Jak wybrać prawidłową liczbę przegród dla wymiennika PTFE z niskim płaszczem-przepływem bocznym?

Strumień gorącego, żrącego produktu można schłodzić jedynie niewielką strużką wody chłodzącej. W typowym wymienniku płaszczowo-rurowym ten przepływ boczny o niskim płaszczu unosiłby się leniwie po szeroko rozstawionych przegrodach, powodując strefy zastoju i słabe przenoszenie ciepła. Dlatego konstrukcja przegrody musi być precyzyjnie dostosowana, aby uzyskać każdą dostępną jednostkę obciążenia cieplnego z tego ograniczonego przepływu.

Problemem inżynieryjnym związanym z konstrukcją wymiennika PTFE o niskim przepływie z wieloma przegrodami jest w szczególności precyzyjna równowaga pomiędzy spadkiem ciśnienia a przenikaniem ciepła. Zbyt wiele przegród może spowodować zablokowanie przepływu i przeciążenie małej pompy obiegowej. Zbyt mała liczba może sprawić, że wymiennik będzie cichy hydraulicznie, ale nieefektywny termicznie.

Dlaczego przegrody są ważne w wymiennikach ciepła PTFE
Przegrody spełniają wiele ważnych zadań wewnątrz wymiennika płaszczowo-rurowego:

Kierowanie przepływu nad wiązką rurek po stronie płaszcza

Zwiększona turbulencja i przenoszenie ciepła

Elastyczny wspornik rurek PTFE

Redukcja obszarów martwego przepływu

Unikanie wibracji rury

W wymiennikach PTFE konstrukcja przegród jest znacznie ważniejsza, ponieważ rury PTFE są mechanicznie elastyczne w przeciwieństwie do rur metalowych. Właściwy rozstaw podpór pomaga zachować geometrię wiązki i kontrolować przepływ płynu.

W warunkach niskiego przepływu wydajność wymiennika jest dość wrażliwa na rozstaw i układ przegród.

Tradycyjny kompromis w zakresie przegród segmentowych
Większość tradycyjnych wymienników płaszczowo-rurowych wykorzystuje przegrody segmentowe. Te pocięte płyty, częściowo, powodują, że płyn po stronie płaszcza często przemieszcza się zygzakowato przez wiązkę rur.

Taka konstrukcja zapewnia wysoką-prędkość przepływu poprzecznego i zwiększa turbulencje.

Przegrody rozmieszczone blisko siebie
W przypadku ustawienia wielu przegród w małych odstępach:

Zwiększenie prędkości bocznej pocisku

Wzrasta współczynnik przenikania ciepła

Ulepszenia wydajności cieplnej

Może poprawić odporność na zabrudzenie

Płyn jest przyspieszany i wielokrotnie obracany w wiązce, powodując bardziej energiczne mieszanie wokół rur.

Ale to ma swoją cenę.

Spadek ciśnienia szybko rośnie
Po stronie płaszcza zastosowanie blisko rozmieszczonych przegród skutkuje zwiększonym oporem hydraulicznym przy niskich całkowitych natężeniach przepływu.

Wynik może zawierać:

Wysoki spadek ciśnienia.

Mniejszy ogólny nakład

Przeciążenie pompy

Głód przepływu

Niestabilne operacje

W trudnych okolicznościach dostarczona głowica pompy może w ogóle nie wystarczyć do utrzymania znaczącej cyrkulacji po stronie płaszcza.

Problem z niewystarczającą liczbą przegród
Mniej przegród powoduje mniejszy opór i płyn łatwiej przepływa przez skorupę.

Ta metoda zmniejsza:

Utrata ciśnienia

Wymagania dotyczące pompowania

Ograniczenie przepływu

Niestety, wydajność cieplna zwykle pogarsza się w tym samym czasie.

Przepływ laminarny z małą prędkością
Jeśli przegrody są szeroko rozłożone, prędkość po stronie płaszcza może być bardzo mała. W takim przypadku przepływ może mieć przeważnie charakter laminarny, a nie turbulentny w-przepływie krzyżowym.

Teraz dzieje się tak:

Niskie współczynniki przenikania ciepła

Stratyzacja termiczna

Martwe obszary

Osiadanie ciał stałych

Nagromadzenie się-zanieczyszczeń

Zamiast tego płyn może powoli wędrować przez otwarte obszary z niewielkim mieszaniem, zamiast być skutecznie przetaczany przez wiązkę.

Te strefy stacjonarne mogą być szczególnie kłopotliwe w instalacjach powodujących korozję lub zawierających-ciała stałe.

Dlaczego z wymiennikami PTFE-o niskim przepływie należy postępować inaczej
Ponieważ rurki PTFE są elastyczne, układ przegród można dostosować w większym stopniu niż w przypadku wiązek rurek z twardego metalu.

Wiązki PTFE można montować poprzez:

Geometria CustomSpacer

Regulowany rozstaw przegród

Niestandardowe-kontrakty wsparcia

Spirala ścieżek przepływu

Ta wszechstronność sprawia, że ​​różne koncepcje przegród są bardzo interesujące w zastosowaniach o niskim przepływie.

Przegrody spiralne – współczesne rozwiązanie
Konstrukcja przegrody spiralnej stanowi nową alternatywę dla typowych przegród segmentowych.

Zamiast wymuszać przepływ płynu za pomocą ostrych, zygzakowatych-wzorców przepływu, spiralne przegrody kierują strumień boczny płaszcza-po ciągłej spiralnej ścieżce przez wymiennik.

Spiralne przegrody przyjmują słaby, wijący się strumień i zamieniają go w przyjemną, skoncentrowaną spiralę.

Jak przepływ spiralny zwiększa wydajność
Ten ruch spiralny ma wiele głównych zalet:

Bardziej stała prędkość po stronie powłoki

Mniej statycznych obszarów

Łatwiejszy przepływ hydrauliczny

Mniejsze straty ciśnienia

Lepsza dystrybucja ciepła

Płyn przepływa wzdłuż wiązki w sposób ciągły-przepływem-podobnym do przepływu tłokowego, bez przyspieszania i zwalniania.

Skutkuje to bardziej efektywnym wykorzystaniem ograniczonej energii przepływu.

Kąt pochylenia linii śrubowej i dlaczego jest to ważne
Wydajność spiralnego wymiennika z przegrodami jest dość wrażliwa na kąt pochylenia linii śrubowej.

Typowe kąty linii śrubowej są następujące:

15 stopni

25 stopni

35 stopni

Aż 45 stopni

Zredukowane kąty pochylenia linii śrubowej
Spirala-o długim skoku i mniejszym kącie wytwarza:

Płynniejsze prowadzenie przepływu

Zmniejszony spadek ciśnienia

Dłuższe ścieżki przepływu

Umiarkowany krzyż prędkości przepływu

Układ ten jest ogólnie preferowany w przypadku wymienników PTFE o niskim przepływie.

Większe kąty helisy
Wyższe kąty śrubowe (bardziej strome):

Intensywność przepływu krzyżowego

Lokalne turbulencje.

Współczynnik przenikania ciepła

Ale spadek ciśnienia również wzrasta proporcjonalnie.

Dlatego optymalny kąt jest kompromisem pomiędzy obciążeniem cieplnym a dostępną wydajnością pompowania.

Porównanie konstrukcji przegród segmentowych i śrubowych
Różnice w funkcjonowaniu są bardziej widoczne, gdy oba podejścia zostaną bezpośrednio porównane.

Cecha Przegrody segmentowe Przegrody, spiralne
Wzór przepływu Przepływ-krzyżowy zygzakSpiralny, ciągły
Spadek ciśnienia Większy Mniejszy
Zmniejszona liczba martwych stref
Niski przepływ Lepszy Często Słaby
Tendencja do zarastania Umiarkowana do wysokiej Niska
Nierówny rozkład prędkości Bardziej równy
Układ spiralny stanowi lepszy kompromis pomiędzy wydajnością hydrauliczną i termiczną pod względem stabilności w przypadku wielu instalacji o niskim przepływie.

Zagadnienia projektowe – praktyczne
wiele przegród Konfiguracja wymiennika PTFE o niskim przepływie Istnieje wiele czynników branych pod uwagę przy określaniu.

Sprzedam głowicę pompy
Największy dopuszczalny opór przegrody jest ograniczony przez możliwości ciśnienia po stronie płaszcza układu cyrkulacyjnego.

Potencjał zanieczyszczania
W przypadku płynów zawierających ciała stałe lub krystalizujących pożądane są konstrukcje minimalizujące strefy stacjonarne.

Specyfikacje obciążenia cieplnego
Wyższe wymagane szybkości wymiany ciepła mogą wymagać ściślejszego prowadzenia przepływu.

Uchwyt rurki PTFE
Jednakże rurki PTFE są elastyczne, a odstęp między wspornikami musi być nadal wystarczająco duży, aby zapobiec nadmiernym ugięciom lub wibracjom.

Dostęp w celu konserwacji
Mniej skomplikowane, bardziej otwarte konfiguracje przegród mogłyby zapewnić lepszy dostęp podczas czyszczenia w zastosowaniach-podatnych na zabrudzenie.

Kiedy standardowe projekty nie działają
Standardowe układy płaszczowo-rurowe są zazwyczaj projektowane dla średnich i wysokich natężeń przepływu-po stronie płaszcza. Te podobne geometrie mogą źle działać w warunkach słabego krążenia.

Typowe objawy awarii to:

Niewystarczająca wydajność chłodzenia

Wysokie temperatury na wylocie

Redukcja nadciśnienia

Solidny depozyt

Niejednorodność rozkładu przepływu

Zaleta zoptymalizowanego zarządzania przepływem wewnętrznym jest znacznie większa w systemach PTFE-o niskim przepływie.

Streszczenie
W przypadku zastosowań z niskim przepływem bocznym w płaszczu, właściwy dobór przegród staje się jednym z najważniejszych aspektów określania wydajności wymiennika PTFE. Konwencjonalne przegrody segmentowe stanowią trudny kompromis: ciasno rozmieszczone przegrody zapewniają dobry transfer ciepła, ale znaczną utratę ciśnienia, podczas gdy szeroko rozstawione przegrody minimalizują opór, ale umożliwiają słabe, słabo wymieszane wzorce przepływu.

Bardziej zrównoważoną opcją są konstrukcje z przegrodami śrubowymi, które prowadzą płyn-po stronie płaszcza po delikatnej spiralnej ścieżce, która utrzymuje prędkość, ale zmniejsza straty hydrauliczne i strefy stagnacji. W wielu zastosowaniach o niskim-przepływie układ spiralny-o długim skoku zapewnia lepszą ogólną wydajność w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami segmentowymi.

Elastyczność rozstawu podpór i geometrii wewnętrznej wiązek rurek PTFE umożliwia dostosowanie tych wymienników do trudnych zastosowań przy niskim przepływie, gdzie zawodzą tradycyjne konstrukcje.

W projektowaniu systemów cieplnych najbardziej wydajną opcją nie zawsze jest ta, która najmocniej tłoczy płyn. Czasami najlepszym rozwiązaniem jest delikatne i ciągłe popychanie przepływu w kierunku, w którym chce płynąć.