Aké sú relatívne výhody jednopriechodových a viacpriechodových PTFE výmenníkov tepla?

Vo výmenníku plášťa z PTFE-a{1}}rúrky môže kvapalina na strane-rúry prejsť zo vstupu na výstup raz alebo môže byť recirkulovaná cez zväzok niekoľkokrát. Počet prechodov určuje rýchlosť tekutiny, účinnosť prenosu tepla a potrebný čerpací výkon. Často sa kladie dôraz na maximalizáciu súčiniteľa prestupu tepla-na strane trubice, pretože PTFE má skutočne nízku tepelnú vodivosť (približne 0,25 W/m·K). Výber dizajnu s jedným-alebo viac{10}priechodom však nie je triviálny{11}}je to vedomý kompromis- medzi zvýšením prenosu tepla a penalizáciou poklesu tlaku.

Vysvetlenie usporiadania priechodu tubusom
Počet prechodov rúr je počet, koľkokrát tekutina prechádzajúca rúrkami pretečie po dĺžke výmenníka. Priechody sa vyrábajú umiestnením prepážok (priechodových priečok) do kanála alebo krytu na jednom alebo oboch koncoch výmenníka. Tieto rozdeľovače umožňujú tekutine pretekať len cez niektoré rúrky, predtým ako sa obrátia a prúdia do druhej sady rúrok.

Jedno{0}}prejazdová konštrukcia
V jednom-prechodovom (1-prechodovom) výmenníku tekutina na strane rúrky vstupuje do kanála na jednom konci, prechádza priamo cez všetky rúrky paralelne a vystupuje na opačnom konci. Neexistujú žiadne vnútorné steny. Toto je najjednoduchší prietokový dizajn.

Viac{0}}prechodový dizajn (2 prechody, 4 prechody atď.)
Pri viac{0}}priechodovom usporiadaní tekutina niekoľkokrát prechádza cez zväzok rúrok. Napríklad pri 2-priechodovom výmenníku je prítokový kanál rozdelený na dve časti. Kvapalina sa privádza do jednej časti, prechádza polovicou rúrok na vzdialený koniec, mení smer vo vratnom kryte, prechádza späť cez zostávajúce rúrky a odchádza z druhej časti kanála na vstupnej strane. V 4-priechodovom výmenníku sa táto operácia opakuje dvakrát.

Počet prechodov je vždy párne číslo, takže sacie a výstupné dýzy sú na rovnakom konci výmenníka, čo zjednodušuje potrubné spojenia.

Hlavné rozdiely v tepelnom-hydraulickom správaní
Voľba konštrukcie jednopriechodového alebo viacpriechodového PTFE výmenníka tepla je ovplyvnená vplyvom na rýchlosť tekutiny, koeficient prestupu tepla, pokles tlaku a logaritmický rozdiel strednej teploty (LMTD).

Koeficient prenosu tepla a rýchlosť tekutiny
Rýchlosť tekutiny v každej rúrke je funkciou počtu použitých rúrok pre každý prechod pre konkrétny celkový prietok na strane rúrky. V jednopriechodovom prevedení sú všetky trubice aktívne súčasne. Dostupná prietoková plocha je súčtom prietokových plôch všetkých rúrok. Preto je rýchlosť skôr malá, pokiaľ celkový prietok nie je veľký.

Vo viac{0}}priechodovej konštrukcii sa rovnaký celkový prietok pretlačí na jeden prechod iba s použitím zlomku rúrok. V 2-prechodovom výmenníku s dvoma rovnakými skupinami rúrok obsahuje každý prechod polovicu celkového počtu rúrok. Rýchlosť v každej trubici je dvojnásobná v porovnaní s jednopriechodovým scenárom (pre rovnaký celkový prietok). Rýchlosť je štvornásobná pri 4-priechodovej konfigurácii.

Súčiniteľ prestupu tepla konvekciou sa zvyšuje so zvyšovaním Reynoldsovho čísla na strane rúrky v dôsledku zvyšovania rýchlosti. Obmedzujúcou prekážkou prenosu tepla je často tekutinový film-na strane rúrky (či už ide o tekutinu na-strane obalu kondenzujúcej pary alebo kvapaliny s vysokou-vodivosťou). Vzhľadom na to, že PTFE rúrky už majú nízku tepelnú vodivosť, zvýšenie bočnej rýchlosti rúrky môže výrazne zvýšiť celkový koeficient prenosu tepla.

Účinky poklesu tlaku
Vyššie náklady na rýchlosť: Pokles tlaku sa zvyšuje so štvorcom rýchlosti (približne). Pri 2-priechodovej konštrukcii je pokles tlaku na strane rúrky približne 4-krát väčší ako pri jednopriechodovej konštrukcii (dvojnásobná rýchlosť + dodatočné straty vo vratnej kapote). Pre 4-prechodovú konštrukciu môže byť pokles tlaku 16-krát väčší, plus veľké straty v reverzných komorách.

V praxi je počet použitých prechodov všeobecne obmedzený dostupným čerpacím výkonom alebo prípustnou stratou tlaku v procesnom potrubí. Zvyčajné usporiadanie pre PTFE výmenníky tepla je 2-prechodové alebo 4-prechodové. Ak je kvapalinou na strane rúrky kvapalina strednej viskozity a čerpadlo má dostatočnú dopravnú výšku, uprednostňujú sa jednopriechodové konštrukcie s kvapalinou na strane plynovej rúrky (kde je pokles tlaku dôležitejší) alebo s už vysokým prietokom.

Korekcia logaritmického rozdielu strednej teploty (LMTD)
Jedným z hlavných rozdielov je, že viac{0}}priechodové systémy nie sú čistým protiprúdom, čo znižuje efektívnu hnaciu silu teploty. LMTD je najvyššia v jednopriechodovom výmenníku s protiprúdovým usporiadaním (kvapalina na strane rúrky v opačnom smere ako tekutina na strane plášťa). Vo viacpriechodovom výmenníku je vzor prúdenia blízky zmiešanému alebo krížovému toku a na protiprúdový LMTD sa aplikuje korekčný faktor (niekedy nazývaný F).

Pre 2-prechodový výmenník je korekčný faktor LMTD normálne v rozsahu 0,95 až 0,99 pre väčšinu prevádzkových situácií - malé zníženie. Pre 4-priechodové výmenníky môže byť faktor len 0,90-0,95. Pre vysokoteplotné krížové aplikácie (kde sú vstupné a výstupné teploty veľmi blízke) môže byť korekčný faktor podstatne nižší ako 1, pretože výhody vyššej rýchlosti môžu byť negované. Preto sú viacpriechodové konštrukcie najúspešnejšie pre miernu zmenu teploty na strane trubice.

Význam PTFE výmenníka tepla
Keďže PTFE má nízku tepelnú vodivosť, pri celkovom prenose tepla-často prevláda odpor filmu na strane trubice. Jedným z dôležitých cieľov dizajnu je preto zlepšiť koeficient strany-rúry. Viac{4}}priechodové konštrukcie to dosahujú bez toho, aby vyžadovali väčší celkový prietok z rastlinného čerpadla, vďaka čomu sú vhodné na dodatočné vybavenie alebo tam, kde je prietok fixný.

PTFE hadica je však mechanicky mäkká a môže vibrovať pri vysokých rýchlostiach prúdenia. Nadmerná rýchlosť môže spôsobiť chvenie trubice a viesť k odieraniu o prepážky alebo poškodenie trubkovnice. Pre hadičky z PTFE sú typické navrhované bočné rýchlosti hadíc 0,5 až 2,0 m/s (1,6 až 6,6 stôp/s). Viac{7}}prechodový dizajn, ktorý zvyšuje rýchlosť z 0,5 m/s na 1,0 m/s, je dobrý, ale zvýšenie na 3,0 m/s môže spôsobiť mechanické problémy. Počet prechodov by sa mal zvoliť tak, aby sa rýchlosť udržala v rozsahu špecifikovanom výrobcom.

Výhody prenosu tepla by tiež mali byť v rovnováhe s nákladmi na čerpanie. Pre cirkuláciu nádrže je už k dispozícii procesné čerpadlo. Pokles tlaku viac{2}}prechodového PTFE výmenníka môže byť prijateľný v mnohých procesoch povrchovej úpravy. Alternatívne môže jednopriechodová konštrukcia s väčším plášťom (viac rúrok paralelne) vykonávať rovnakú funkciu pri nižšom poklese tlaku, ale vyšších investičných nákladoch.

Porovnávacia tabuľka: Jednopriechodové PTFE výmenníky tepla verzus viacpriechodové{1}
Nasledujúca tabuľka zobrazuje typické štatistické údaje o výkone pre pevnú celkovú{0}}postrannú prietokovú rýchlosť trubice a pevnú oblasť prenosu tepla. Hodnoty sú reprezentatívne; skutočný výkon bude závisieť od podrobností o veľkosti a charakteristikách kvapaliny.

Počet prechodov trubice Relatívna rýchlosť trubice* Relatívna trubica-Koeficient prestupu tepla na strane** Relatívna tlaková strata (na strane trubice) Rozsah korekčných faktorov LMTD Typické aplikácie
1 (Jeden-prechod) 1,0 (základná línia) 1,0 (základná línia) 1,0 (základná línia) 1,00 (možný čistý protiprúd) Kvapaliny s vysokým prietokom; plyny; systémy s nízkym poklesom tlaku
2 (dva-prechody) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Dobrá rovnováha Najrozšírenejšia pre PTFE kvapalinové výmenníky
4 (štyri-prechody) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Kvapaliny s vysokou viskozitou alebo extrémne vysoká hodnota U-vyžaduje sa; skontrolujte náklady na čerpanie
6 alebo 8 prechod 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Zriedkavé; len s kvapalinami s nízkou viskozitou a vysokou povolenou rýchlosťou ΔP v porovnaní s jednoprechodovým dizajnom s rovnakým počtom rúrok a prietokom. Odhadované pre turbulentné alebo prechodové prúdenie. Skutočné zlepšenie závisí od exponentu Reynoldsovho čísla (zvyčajne h ~ v^0,8 pre turbulentné prúdenie).

Praktické úvahy pri povrchovej úprave
V mnohých aplikáciách povrchovej úpravy (pokovovanie, eloxovanie, morenie) je tekutinou na strane rúrky často samotný procesný kúpeľ, kyslý alebo alkalický roztok obsahujúci suspendované častice alebo rozpustené kovy. Uplatňujú sa nasledujúce praktické pokyny:

Cirkulácie kúpeľa s vysokým prietokom na miešanie alebo filtráciu v nádrži často spôsobujú jedno{0}}prechodové návrhy. Za takýchto okolností môže byť rýchlosť už dostatočná a viac prechodov by len zvýšilo pokles tlaku bez zodpovedajúceho zvýšenia prenosu tepla.

Dvojprechodový dizajn je najpoužívanejším dizajnom PTFE výmenníka tepla pre pokovovacie linky skromných rozmerov. Prenos tepla je značne zvýšený, pričom tlaková strata je udržiavaná v medziach bežných odstredivých čerpadiel (normálne strata 1–3 bar).

Štvorťahové konštrukcie sa používajú, keď je dostupná plocha prenosu tepla obmedzená (napríklad dodatočne namontovaný výmenník, ktorý sa musí zmestiť do existujúceho priestoru) a čerpadlo má náhradnú hlavu. Používajú sa tiež na ohrev viskóznych tekutín, ako je koncentrovaná kyselina fosforečná alebo iné chemické procesné kúpele.

Spomína sa tiež, že optimálny počet prechodov rúr je ovplyvnený usporiadaním-strany plášťa. Ak tekutinou na -strane plášťa je kondenzácia pary (ktorá má veľmi vysoký koeficient prestupu tepla), dominuje -odpor na strane rúry a viac{4}}priechodové konštrukcie sú veľmi výhodné. Ak je tekutinou na strane plášťa chladiaca voda s nízkym koeficientom, potom zlepšenie iba strany rúrky nemusí poskytnúť podstatný celkový prínos.

Príklad dizajnu: Koľko prihrávok vybrať
Uvažujme PTFE výmenník tepla ohrievajúci poniklovací kúpeľ z 55 °C na 60 °C pomocou pary na strane plášťa. Potrebný tepelný výkon je 100 kW. Obehové čerpadlo môže cez výmenník cirkulovať kúpeľovú kvapalinu 30 m3/h. Predbežná konštrukcia s jedným priechodom s 200 rúrkami s vnútorným priemerom 6 mm má za následok bočnú rýchlosť rúry 0,5 m/s, pokles tlaku 0,3 bar a vypočítaný celkový súčiniteľ prestupu tepla (U) 200 W/m2.K. Potrebná plocha je 12 m².

2-prechodový dizajn (100 trubíc/prechod) zdvojnásobuje rýchlosť na 1,0 m/s. Koeficient strany rúry stúpol o takmer 40 %, čo dáva U 260 W/m2K. potrebná plocha je zmenšená na 9,2 m2 (menší, lacnejší výmenník). Tlaková strata sa zvýši na približne 1,2 bar, čo je stále v rámci kapacity čerpadla. 2-priechodový dizajn je určite lepší.

Pre 4-prechodovú konfiguráciu (50 trubíc každý prechod) je rýchlosť 2,0 m/s a U sa zvýši na približne 300 W/m2.K. Potrebná plocha 8 m2 Pokles tlaku však bude približne 5 barov, čo môže byť väčšie ako výška čerpadla alebo môže viesť k vysokej spotrebe energie. Faktor nastavenia pre LMTD je 0,93, čo trochu znižuje skutočnú hnaciu silu. V tomto scenári je ideálnym kompromisom 2-priechodový dizajn.

Záverečné slová