तापमान रेंज जहां विकिरण मायने रखता है
स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम के अनुसार, विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण पूर्ण तापमान की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है: q=εσ(T₁⁴ − T₂⁴), जहां q ऊष्मा प्रवाह है, ε उत्सर्जन है, σ स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है, और T₁ और T₂ दो सतहों के निरपेक्ष तापमान हैं।
कम तापमान पर, विकिरण ऊष्मा प्रवाह संवहन ऊष्मा प्रवाह की तुलना में छोटा होता है। 60 डिग्री (333 K) पर, 0.9 की उत्सर्जन क्षमता और 20 डिग्री के तापमान अंतर वाली दो सतहों के बीच विकिरण ताप प्रवाह लगभग 120 W/m² है। समान परिस्थितियों में संवहन ताप प्रवाह लगभग 2,000 W/m² है। विकिरण योगदान कुल का लगभग 6% है।
200 डिग्री (473 K) पर, समान उत्सर्जन और तापमान अंतर के साथ विकिरण ताप प्रवाह लगभग 380 W/m² है। संवहन ऊष्मा प्रवाह लगभग 3,500 W/m² है। विकिरण योगदान कुल का लगभग 10% है।
300 डिग्री (573 K) पर, विकिरण ताप प्रवाह लगभग 750 W/m² है। संवहन ऊष्मा प्रवाह लगभग 4,500 W/m² है। विकिरण योगदान कुल का लगभग 14% है।
200 डिग्री से ऊपर विकिरण योगदान महत्वपूर्ण हो जाता है, और इसे उच्च तापमान सेवा के लिए गर्मी हस्तांतरण गणना में शामिल किया जाना चाहिए।
पीटीएफई की उत्सर्जनता
थर्मल विकिरण की तरंग दैर्ध्य सीमा के लिए PTFE की उत्सर्जन क्षमता लगभग 0.85–0.92 है। उच्च उत्सर्जन का मतलब है कि पीटीएफई सतहें थर्मल विकिरण के कुशल रेडिएटर और अवशोषक हैं।
पीटीएफई की उत्सर्जन क्षमता पॉलिश धातुओं की तुलना में अधिक है, जिनकी उत्सर्जन क्षमता 0.05–0.20 है। पीटीएफई की उच्च उत्सर्जनशीलता विकिरण गर्मी हस्तांतरण में एक फायदा है क्योंकि यह सतह को विकिरण को कुशलतापूर्वक अवशोषित और उत्सर्जित करने की अनुमति देती है।
उत्सर्जन सतह की स्थिति से प्रभावित होता है। एक चिकनी पीटीएफई सतह की उत्सर्जन क्षमता लगभग 0.85 होती है, जबकि खुरदरी या दूषित सतह की उत्सर्जन क्षमता लगभग 0.92 होती है। तापमान के साथ उत्सर्जन भी बढ़ता है, 20 डिग्री पर 0.85 से 200 डिग्री पर 0.92 तक।
हीट एक्सचेंजर की ज्यामिति
विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण हीट एक्सचेंजर की ज्यामिति और सतहों के बीच दृश्य कारक पर निर्भर करता है। दृश्य कारक एक सतह से निकलने वाले विकिरण का वह अंश है जो दूसरी सतह से टकराता है।
एक शेल {{0}और -ट्यूब हीट एक्सचेंजर में, ट्यूब शेल से घिरी होती हैं, और ट्यूब और शेल के बीच दृश्य कारक अधिक होता है। यदि शेल का तापमान ट्यूब के तापमान से भिन्न है तो ट्यूब और शेल के बीच विकिरण गर्मी हस्तांतरण महत्वपूर्ण है।
प्लेट हीट एक्सचेंजर में, प्लेटें समानांतर होती हैं, और आसन्न प्लेटों के बीच दृश्य कारक अधिक होता है। यदि प्लेट का तापमान भिन्न हो तो प्लेटों के बीच विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण महत्वपूर्ण होता है।
एक विसर्जन कुंडल में, कुंडल प्रक्रिया द्रव से घिरा होता है, और कुंडल और टैंक की दीवार के बीच दृश्य कारक मध्यम होता है। यदि टैंक की दीवार का तापमान कॉइल के तापमान से भिन्न है, तो कॉइल और टैंक की दीवार के बीच विकिरण गर्मी हस्तांतरण महत्वपूर्ण है।
उच्च तापमान सेवा में विकिरण योगदान
निम्नलिखित तालिका पीटीएफई हीट एक्सचेंजर में विभिन्न तापमान स्तरों और सतह स्थितियों के लिए कुल गर्मी हस्तांतरण में विकिरण योगदान का सारांश देती है।
| प्रक्रिया तापमान | सतह उत्सर्जन | तापमान अंतराल | विकिरण ऊष्मा प्रवाह | संवहन ऊष्मा प्रवाह | विकिरण योगदान |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 डिग्री | 0.85 | 20 डिग्री | 110 W/m² | 2,000 W/m² | 5% |
| 100 डिग्री | 0.87 | 20 डिग्री | 180 W/m² | 2,500 W/m² | 7% |
| 150 डिग्री | 0.89 | 20 डिग्री | 280 W/m² | 3,000 W/m² | 9% |
| 200 डिग्री | 0.91 | 20 डिग्री | 400 W/m² | 3,500 W/m² | 10% |
| 250 डिग्री | 0.92 | 20 डिग्री | 560 W/m² | 4,000 W/m² | 12% |
| 300 डिग्री | 0.92 | 20 डिग्री | 760 W/m² | 4,500 W/m² | 14% |
| 350 डिग्री | 0.92 | 20 डिग्री | 1,000 W/m² | 5,000 W/m² | 17% |
विकिरण ताप प्रवाह की गणना 0.85-0.92 की सतह उत्सर्जन और 20 डिग्री के तापमान अंतर के लिए की जाती है। संवहन ऊष्मा प्रवाह की गणना 100 W/m²·K के फिल्म गुणांक और समान तापमान अंतर के लिए की जाती है। विकिरण योगदान विकिरण ऊष्मा प्रवाह और कुल ऊष्मा प्रवाह का अनुपात है।
समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक पर विकिरण का प्रभाव
विकिरण गर्मी हस्तांतरण संवहन गर्मी हस्तांतरण में जोड़ता है, और संयुक्त प्रभाव समग्र गर्मी हस्तांतरण गुणांक को बढ़ाता है। विकिरण योगदान को समतुल्य विकिरण फिल्म गुणांक, h_rad=q_rad / ΔT के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।
200 डिग्री के प्रक्रिया तापमान और 20 डिग्री के तापमान अंतर के लिए, विकिरण ताप प्रवाह 400 W/m² है, और समतुल्य विकिरण फिल्म गुणांक 20 W/m²·K है। संवहन फिल्म गुणांक 100 W/m²·K है। संयुक्त फिल्म गुणांक 120 W/m²·K है, जो अकेले संवहन गुणांक से 20% अधिक है।
फिल्म गुणांक में वृद्धि किसी दिए गए ताप भार के लिए आवश्यक सतह क्षेत्र को कम कर देती है। 50 किलोवाट के ताप भार और 20 डिग्री के तापमान अंतर वाले हीट एक्सचेंजर के लिए, केवल संवहन के साथ आवश्यक सतह क्षेत्र 25 वर्ग मीटर है। विकिरण को शामिल करने पर, आवश्यक सतह क्षेत्र 21 वर्ग मीटर है, जो 16% की कमी है।
ट्यूब दीवार के तापमान पर विकिरण का प्रभाव
विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण ट्यूब की दीवार के तापमान को भी प्रभावित करता है। विकिरण ऊष्मा प्रवाह को ट्यूब की दीवार और प्रक्रिया द्रव द्वारा अवशोषित किया जाता है, जिससे ट्यूब की दीवार और प्रक्रिया द्रव के बीच तापमान का अंतर कम हो जाता है।
कम तापमान का अंतर ट्यूब की दीवार के तापमान और पीटीएफई की गिरावट दर को कम करता है। उच्च तापमान वाली सेवा में, निचली दीवार का तापमान हीट एक्सचेंजर की सेवा जीवन को बढ़ा सकता है।
कम तापमान पर प्रभाव छोटा होता है लेकिन 200 डिग्री से ऊपर महत्वपूर्ण हो जाता है। 300 डिग्री पर, विकिरण योगदान ट्यूब की दीवार के तापमान को 5-10 डिग्री तक कम कर सकता है, जो सेवा जीवन को 20-30% तक बढ़ा सकता है।
डिज़ाइन विशेषताएँ जो विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण को बढ़ाती हैं
कई डिज़ाइन सुविधाएँ PTFE हीट एक्सचेंजर में विकिरण ताप हस्तांतरण को बढ़ाती हैं।
उच्च उत्सर्जन सतह.एक उच्च उत्सर्जन सतह विकिरण को कुशलता से अवशोषित और उत्सर्जित करती है। पीटीएफई में स्वाभाविक रूप से उच्च उत्सर्जन क्षमता होती है, और उत्सर्जन को बनाए रखने के लिए सतह को साफ रखा जाना चाहिए।
बड़ा दृश्य कारक.एक ज्यामिति जो गर्म और ठंडी सतहों के बीच एक बड़ा दृश्य कारक प्रदान करती है, विकिरण गर्मी हस्तांतरण को बढ़ाती है। शेल से घिरी ट्यूबों के साथ एक शेल {{1} और - ट्यूब कॉन्फ़िगरेशन एक उच्च दृश्य कारक प्रदान करता है।
उच्च तापमान अंतर.सतहों के बीच एक बड़ा तापमान अंतर विकिरण ताप प्रवाह को बढ़ाता है। तापमान का अंतर प्रक्रिया और सेवा द्रव तापमान से निर्धारित होता है।
विकिरण ढाल.कुछ अनुप्रयोगों में, विकिरण गर्मी हस्तांतरण को कम करने के लिए विकिरण ढाल का उपयोग किया जाता है। ढालें गर्म और ठंडी सतहों के बीच रखी जाती हैं और दृश्य कारक को कम करती हैं।
भूतल अभिविन्यास.सतहों का उन्मुखीकरण विकिरण ताप हस्तांतरण को प्रभावित करता है। जो सतहें सीधे एक-दूसरे के सामने होती हैं उनमें कोण पर स्थित सतहों की तुलना में अधिक दृश्य कारक होता है।
विभिन्न तापमानों पर विकिरण योगदान की तुलना करना
निम्नलिखित तालिका पीटीएफई हीट एक्सचेंजर में विभिन्न प्रक्रिया तापमानों के लिए विकिरण योगदान के साथ और उसके बिना समग्र गर्मी हस्तांतरण गुणांक का सारांश प्रस्तुत करती है।
| प्रक्रिया तापमान | संवहन गुणांक | विकिरण गुणांक | संयुक्त गुणांक | विकिरण से वृद्धि | आवश्यक सतह क्षेत्र में कमी |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 डिग्री | 100 W/m²·K | 5.5 W/m²·K | 105.5 W/m²·K | 5.5% | 5.2% |
| 100 डिग्री | 100 W/m²·K | 9.0 W/m²·K | 109.0 W/m²·K | 9.0% | 8.3% |
| 150 डिग्री | 100 W/m²·K | 14.0 W/m²·K | 114.0 W/m²·K | 14.0% | 12.3% |
| 200 डिग्री | 100 W/m²·K | 20.0 W/m²·K | 120.0 W/m²·K | 20.0% | 16.7% |
| 250 डिग्री | 100 W/m²·K | 28.0 W/m²·K | 128.0 W/m²·K | 28.0% | 21.9% |
| 300 डिग्री | 100 W/m²·K | 38.0 W/m²·K | 138.0 W/m²·K | 38.0% | 27.5% |
संवहन गुणांक 100 W/m²·K माना जाता है, और तापमान अंतर 20 डिग्री है। विकिरण गुणांक की गणना 0.90 की उत्सर्जन क्षमता के साथ स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम से की जाती है। आवश्यक सतह क्षेत्र में कमी केवल संवहन मामले की तुलना में सतह क्षेत्र में प्रतिशत कमी है।
उच्च तापमान सेवा के लिए विशिष्टता पैरामीटर
उच्च तापमान सेवा के लिए पीटीएफई हीट एक्सचेंजर निर्दिष्ट करने वाले उपकरण इंजीनियरों को आपूर्तिकर्ता के साथ निम्नलिखित मापदंडों की पुष्टि करनी चाहिए।
प्रक्रिया तापमान.अधिकतम प्रक्रिया तापमान और अपेक्षित तापमान प्रोफ़ाइल निर्दिष्ट करें।
सेवा द्रव तापमान.सेवा द्रव तापमान और उपलब्ध दबाव निर्दिष्ट करें।
तापमान अंतराल।प्रक्रिया और सेवा तरल पदार्थों के बीच तापमान अंतर निर्दिष्ट करें।
सतह उत्सर्जन.पीटीएफई सतह की उत्सर्जन क्षमता और सतह की स्थिति निर्दिष्ट करें।
ताप भार.ताप भार और अपेक्षित सीमा निर्दिष्ट करें।
सतह क्षेत्रफल।विकिरण योगदान के साथ और उसके बिना सतह क्षेत्र निर्दिष्ट करें।
ट्यूब दीवार का तापमान.अधिकतम स्वीकार्य ट्यूब दीवार तापमान निर्दिष्ट करें।
विकिरण योगदान.निर्दिष्ट करें कि विकिरण योगदान गर्मी हस्तांतरण गणना में शामिल है या नहीं।
उच्च तापमान सेवा के लिए विकिरण योगदान का मिलान
विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण 150 डिग्री से अधिक तापमान पर PTFE हीट एक्सचेंजर में समग्र ऊष्मा स्थानांतरण में योगदान देता है। तापमान के साथ योगदान बढ़ता है और 200-300 डिग्री पर कुल गर्मी हस्तांतरण का 10-14% तक पहुंच जाता है। विकिरण योगदान आवश्यक सतह क्षेत्र और ट्यूब दीवार के तापमान को कम कर देता है, जो हीट एक्सचेंजर की सेवा जीवन को बढ़ा सकता है।
उच्च तापमान सेवा के लिए ऊष्मा स्थानांतरण गणना में विकिरण योगदान को शामिल किया जाना चाहिए। विकिरण योगदान की उपेक्षा करने से एक बड़े आकार का हीट एक्सचेंजर बनता है जिसकी पूंजी लागत अधिक होती है और आवश्यकता से अधिक पदचिह्न होता है।
पीटीएफई हीट एक्सचेंजर विकल्पों का मूल्यांकन करने वाली उच्च तापमान सेवा सुविधाओं के लिए, विकिरण योगदान को खरीद दस्तावेजों में निर्दिष्ट किया जाना चाहिए और कमीशनिंग पर सत्यापित किया जाना चाहिए। निर्माता द्वारा प्रदान किए गए डिफ़ॉल्ट कॉन्फ़िगरेशन में विकिरण योगदान शामिल नहीं हो सकता है, और परिणामी हीट एक्सचेंजर का आकार बड़ा हो सकता है।
उच्च तापमान सेवा के लिए पीटीएफई हीट एक्सचेंजर विनिर्देशों का मूल्यांकन करने वाले उपकरण इंजीनियर और खरीद विशेषज्ञ प्रक्रिया तापमान, सेवा द्रव तापमान, तापमान अंतर, सतह उत्सर्जन, गर्मी भार और सतह क्षेत्र को कवर करते हुए एक डिजाइन समीक्षा का अनुरोध कर सकते हैं ताकि यह पुष्टि की जा सके कि इकाई सुविधा की वास्तविक गर्मी हस्तांतरण स्थितियों और लागत संरचना से मेल खाती है।
