Jak układ rurek (trójkątny czy kwadratowy) wpływa na-przepływ boczny powłoki i przenoszenie ciepła w wymienniku PTFE?

Kiedy płyn-po stronie płaszcza przepływa przez wiązkę rurek PTFE, układ rurek – zwany wzorem „skoku” – wpływa na to, czy przepływ jest zygzakowaty, turbulentny, czy z mniejszym oporem. Wybór układu to podstawowa i-długotrwała decyzja operacyjna. Inżynierowie opracowujący lub specyfikujący wymiennik ciepła z PTFE muszą docenić-kompromisy pomiędzy układami trójkątnymi i kwadratowymi, aby zrównoważyć wydajność wymiany ciepła z-długoterminową łatwością konserwacji.

Geometria układów rur
Wzory układu rur opisuje się jako położenie środków rur w stosunku do kierunku przepływu po stronie płaszcza. Najpopularniejsze układy to podziałka trójkątna (w tym trójkąt obrócony) i podziałka kwadratowa (w tym kwadrat obrócony). We wszystkich okolicznościach odstęp rurowy--odstęp od środka do środka pomiędzy sąsiednimi rurami wynosi zwykle 1,25 do 1,5 średnicy zewnętrznej rury. Rozstaw ten dobiera się tak, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, zapobiec stykaniu się rurek oraz umożliwić przepływ płynu przez wiązkę od strony płaszcza.

Skok (naprzemienny) Trójkątny
W układzie trójkątnym każda rura w drugim rzędzie jest przesunięta o połowę podziałki w stosunku do pierwszego rzędu. Prowadzi to do układu schodkowego, tak że drogi przepływu nie przebiegają w linii prostej w całej wiązce. Płyn-po stronie powłoki jest zmuszony do wężowania się między rurkami, stale zmieniając kierunek.

Kluczowe cechy:

Więcej rur na jednostkę przekroju powłoki- (większa gęstość rur)

Większe turbulencje w przepływie

Zwiększony spadek ciśnienia-po stronie powłoki

Znacznie większy współczynnik przenikania ciepła

Podziałka kwadratowa (w linii).
Rury mają kwadratowy odstęp, są ułożone w rzędy i kolumny, tworząc proste korytarze lub pasy w kierunku-bocznego przepływu zbiornika. Płyn może przepływać przez te kanały praktycznie bez przeszkód.

Kluczowe cechy:

Niższa gęstość rur (mniej rur przy tej samej średnicy płaszcza)

Turbulencja przy zmniejszonym przepływie

niższy spadek ciśnienia po stronie płaszcza

Niższy współczynnik przenikania ciepła (przy podobnym masowym natężeniu przepływu)

Ścieżki do czyszczenia mechanicznego z bezpośrednim dostępem

Wpływ płaszcza-Przepływ boczny i przenoszenie ciepła
Trójkątne nachylenie podziałki niszczy laminarne warstwy graniczne i powoduje ciągłe mieszanie śladu. Płyn nie przepływa gładkimi strumieniami, ale zderza się, rozdziela i ponownie łączy z rurkami. Taki chaotyczny ruch zwiększa przenoszenie ciepła poprzez konwekcję na powierzchniach rur. Przy danym natężeniu przepływu po stronie płaszcza współczynnik przenikania ciepła wiązki-trójkątnej może być o 20–30% wyższy niż wiązki-o równych kwadratach.

Minusem jest spadek ciśnienia. Turbulencje zwiększające transmisję ciepła również wykorzystują energię pompowania. Jednakże w wielu zastosowaniach wymienników PTFE, gdzie płynami-po stronie płaszcza są zwykle woda, para lub czyste media chłodzące, dopuszczalny jest niewielki wzrost utraty ciśnienia.

Układ liniowy utrzymuje czyste pasy przepływu w układzie kwadratowym. Płyn po stronie płaszcza również przyspiesza w wąskich szczelinach między rurkami, ale przepływ jest bardziej laminarny lub przejściowy z mniejszym-mieszaniem krzyżowym. W rezultacie współczynnik przenikania ciepła ulega obniżeniu. Przy takim samym obciążeniu cieplnym wiązka-o podziałce kwadratowej może wymagać większej średnicy płaszcza lub dłuższej rury.

Porównanie gęstości rur
Przy podziałce trójkątnej można mieć około 15% więcej rur przy tej samej średnicy płaszcza, co przy podziałce kwadratowej. Jest to konsekwencja efektywności pakowania. W przypadku wymienników PTFE ścianki rur są często dość grube i mają niską przewodność cieplną (w porównaniu z rurami metalowymi), dlatego często pożądana jest maksymalizacja liczby rur, aby skompensować nieodłączny opór cieplny PTFE. Trójkątny układ zwiększa powierzchnię wymiany ciepła bez zwiększania rozmiaru skorupy.

Dostęp do czyszczenia mechanicznego – poważny problem długoterminowy
Najważniejszym czynnikiem długoterminowym jest dostęp do czyszczenia. Zdolność do usuwania osadów zanieczyszczeń ze strony płaszcza wymiennika zadecyduje o tym, czy urządzenie będzie mogło zostać przywrócone do poprzedniej wydajności po miesiącach lub latach użytkowania.

W rozstawie trójkątnym naprzemienna geometria nie pozwala na bezpośrednie, niezakłócone linie widzenia w całej wiązce. Mechaniczne narzędzia czyszczące, takie jak lance wirujące, strumienice wody pod wysokim ciśnieniem lub szczotki druciane, nie mogą być wprowadzane pomiędzy rurami. W przypadku pakietu-o podziałce trójkątnej jedyną metodą czyszczenia jest czyszczenie chemiczne (krążące kwasy, rozpuszczalniki lub detergenty). Czyszczenie chemiczne jest skuteczne w usuwaniu wielu rodzajów zanieczyszczeń (kamień, osady organiczne, lekki osad), ale twarde, trwałe osady lub takie, które nie rozpuszczają się w bezpiecznych środkach chemicznych, mogą być mniej skuteczne.

Kwadratowy podział zapewnia łatwy dostęp dzięki prostym korytarzom pomiędzy rzędami rur. Mechaniczną lancę czyszczącą można przeprowadzić przez stronę płaszcza, zwykle od odłączanego końca kanału, w celu oczyszczenia lub oczyszczenia rur z osadów. Podziałka kwadratowa jest wyborem domyślnym, gdy wiadomo, że płyn-po stronie płaszcza silnie zanieczyszcza-na przykład nieczysta woda chłodząca, strumienie procesowe polimeryzacji lub płyny zawierające zawieszone cząstki, które zapiekają się na powierzchniach.

Zastosowanie w-wymiennikach ciepła z PTFE
Do zastosowań korozyjnych po stronie rur (ciecz wewnątrz rur) najczęściej wybierane są wymienniki ciepła z PTFE. Rury PTFE są odporne na uszkodzenia przez silne kwasy, zasady i rozpuszczalniki organiczne. W wielu zakładach strona płaszcza transportuje czysty płyn użytkowy, taki jak woda chłodząca, para wodna lub olej grzewczy. Zanieczyszczenie jest niewielkie, ponieważ płyny-po stronie płaszcza są ogólnie czyste. W rezultacie w wymiennikach PTFE dominuje podziałka trójkątna. Bezpośrednio poprawia wydajność dzięki wyższemu współczynnikowi przenikania ciepła i zwiększonej gęstości rury bez konieczności czyszczenia.

Jednakże pojawia się inny problem, gdy żrący lub zanieczyszczający płyn musi znajdować się po stronie płaszcza. Dzieje się tak w niektórych procesach -- np. gdy strona płaszcza musi zostać otwarta w celu kontroli lub gdy strona rury jest zarezerwowana dla czystego płynu w celu zmniejszenia spadku ciśnienia. Jeśli płyn po stronie powłoki zanieczyszcza, zdecydowanie preferowana jest podziałka kwadratowa. Utrata właściwości cieplnych jest kompensowana przez zdolność mechanicznego czyszczenia zewnętrznej strony rurek PTFE podczas corocznych przerw konserwacyjnych.

Kompromis w pigułce
Funkcja trójkątnego nachyleniaPitch Square
Gęstość rur Wyższa (~15% więcej rur) W dół.
Turbulencja po stronie płaszczaWysoka (przepływ naprzemienny)Niska do umiarkowanej (równoległe pasy)
Współczynnik przenikania ciepłaWyższy Niższy
Spadek ciśnienia po stronie płaszczaWyższy Niższy
Dostęp do czyszczenia mechanicznego. Brak (tylko czyszczenie chemiczne) Dobry (bezpośrednie pasy dostępu)
Typowe zastosowanie wymienników ciepła PTFECzysty płyn (woda, para wodna, olej) po stronie płaszcza Zanieczyszczenie płynu-po stronie płaszcza
W rzeczywistości wybór między podziałką trójkątną a kwadratową w przypadku trójkątnego kwadratowego układu rur wymiennika PTFE rzadko jest kwestią czystej supremacji. Jest to kompromis między wydajnością a łatwością konserwacji. Trójkątny kształt zapewnia bardziej zwarty i skuteczny wymiennik do pracy-po stronie czystej płaszcza. Kwadratowy wzór pogarsza nieco wydajność cieplną, aby zyskać możliwość przywrócenia wydajności za pomocą lancy lub szczotki do usuwania zanieczyszczeń.

Wpływ układu na koszt cyklu życia wymienników PTFE
Oprócz bezpośrednich problemów termicznych i hydraulicznych, układ rur wpływa na całkowity koszt posiadania. Wymiennik o przekroju trójkątnym-może wiązać się z niższym kosztem początkowym (mniejszy płaszcz przy tej samej powierzchni) i niższą energią eksploatacyjną (lepsza wydajność wymiany ciepła), ale jeśli strona płaszcza zabrudzi się, a czyszczenie chemiczne nie przywróci wydajności, może zaistnieć konieczność przedwczesnej wymiany urządzenia. Z drugiej strony wymiennik-o podziałce kwadratowej może mieć większy płaszcz i wyższy koszt początkowy, ale można go wielokrotnie czyścić mechanicznie, przedłużając w ten sposób żywotność do nieskończoności.