Jak zaprojektować wymiennik ciepła z PTFE dla bardzo małych-przepływów bocznych w rurze?

W niektórych operacjach dostarczany jest tylko niewielki przepływ żrącego płynu wymagającego ogrzewania lub chłodzenia. W typowym wymienniku ciepła z PTFE ten niski przepływ powoduje słabą prędkość po stronie rury, przepływ laminarny i fatalną wymianę ciepła. Strumień musi być specjalnie zbudowany, aby sobie z tym poradzić.” Podstawowym problemem przy konstrukcji wymiennika ciepła PTFE o niskim przepływie po stronie rury jest nie tylko obciążenie cieplne, ale także zapewnienie wystarczającej prędkości, aby utrzymać dobrą wydajność cieplną.

Podstawowy problem: przepływ laminarny przy niskiej przepustowości
W warunkach przepływu laminarnego przenoszenie ciepła wewnątrz rur staje się nieefektywne. W tym trybie płyn przemieszcza się w laminarnych, uwarstwionych strumieniach z niewielkim mieszaniem wewnętrznym. Ciepło musi przepływać głównie poprzez przewodzenie przez te warstwy, co jest powolne i nieefektywne.

Podstawowym celem projektu jest skierowanie przepływu w kierunku zachowania przejściowego lub turbulentnego. Zwykle wymaga to utrzymywania minimalnej prędkości, często powyżej około 1 m/s, w zależności od parametrów płynu. Prędkość ta jest trudna do osiągnięcia przy niskim całkowitym przepływie, chyba że obszar przepływu jest sztucznie ograniczony.

Z tego powodu geometria-boku rury jest główną dźwignią projektu.

Zwiększenie prędkości poprzez zmniejszenie obszaru przepływu
Bezpośrednie rozwiązanie rur o mniejszej średnicy
Jednym z najlepszych sposobów na osiągnięcie tego jest zmniejszenie średnicy wewnętrznej rury. Dla danego objętościowego natężenia przepływu zmniejszenie powierzchni przepływu bezpośrednio zwiększa prędkość. Efektywna prędkość ulega podwojeniu, gdy powierzchnia przepływu zostaje zmniejszona o połowę.

Na rynku dostępne są standardowe rurki PTFE o średnicach wewnętrznych 4, 6, 8 i 10 mm. W przypadku bardzo małych natężeń przepływu wybór mniejszej średnicy (na przykład 4 mm zamiast 8 mm) może znacznie poprawić wydajność cieplną poprzez zwiększenie prędkości bocznej rury.

Technika ta bezpośrednio pomaga w projektowaniu wymienników ciepła PTFE o niskim przepływie bocznym, gdy ograniczenia hydrauliczne wpływają na wydajność.

Ale małe rurki mają swoje własne problemy. Trudniejsza produkcja. Strata ciśnienia wzrasta dramatycznie. Zwiększone jest ryzyko zanieczyszczenia lub zablokowania, zwłaszcza w przypadku płynów zawierających cząstki lub osady.

Konfiguracja wieloprzebiegowa-w celu przyspieszenia
Wymuszanie przepływu przez mniej aktywne rurki
Alternatywnym lub uzupełniającym podejściem są konfiguracje-rur wieloprzepustowych-po bokach. W wymienniku 2- lub 4-przebiegowym cały przepływ jest kierowany stopniowo przez podzbiory wiązki rur, a nie rozprowadzany jednocześnie po wszystkich rurach.

To skutecznie minimalizuje aktywny obszar przepływu przy każdym przejściu i zwiększa prędkość w każdym segmencie. Całkowita wydajność wymiennika pozostaje niezmieniona, ale wydajność cieplna ulega poprawie poprzez poprawę koncentracji przepływu wewnętrznego.

W konfiguracji z wieloma-przepływami często stosuje się podzielone kolektory w celu przekierowania przepływu w każdym przejściu, tak aby płyn przepływał przez bardziej ograniczony kanał przed opuszczeniem wymiennika.

Niskie-wymiany-projektowania przepływu
Prędkość, spadek ciśnienia i ryzyko zabrudzeń-Wymiany
Każde podejście do projektowania ma swoje własne kompromisy, które należy odpowiednio rozważyć.

Rury o mniejszych średnicach zwiększają spadek ciśnienia i są bardziej podatne na zabrudzenie lub zablokowanie. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku systemów PTFE obsługujących ciecze chemicznie ostre lub zawierające-cząsteczki.

Systemy wieloprzebiegowe-zwiększają opór hydrauliczny w kolektorach, a także mogą zmniejszać efektywność cieplną w określonych warunkach temperaturowych. Zwiększona złożoność dystrybucji przepływu może również skutkować nierównomiernym obciążeniem rur, jeśli nie są odpowiednio zrównoważone.

Jednym z ważnych wskaźników, które należy wziąć pod uwagę, jest liczba Reynoldsa. Liczba Reynoldsa stanowi praktyczną wskazówkę, czy przepływ jest nadal laminarny, czy też zmierza w stronę bardziej efektywnych reżimów mieszania.

Projektowanie warunków niskiego przepływu. Praktyczne wskazówki
W praktyce przy podejmowaniu decyzji projektowych przy bardzo niskich natężeniach przepływu-po stronie rury powszechnie stosuje się proste progi. Dla natężenia przepływu < około 500 L/h zwykle bierze się pod uwagę:

Mniejsze średnice rur, aby skupić przepływ i zwiększyć prędkość

Konfiguracje wielo-przebiegowe zmniejszające efektywny obszar przepływu na przejście

Techniki mieszane obejmujące obie taktyki w celu uzyskania zrównoważonej wydajności

Ostateczny wybór zależy od dopuszczalnego spadku ciśnienia, ryzyka zabrudzeń i ograniczeń produkcyjnych związanych z systemami rurek PTFE.

Wnioski: Prędkość, nadrzędna zmienna projektowa