U PTFE izmjenjivaču omotača-i-cijevi, tekućina- na strani cijevi može napraviti jedno putovanje od ulaza do izlaza, ili se može više puta usmjeriti naprijed-nazad kroz snop. Broj prolaza utiče na brzinu fluida, efikasnost prenosa toplote i potrebnu snagu pumpanja. Budući da PTFE ima inherentno nisku toplotnu provodljivost (otprilike 0,25 W/m·K), maksimiziranje koeficijenta prijenosa topline- na strani cijevi je često prioritet. Ipak, izbor između dizajna jednog-prolaska i više-prolaska nije jednostavan-već uključuje namjerni kompromis-između poboljšanja prijenosa topline i kazne pada pritiska.
Razumijevanje aranžmana za prolaz u cijevi
Broj prolaza cijevi odnosi se na to koliko puta fluid koji putuje kroz cijevi pređe dužinu izmjenjivača. Prolazi se stvaraju ugradnjom razdjelnika (pregrada) u kanal ili poklopac na jednom ili oba kraja izmjenjivača. Ovi razdjelnici prisiljavaju tekućinu da teče kroz samo dio cijevi prije nego što obrnu smjer i uđe u drugi set cijevi.
Dizajn sa jednim prolazom
U izmjenjivaču sa jednim-prolazom (1-prolaz), fluid sa strane cijevi ulazi u kanal na jednom kraju, teče ravno kroz sve cijevi paralelno i izlazi na suprotnom kraju. Ne koriste se unutrašnji razdjelnici. Ovo je najjednostavnija konfiguracija protoka.
Dizajn sa više-prolaza (2 prolaza, 4 prolaza, itd.)
U dizajnu s više-prolaza, tekućina čini višestruke prolaze kroz snop cijevi. Na primjer, u 2-prolaznom izmjenjivaču, ulazni kanal je podijeljen na dva dijela. Tečnost ulazi u jedan odeljak, teče kroz polovinu cevi do daljeg kraja, menja smer u povratnom poklopcu, teče nazad kroz preostale cevi i izlazi iz drugog dela kanala na ulaznoj strani. U 4-prolaznom izmjenjivaču, proces se ponavlja dva puta.
Broj prolaza je uvijek jednak kako bi se ulazne i izlazne mlaznice zadržale na istom kraju izmjenjivača, pojednostavljujući cijevne veze.
Ključne razlike u termalnim{0}}hidrauličkim performansama
Odluka između ajednoprolazni vs višeprolazni PTFE izmjenjivač toplinedizajn zavisi od toga kako se utiče na brzinu fluida, koeficijent prenosa toplote, pad pritiska i logaritamsku srednju temperaturnu razliku (LMTD).
Brzina fluida i koeficijent prijenosa topline
Za datu ukupnu -bočnu brzinu protoka u cijevi, brzina fluida unutar svake cijevi određena je brojem cijevi aktivnih u svakom prolazu. U dizajnu s jednim-prolazom, sve cijevi su aktivne istovremeno. Površina poprečnog -poprečnog presjeka dostupna za protok je ukupna površina protoka svih cijevi. Stoga je brzina relativno niska osim ako je ukupna brzina protoka visoka.
U više-prolaznom dizajnu, isti ukupni protok se provlači kroz samo dio cijevi po prolazu. Za 2-prolazni izmjenjivač sa dvije jednake grupe cijevi, svaki prolaz sadrži polovinu ukupnog broja cijevi. Brzina u svakoj cijevi se udvostručuje u poređenju sa slučajem s jednim prolazom (za istu ukupnu brzinu protoka). Za dizajn sa 4 prolaza, brzina se učetvorostručuje.
Veća brzina povećava Reynoldsov broj-strane cijevi, što zauzvrat povećava koeficijent konvektivnog prijenosa topline. Budući da PTFE cijevi već imaju nisku toplotnu provodljivost, ograničavajući otpor prijenosu topline često se nalazi na filmu-tečnosti na strani cijevi (ako je tekućina-na strani omotača kondenzirajuća para ili tečnost visoke{4}}provodljivosti). Povećanje bočne brzine cijevi- može značajno poboljšati ukupan koeficijent prijenosa topline.
Posljedice pada pritiska
Veća brzina ima cijenu: pad tlaka raste s kvadratom brzine (približno). Za dizajn sa 2-prolaza, pad pritiska na-bočnoj strani cijevi je otprilike četiri puta veći od dizajna s jednim prolazom (dvostruka brzina, plus dodatni gubici u povratnom poklopcu). Za dizajn s 4 prolaza, pad tlaka može biti 16 puta veći, plus značajni gubici u komorama za rikverc.
U praksi, raspoloživa snaga pumpe ili dozvoljeni pad pritiska u procesnoj liniji često ograničavaju koliko prolaza se može koristiti. Uobičajena konfiguracija za PTFE izmjenjivače topline je 2-prolaza ili 4-prolaza kada je tekućina-na strani cijevi tekućina umjerenog viskoziteta i pumpa ima dovoljan napon. Dizajni sa jednim prolazom su favorizovani kada je fluid na strani cevi gas (gde je pad pritiska kritičniji) ili kada je brzina protoka već visoka.
Dnevnik korekcije srednje temperaturne razlike (LMTD).
Važna suptilnost je da više-prolazni dizajn odstupa od čistog suprotnog toka, smanjujući efektivnu temperaturnu pokretačku silu. U izmjenjivaču sa jednim-prolazom sa protutočnim rasporedom (tečnost na-stranoj strani tečnosti u suprotnom smjeru od tečnosti sa strane -kola), LMTD je na svom maksimumu. U više-prolaznom izmjenjivaču, obrazac protoka se približava mješovitom ili unakrsnom toku, što zahtijeva faktor korekcije (obično označen kao F) primijenjen na protustrujni LMTD.
Za 2-prolazni izmjenjivač, LMTD faktor korekcije je obično između 0,95 i 0,99 za većinu radnih uslova-manje smanjenje. Za 4-izmjenjivače, faktor može pasti na 0,90–0,95. Za primjene na visokim{11}}prečnim temperaturama (gdje su ulazne i izlazne temperature vrlo blizu), faktor korekcije može biti znatno niži, potencijalno negirajući prednosti veće brzine. Stoga su višeprolazni dizajni najefikasniji kada je promjena temperature na strani cijevi umjerena.
Relevantnost za PTFE izmjenjivače topline
Budući da PTFE ima nisku toplotnu provodljivost, otpor-bočnog filma cijevi često dominira ukupnim prijenosom topline. Povećanje koeficijenta strane cijevi- je stoga primarni cilj dizajna. Više{4}}konstrukcije postižu ovo bez potrebe za većim ukupnim protokom od pumpe postrojenja, što ih čini atraktivnim za naknadne ugradnje ili primjene gdje je brzina protoka fiksna.
Međutim, PTFE cijevi su mehanički meke i sklone vibracijama pri velikim brzinama protoka. Prekomjerna brzina može uzrokovati treperenje cijevi, što dovodi do uznemirenosti zbog pregrada ili oštećenja cijevnih ploča. Tipične preporučene brzine-bočne strane cijevi za PTFE cijevi kreću se od 0,5 do 2,0 m/s (1,6 do 6,6 ft/s). Dizajn sa više{8} prolaza koji povećava brzinu sa 0,5 m/s na 1,0 m/s je koristan; podizanje na 3,0 m/s može uzrokovati mehaničke probleme. Broj prolaza treba odabrati tako da se brzina zadrži unutar preporučenog raspona proizvođača.
Također je važno uravnotežiti dobitke prijenosa topline u odnosu na cijenu pumpanja. U mnogim operacijama završne obrade, procesna pumpa već postoji za cirkulaciju rezervoara, a dodatni pad pritiska iz više-prolaznog PTFE izmjenjivača može biti prihvatljiv. U drugim slučajevima, dizajn sa jednim-prolazom sa većom školjkom (više cijevi paralelno) može postići isti rad uz manji pad tlaka, iako uz veće kapitalne troškove.
Tabela poređenja: jednoprolazni-prolazni vs. više-prolazni PTFE izmjenjivači topline
Tabela ispod upoređuje tipične karakteristike performansi za fiksni ukupni -bočni protok cijevi i fiksnu površinu prijenosa topline. Vrijednosti su ilustrativne; stvarne performanse zavise od specifičnih dimenzija i svojstava fluida.
| Broj prolaza cijevi | Relativna brzina cijevi* | Relativni cijev-Bočni koeficijent prijenosa topline** | Relativni pad pritiska (na strani cijevi) | Raspon faktora korekcije LMTD | Tipične primjene |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (single-pass) | 1.0 (osnovna linija) | 1.0 (osnovna linija) | 1.0 (osnovna linija) | 1,00 (moguć je čist protivtok) | Sistemi niskog-ispuštanja{1}}pritiska; gasovi; tečnosti velike-protočne-tečnosti |
| 2 (dva-propusta) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Najčešći za tečne PTFE izmjenjivače; dobar balans |
| 4 (četiri-propusta) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Tečnosti visokog{0}}viskoziteta ili kada je potrebna veoma visoka U{1}}vrijednost; provjerite cijenu pumpanja |
| 6 ili 8 prolaza | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Rijetko; samo sa tečnostima niske-viskoznosti i visokim dozvoljenim ΔP |
* Brzina u odnosu na dizajn sa jednim-prolazom sa istim brojem cijevi i protokom.
** Procijenjeno za turbulentan ili prelazni tok. Stvarno poboljšanje zavisi od eksponenta Reynoldsovog broja (obično h ~ v^0,8 za turbulentno strujanje).
Praktična razmatranja za završnu obradu površina
U aplikacijama za završnu obradu površina (prevlačenje, eloksiranje, kiseljenje), cijev{0}}tečnost sa strane je često sama procesna kupka-kiseli ili alkalni rastvor sa suspendovanim čvrstim materijama ili otopljenim metalima. Primjenjuju se sljedeće praktične smjernice:
Jedno-prolazne dizajnese često koriste kada kupka cirkulira pri velikom protoku za miješanje ili filtraciju u rezervoaru. U takvim slučajevima, brzina može već biti dovoljna, a dodavanje prolaza bi samo povećalo pad tlaka bez proporcionalnog povećanja prijenosa topline.
Dizajn sa dva{0}}prolazasu najčešća konfiguracija za PTFE izmjenjivače topline u umjerenim-linijama za oblaganje. Pružaju značajan poticaj prijenosu topline dok zadržavaju pad tlaka unutar kapaciteta standardnih centrifugalnih pumpi (obično gubitak od 1-3 bara).
Četiri-prolaska dizajnase koriste kada je dostupno područje prijenosa topline ograničeno (npr. naknadno ugrađen izmjenjivač koji mora stati u postojeći prostor) i pumpa ima rezervnu glavu. Koriste se i za zagrijavanje viskoznih tekućina poput koncentrirane fosforne kiseline ili određenih organskih procesnih kupki.
Vrijedi napomenuti da raspored školjke{0}}bočne strane također utiče na optimalan broj prolaza cijevi. Ako je tekućina-strane ljuske kondenzirajuća para (koja ima vrlo visok koeficijent prijenosa topline), otpor na-bočnoj strani cijevi dominira, a više-prolazni dizajni su veoma korisni. Ako je tečnost - na strani ljuske rashladna voda sa niskim koeficijentom, poboljšanje samo na strani cijevi možda neće donijeti veliko ukupno poboljšanje.
Primjer dizajna: Odabir broja prolaza
Uzmite u obzir PTFE izmjenjivač topline koji zagrijava kupku s niklovanim slojem od 55 do 60 stepeni koristeći paru na strani kućišta. Potrebna toplinska snaga je 100 kW. Dostupna cirkulaciona pumpa obezbeđuje 30 m³/h tečnosti za kupanje kroz izmenjivač. Preliminarni jednoprolazni dizajn sa 200 cijevi 6 mm ID daje -bočnu brzinu cijevi od 0,5 m/s, pad tlaka od 0,3 bara i izračunati ukupni koeficijent prijenosa topline (U) od 200 W/m²·K. Potrebna površina je 12 m².
Prelaskom na dizajn sa 2-prolaza (100 cijevi po prolazu), brzina se udvostručuje na 1,0 m/s. Koeficijent strane cijevi - se povećava za približno 40%, podižući U na 260 W/m²·K. Potrebna površina pada na 9,2 m² (manji, jeftiniji izmjenjivač). Pad tlaka raste na oko 1,2 bara, što je još uvijek unutar mogućnosti pumpe. Dizajn sa 2 prolaza je očigledno superioran.
Ako se uzme u obzir dizajn sa 4 prolaza (50 cijevi po prolazu), brzina dostiže 2,0 m/s, a U se povećava na približno 300 W/m²·K. Potrebna površina pada na 8 m². Međutim, pad tlaka raste na približno 5 bara, što može premašiti visinu pumpe ili uzrokovati prekomjernu potrošnju energije. LMTD faktor korekcije pada na 0,93, blago smanjujući stvarnu pokretačku silu. U ovom slučaju, dizajn s 2 prolaza nudi najbolju ravnotežu.
Zaključak
Optimalan broj prolaza cijevi u PTFE izmjenjivaču topline ovisi o dostupnom padu tlaka i potrebi da se poboljša prijenos topline unutar PTFE cijevi niske{0}}niske provodljivosti. Jednoprolazni dizajn minimizira pad pritiska i održava punu protustrujnu LMTD, što ih čini pogodnim za gasove ili sisteme sa ograničenim kapacitetom pumpanja. Dizajn sa više-prolaza (obično 2-prolaza ili 4-prolaza) povećava brzinu na strani cijevi, povećavajući koeficijent prijenosa topline po cijenu većeg pada pritiska i malog smanjenja LMTD. Za većinu aplikacija za završnu obradu tečnih površina, dvoprolazni dizajn pruža efikasan kompromis, pružajući značajne dobitke u performansama bez prevelikih zahtjeva za pumpanjem.
Termička-hidraulička optimizacija je standardni dio dizajna PTFE izmjenjivača topline. Tačan broj prolaza je određen balansiranjem poboljšanja prijenosa topline u odnosu na ograničenja pada tlaka, uz istovremeno poštovanje ograničenja brzine PTFE-a kako bi se izbjegle vibracije cijevi. Kada je pravilno specificiran, odabrani raspored prolaza osigurava da izmjenjivač ispunjava svoje dužnosti pouzdano i efikasno tokom svog vijeka trajanja.
