Jakie są względne zalety jedno-jednoprzebiegowych i wieloprzebiegowych-wymienników ciepła z PTFE?

W wymienniku-i{{1}rurowym) z płaszczem PTFE, płyn-po stronie rury może przejść od wlotu do wylotu raz lub może zostać-przepuszczony przez wiązkę kilka razy. Liczba przejść określa prędkość płynu, wydajność wymiany ciepła i wymaganą moc pompowania. Często skupia się na maksymalizacji współczynnika przenikania ciepła-od strony rury, ponieważ PTFE ma z natury niską przewodność cieplną (około 0,25 W/m·K). Jednak wybór projektu z jednym-przebiegiem lub wieloma-przebiegami nie jest trywialny,-jest to świadomy kompromis-pomiędzy wzrostem przenikania ciepła a spadkiem ciśnienia.

Wyjaśnienie ustaleń dotyczących przepustek na metro
Liczba przejść rur to liczba przepływów płynu przechodzącego przez rury na całej długości wymiennika. Przepusty powstają poprzez umieszczenie przegród (przegród przepustowych) w kanale lub pokrywie na jednym lub obu końcach wymiennika. Te rozdzielacze umożliwiają przepływ płynu tylko przez niektóre rurki, zanim zawrócą i przepłyną do drugiego zestawu rur.

Konstrukcja jednoprzebiegowa-
W wymienniku jedno-(1-przebiegowym) płyn po stronie rury wpływa do kanału jednym końcem, przepływa bezpośrednio przez wszystkie rury równolegle i wychodzi na drugim końcu. Nie ma ścian wewnętrznych. Jest to najprostszy projekt przepływu.

Projekt-wieloprzebiegowy (2-przebiegowy, 4-przebiegowy itp.)
W układzie wieloprzejściowym-płyn przechodzi przez wiązkę rurek kilka razy. Na przykład w przypadku wymiennika 2-przepustowego kanał dopływowy jest podzielony na dwie części. Płyn jest wprowadzany do jednej części, przechodzi przez połowę rurek do drugiego końca, zmienia kierunek w pokrywie powrotnej, przechodzi z powrotem przez pozostałe rurki i opuszcza drugą część kanału po stronie wlotowej. W wymienniku 4-ciągowym operację tę powtarza się dwukrotnie.

Liczba przejść jest zawsze parzysta, tak aby króćce wlotowa i wylotowa znajdowały się na tym samym końcu wymiennika, co ułatwia podłączenie rur.

Główne różnice w zachowaniu termicznym-hydraulicznym
Na wybór jedno- lub wieloprzebiegowego wymiennika ciepła z PTFE wpływa wpływ na prędkość płynu, współczynnik przenikania ciepła, spadek ciśnienia i logarytmiczną różnicę temperatur (LMTD).

Współczynnik przenikania ciepła i prędkość płynu
Prędkość płynu w każdej rurze jest funkcją liczby rur używanych w każdym przejściu dla określonego całkowitego natężenia przepływu po stronie rury. W przypadku pojedynczego przejścia wszystkie lampy są aktywne jednocześnie. Dostępny obszar przepływu jest sumą obszarów przepływu wszystkich rur. Dlatego prędkość jest raczej mała, chyba że całkowite natężenie przepływu jest duże.

W konstrukcji wieloprzebiegowej-ten sam całkowity przepływ jest przepuszczany przez każdy przebieg przy użyciu tylko części rurek. W wymienniku dwu-przebiegowym z dwiema identycznymi grupami rurek każdy przebieg zawiera połowę wszystkich rur. Prędkość w każdej rurze jest podwojona w porównaniu ze scenariuszem pojedynczego przejścia (dla tego samego całkowitego natężenia przepływu). Prędkość jest czterokrotnie większa w konfiguracji 4-przebiegowej.

Współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła wzrasta wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa po stronie rury na skutek wzrostu prędkości. Przeszkodą ograniczającą przenoszenie ciepła jest często warstwa płynu-po stronie rury (niezależnie od tego, czy płyn po stronie-powłoki jest skraplającą się parą, czy cieczą-o wysokiej przewodności). Ponieważ rury PTFE mają już słabą przewodność cieplną, zwiększenie prędkości bocznej rury może znacznie poprawić ogólny współczynnik przenikania ciepła.

Skutki spadku ciśnienia
Wyższe koszty prędkości: Spadek ciśnienia rośnie wraz z kwadratem prędkości (w przybliżeniu). W przypadku konstrukcji z 2-przebiegami spadek ciśnienia po stronie rury jest około 4 razy większy niż w przypadku konstrukcji z jednym przebiegiem (dwukrotnie prędkość + dodatkowe straty w pokrywie powrotnej). W przypadku konstrukcji 4-przejściowej spadek ciśnienia może być 16 razy większy, plus duże straty w komorach nawrotnych.

W praktyce liczba przejść jest na ogół ograniczona dostępną mocą pompowania lub dopuszczalną stratą ciśnienia w linii technologicznej. Typowy układ wymienników ciepła PTFE to 2-przejścia lub 4-przejścia. Jeśli płyn po stronie rury jest cieczą o umiarkowanej lepkości, a pompa ma wystarczającą wysokość podnoszenia, preferowane są konstrukcje jednoprzebiegowe z płynem po stronie rury gazowej (gdzie spadek ciśnienia staje się ważniejszy) lub przy już dużym przepływie.

Korekta logarytmicznej średniej różnicy temperatur (LMTD)
Jedną z głównych różnic jest to, że systemy wieloprzebiegowe-nie charakteryzują się wyłącznie przepływem przeciwprądowym, co zmniejsza efektywną siłę napędową temperatury. LMTD jest najwyższa w wymienniku jednoprzebiegowym z układem przeciwprądowym (płyn po stronie rury w kierunku przeciwnym do kierunku płynu po stronie płaszcza). W wymienniku wieloprzepływowym-przepływ jest zbliżony do przepływu mieszanego lub krzyżowego, a do przeciwprądowego LMTD stosowany jest współczynnik korekcyjny (czasami nazywany F).

W przypadku wymiennika 2-przebiegowego współczynnik korekcji LMTD zwykle mieści się w zakresie od 0,95 do 0,99 w większości sytuacji roboczych - co jest niewielkim zmniejszeniem. Dla wymienników 4-ciągowych współczynnik może wynosić zaledwie 0,90-0,95. W przypadku zastosowań krzyżowych w wysokich temperaturach (gdzie temperatury wlotu i wylotu są bardzo zbliżone) współczynnik korekcji może być znacznie niższy niż 1, ponieważ korzyści wynikające z wyższej prędkości mogą zostać zanegowane. Zatem konstrukcje wieloprzebiegowe są najskuteczniejsze w przypadku niewielkich zmian temperatury po stronie rury.

Znaczenie wymiennika ciepła PTFE
Ponieważ PTFE ma niską przewodność cieplną, opór-powłoki bocznej rury jest często dominujący w całkowitym przenikaniu ciepła. Dlatego jednym z ważnych celów projektowych jest poprawa współczynnika-po stronie rury. Konstrukcje wieloprzepływowe umożliwiają to bez konieczności stosowania większego całkowitego natężenia przepływu z pompy instalacji, co czyni je pożądanymi w przypadku modernizacji lub tam, gdzie natężenie przepływu jest stałe.

Jednakże rurki PTFE są miękkie mechanicznie i mogą wibrować przy dużych prędkościach przepływu. Nadmierna prędkość może powodować trzepotanie rury i powodować ciernie na przegrodach lub uszkodzeniu blachy rurowej. W przypadku rurek PTFE typowe sugerowane prędkości boczne rurki wynoszą od 0,5 do 2,0 m/s (1,6 do 6,6 stopy/s). Konstrukcja wieloprzebiegowa-zwiększająca prędkość z 0,5 m/s do 1,0 m/s jest dobra, ale zwiększenie jej do 3,0 m/s może powodować problemy mechaniczne. Ilość przejść należy dobrać tak, aby utrzymać prędkość w zakresie określonym przez producenta.

Ponadto korzyści w zakresie wymiany ciepła należy zrównoważyć z kosztami pompowania. Pompa procesowa jest już dostępna do cyrkulacji zbiornika. Spadek ciśnienia w wielo-przepływowym wymienniku PTFE może być akceptowalny w wielu procesach wykańczania powierzchni. Alternatywnie, konstrukcja jednoprzebiegowa z większym płaszczem (więcej rur równolegle) może spełniać tę samą funkcję przy niższym spadku ciśnienia, ale wyższych kosztach inwestycyjnych.

Tabela porównawcza: jedno-przebiegowe i wieloprzebiegowe-wymienniki ciepła PTFE
Poniższa tabela przedstawia typowe statystyki wydajności dla stałego całkowitego natężenia przepływu-po stronie rury i stałej powierzchni wymiany ciepła. Wartości są reprezentatywne; Rzeczywista wydajność będzie zależeć od szczegółów dotyczących rozmiaru i właściwości płynu.

Liczba przejść rury Względna prędkość rury* Względna rura-Współczynnik przenikania ciepła po stronie** Względny spadek ciśnienia (po stronie rury) Zakres współczynnika korekcji LMTD Typowe zastosowania
1 (pojedynczy-przebieg) 1,0 (wartość bazowa) 1,0 (linia bazowa) 1,0 (linia bazowa) 1,00 (możliwy czysty przepływ przeciwprądowy) Ciecze o dużym natężeniu przepływu; gazy; systemy o niskim spadku ciśnienia
2 (dwa-przejścia) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Dobra równowaga Najczęściej spotykane w przypadku wymienników cieczy z PTFE
4 (cztery-przejścia) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Wymagane są ciecze o wysokiej lepkości lub wyjątkowo wysoki współczynnik U-; sprawdź koszt pompowania
6 lub 8 Przechodzi 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Rzadko; tylko w przypadku płynów o niskiej lepkości i wysokiej dopuszczalnej prędkości ΔP w porównaniu z projektem jednoprzebiegowym z tą samą liczbą rurek i natężeniem przepływu. Oszacowano dla przepływu turbulentnego lub przejściowego. Rzeczywista poprawa zależy od wykładnika liczby Reynoldsa (zwykle h ~ v^0,8 dla przepływu turbulentnego).

Praktyczne uwagi dotyczące wykańczania powierzchni
W wielu zastosowaniach związanych z wykańczaniem powierzchni (powlekanie, anodowanie, trawienie) płynem po stronie rury jest często sama kąpiel procesowa, roztwór kwasowy lub zasadowy zawierający zawieszone cząstki lub rozpuszczone metale. Obowiązują następujące praktyczne wytyczne:

Cyrkulacja kąpieli o dużym natężeniu przepływu do mieszania lub filtracji w zbiorniku często wiąże się z projektami jednoprzebiegowymi. W takich okolicznościach prędkość może być już wystarczająca i więcej przejść spowodowałoby jedynie zwiększenie spadku ciśnienia bez odpowiedniego wzrostu wymiany ciepła.

Konstrukcja dwuprzebiegowa jest najczęściej stosowaną konstrukcją wymiennika ciepła PTFE w liniach galwanicznych o niewielkich rozmiarach. Przenikanie ciepła jest znacznie zwiększone, podczas gdy spadek ciśnienia utrzymuje się w granicach typowych dla zwykłych pomp odśrodkowych (zwykle strata 1–3 bar).

Konstrukcje czteroprzebiegowe są stosowane, gdy dostępna powierzchnia wymiany ciepła jest ograniczona (na przykład modernizowany wymiennik, który musi zmieścić się w istniejącej przestrzeni), a pompa ma zapasową głowicę. Wykorzystuje się je również do podgrzewania lepkich płynów takich jak stężony kwas fosforowy czy innych kąpieli procesowych chemicznych.

Wspomina się również, że na optymalną liczbę przejść rur wpływa układ-boku płaszcza. Jeżeli płynem-po stronie płaszcza jest kondensacja pary (która ma bardzo wysoki współczynnik przenikania ciepła), dominuje opór-po stronie rury, a konstrukcje wieloprzejściowe są bardzo korzystne. Jeśli płynem po stronie płaszcza jest woda chłodząca o niskim współczynniku, wówczas ulepszenie jedynie strony rury może nie dać znaczących ogólnych korzyści.

Przykład projektu: ile przejść do wyboru
Rozważmy wymiennik ciepła PTFE podgrzewający kąpiel niklową od 55°C do 60°C przy użyciu pary po stronie płaszcza. Wymagane obciążenie cieplne wynosi 100 kW. Pompa obiegowa może przetłaczać przez wymiennik płyn do kąpieli w ilości 30 m3/h. Wstępny projekt jednoprzebiegowy z 200 rurami o średnicy wewnętrznej 6 mm daje prędkość boczną rury 0,5 m/s, spadek ciśnienia 0,3 bara i obliczony całkowity współczynnik przenikania ciepła (U) 200 W/m2.K. Wymagana powierzchnia wynosi 12 m².

Konstrukcja 2-przejściowa (100 probówek/przejście) podwaja prędkość do 1,0 m/s. Współczynnik po stronie lampy wzrasta o prawie 40%, dając U na poziomie 260 W/m2K. wymaganą powierzchnię zmniejsza się do 9,2 m2 (mniejszy, tańszy wymiennik). Strata ciśnienia wzrasta do około 1,2 bara, co nadal mieści się w zakresie wydajności pompy. Konstrukcja 2-przebiegowa jest z pewnością lepsza.

Dla konfiguracji 4-przejściowej (50 rur w każdym przejściu) prędkość wynosi 2,0 m/s, a U wzrasta do około 300 W/m2.K. Wymagana powierzchnia 8 m2 Jednakże spadek ciśnienia wynosi około 5 barów, co może być większe niż wysokość podnoszenia pompy lub prowadzić do dużego zużycia energii. Współczynnik dostosowania dla LMTD wynosi 0,93, co nieco zmniejsza rzeczywistą siłę napędową. W tym scenariuszu idealnym kompromisem jest konstrukcja 2-przebiegowa.

Ostatnie słowa