement, la tolérance de température du procédé est stricte. La vitesse de réaction d'anodisation et les propriétés du revêtement dépendent de la température et la tolérance est généralement de ± 1 degré. La tolérance étroite limite l'augmentation de la température du fluide de procédé à travers l'échangeur thermique, ce qui réduit le LMTD.
Le LMTD dans l’anodisation à l’acide sulfurique de type II
L'anodisation à l'acide sulfurique de type II fonctionne à 20-22 degrés avec une tolérance de ± 1 degré. L'alimentation en eau glacée est généralement comprise entre 10 et 12 degrés et le retour entre 15 et 17 degrés. Le fluide de traitement entre dans l'échangeur de chaleur à 22 degrés et en sort à 20 degrés.
Pour un arrangement à contre-courant-, les différences de température aux deux extrémités sont : extrémité chaude (entrée de processus 22 degrés − sortie d'eau glacée 17 degrés)=5 degrés et extrémité froide (sortie de processus 20 degrés − entrée d'eau glacée 10 degrés)=10 degrés. Le LMTD est d'environ 7,2 degrés.
Le LMTD de 7,2 degrés est plus grand que le boîtier d'anodisation dure mais reste petit par rapport aux applications typiques d'échangeur de chaleur. Pour un échangeur thermique d'un coefficient global de 200 W/m²·K et d'une charge thermique de 50 kW, la surface requise est de 35 m².
Le LMTD en anodisation dure de type III
L'anodisation dure de type III fonctionne entre 0 et 5 degrés avec une tolérance de ± 0,5 degré. L'alimentation en eau glacée est généralement comprise entre -5 et 0 degré et le retour entre 0 et 3 degrés. Le fluide de procédé entre dans l'échangeur de chaleur à 4 degrés et en sort à 2 degrés.
Pour un arrangement à contre-courant-, les différences de température aux deux extrémités sont : extrémité chaude (entrée de processus 4 degrés − sortie d'eau glacée 3 degrés)=1 degrés et extrémité froide (sortie de processus 2 degrés − entrée d'eau glacée −5 degrés)=7 degrés. Le LMTD est d'environ 3,2 degrés.
Le LMTD de 3,2 degrés est très faible. Pour un échangeur thermique d'un coefficient global de 200 W/m²·K et d'une charge thermique de 50 kW, la surface requise est de 78 m².
L'effet de la disposition des flux sur le LMTD
La disposition des flux affecte le LMTD. Un arrangement à contre-courant-fournit le LMTD le plus grand pour un ensemble donné de températures d'entrée et de sortie. Un arrangement de flux parallèle-fournit le plus petit LMTD. Un arrangement à flux croisés-fournit un LMTD intermédiaire.
Pour le service d'anodisation, la disposition à contre-courant-est préférable car elle maximise le LMTD et minimise la surface requise. La disposition à contre-courant-est particulièrement importante dans le service d'anodisation dure, où le LMTD est très faible et l'exigence de surface est élevée.
Comparaison des valeurs LMTD pour différentes conditions d'anodisation
Le tableau suivant résume le LMTD et la surface requise pour différentes conditions d'anodisation avec une charge thermique de 50 kW et un coefficient global de 200 W/m²·K.
| Type d'anodisation | Température du processus | Alimentation en eau glacée | Retour d'eau glacée | Processus ΔT | DMTD | Surface requise |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Type II, faible charge | 22 degrés | 12 degrés | 16 degrés | 1 degré | 8,5 degrés | 29 m² |
| Type II, charge modérée | 22 degrés | 10 degrés | 15 degrés | 2 degrés | 7,2 degrés | 35 m² |
| Type II, charge élevée | 22 degrés | 8 degrés | 14 degrés | 3 degrés | 6,1 degré | 41 m² |
| Type III, faible charge | 4 degrés | 0 degré | 2 degrés | 1 degré | 3,5 degrés | 71 m² |
| Type III, charge modérée | 4 degrés | −2 degrés | 2 degrés | 2 degrés | 2,9 degrés | 86 m² |
| Type III, charge élevée | 4 degrés | −5 degrés | 2 degrés | 3 degrés | 2,4 degrés | 104 m² |
| Type III, charge très élevée | 4 degrés | −8 degrés | 2 degrés | 4 degrés | 2,0 degrés | 125 m² |
Les valeurs de surface requises supposent une disposition à contre-courant-et un coefficient de transfert de chaleur global de 200 W/m²·K. La surface réelle dépend du matériau du tube, de l’épaisseur de la paroi et des vitesses d’écoulement.
Les limites pratiques du LMTD en service d’anodisation
Les limites pratiques du LMTD en service d'anodisation sont déterminées par le compromis entre la taille de l'échangeur thermique et le coût de réfrigération. Un LMTD plus petit nécessite un échangeur de chaleur plus grand mais permet une température d'alimentation en eau glacée plus élevée, ce qui réduit les coûts de réfrigération. Un LMTD plus grand permet un échangeur de chaleur plus petit mais nécessite une température d'alimentation en eau glacée plus basse, ce qui augmente le coût de réfrigération.
Pour l'anodisation à l'acide sulfurique de type II, la plage LMTD pratique est de 6 à 10 degrés. En dessous de 6 degrés, l'échangeur de chaleur devient peu pratique. Au-dessus de 10 degrés, la température de l'eau glacée devient trop élevée pour assurer un refroidissement adéquat.
Pour l'anodisation dure de type III, la plage LMTD pratique est de 2 à 5 degrés. En dessous de 2 degrés, l'échangeur de chaleur devient peu pratique. Au-dessus de 5 degrés, la température d'alimentation en eau glacée devient trop élevée pour maintenir la température du processus.
Caractéristiques de conception permettant un LMTD plus petit
Plusieurs caractéristiques de conception permettent un LMTD plus petit sans augmentation excessive de la taille de l'échangeur thermique.
Matériau du tube à conductivité plus élevée.Un composé de PTFE chargé avec une conductivité thermique de 0,5 W/m·K a la moitié de la résistance thermique de paroi du PTFE vierge, ce qui augmente le coefficient de transfert thermique global et réduit la surface requise.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit la résistance thermique et augmente le coefficient global. Un mur de 0,5 mm a la moitié de la résistance thermique d'un mur de 1,0 mm.
Vitesse d'écoulement plus élevée.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente les coefficients du film des deux côtés de la paroi du tube, ce qui augmente le coefficient global et réduit la surface requise.
Surface du tube améliorée.Une surface de tube avec des ailettes ou des rainures augmente la surface par unité de longueur et le coefficient du film, ce qui permet un LMTD plus petit.
Différence de température plus importante tout au long du processus.Permettre au fluide de procédé de monter ou de descendre d'une plus grande quantité à travers l'échangeur thermique augmente le LMTD. La tolérance de température du processus limite le changement de température admissible.
Configuration d'échangeur de chaleur divisé.La division de la charge thermique entre deux échangeurs de chaleur plus petits permet à chaque unité de fonctionner à un LMTD plus petit sans la pénalité d'espace d'une seule grande unité.
Paramètres de spécification pour le service d'anodisation
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour le service d'anodisation doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Type d'anodisation.Spécifiez l’anodisation de type II ou de type III ainsi que la température du processus.
Tolérance de température de processus.Spécifiez la variation de température admissible dans le bain de traitement.
Température d'alimentation en eau glacée.Spécifiez la température d'alimentation en eau glacée et le débit disponible.
Température de retour d'eau glacée.Spécifiez la température maximale autorisée de retour d’eau glacée.
Charge thermique.Spécifiez la charge thermique et la plage attendue.
LMTD.Spécifiez le LMTD en fonction des températures du procédé et de l'eau réfrigérée.
Superficie.Spécifiez la surface requise pour la charge thermique et le LMTD.
Matériau des tubes.Spécifiez le matériau du tube en fonction du coefficient global requis et de la température de la paroi.
Disposition des flux.Spécifiez la disposition des flux. Le flux à contre-courant-est préférable pour une LMTD maximale.
Faire correspondre le LMTD aux exigences du processus d'anodisation
Le LMTD détermine la surface requise et la faisabilité de la fonction de refroidissement dans un échangeur de chaleur en PTFE pour le service d'anodisation. Un LMTD plus petit nécessite un échangeur de chaleur plus grand mais permet une température d'alimentation en eau glacée plus élevée et un coût de réfrigération inférieur. Un LMTD plus grand permet un échangeur de chaleur plus petit mais nécessite une température d'alimentation en eau glacée plus basse et un coût de réfrigération plus élevé.
Le LMTD doit être sélectionné en fonction de la température du processus, de la température d'alimentation en eau glacée, de la charge thermique et des contraintes d'espace. Un simple modèle de feuille de calcul avec le calcul du transfert de chaleur et les données de coût fournit les informations nécessaires pour sélectionner le LMTD optimal.
Pour les lignes d'anodisation évaluant les options d'échangeur thermique en PTFE, le LMTD doit être spécifié dans les documents d'approvisionnement et vérifié lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour l'efficacité énergétique, et le LMTD résultant peut ne pas correspondre aux exigences réelles du processus.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes des achats évaluant les spécifications de l'échangeur de chaleur en PTFE pour l'anodisation ou tout autre service de refroidissement à basse température peuvent demander une révision de la conception couvrant le type d'anodisation, la température du processus, la température d'alimentation en eau glacée, la charge thermique, le LMTD et la surface pour confirmer que l'unité est adaptée aux exigences réelles du processus et à la structure des coûts de l'installation.
