Problem distribucije
PTFE izmjenjivač topline sa 60 cijevi spojenih na jedan kolektor za paru bi, u teoriji, trebao primiti jednak protok pare u svaku cijev. U praksi, cijevi najbliže ulazu u kolektor primaju više pare od onih na drugom kraju. Neravnoteža stvara tople i hladne zone u snopu cijevi. Hladne cijevi kondenziraju paru nepotpuno i mogu se poplaviti kondenzatom. Vruće cijevi rade na previsokim temperaturama zida.
Ujednačenost distribucije pare zavisi od profila pritiska unutar kolektora. Kako para teče duž kolektora, promjene trenja i zamaha uzrokuju promjenu statičkog tlaka. Cijevi na različitim lokacijama vide različite pogonske pritiske. Veličina ove varijacije pritiska određuje neravnotežu protoka.
Broj cijevi po zaglavlju je primarna varijabla dizajna koja kontrolira uniformnost distribucije. Manje cijevi po kolektoru smanjuje dužinu kolektora i varijaciju tlaka duž njega. Više cijevi po kolektoru povećava ukupni protok, povećavajući varijaciju tlaka i mogućnost nepravilne distribucije. Optimalni broj cijevi balansira kvalitetu distribucije u odnosu na cijenu i složenost višestrukih sabirnika.
Profil pritiska zaglavlja
Steam koji ulazi u zaglavlje doživljava dva konkurentna efekta pritiska. Trenje između pare i zida kolektora uzrokuje smanjenje pritiska duž smjera protoka. Ovo ima tendenciju da smanji protok u nizvodne cijevi. Istovremeno, kako se para grana u cijevi, brzina u kolektoru se smanjuje. Kinetička energija protoka koji se usporava pretvara se u statički pritisak, fenomen koji se naziva oporavak pritiska. Ovo ima tendenciju da poveća protok u nizvodne cijevi.
Za parne kolektore sa malom ulaznom brzinom i mnogo granastih cijevi, trenje dominira, a nizvodne cijevi su izgladnjele. Za kolektore s velikom ulaznom brzinom i nekoliko grana, oporavak tlaka može prekomjerno kompenzirati, a nizvodne cijevi primaju višak protoka.
Optimalni dizajn balansira ove efekte kako bi se postigao skoro{0}}ujednačen pritisak na svim ulazima cijevi. Ovo se postiže odabirom prečnika sabirnice i broja cijevi tako da varijacija tlaka u svim tačkama grananja bude manja od 5% ukupne razlike pogonskog tlaka.
Tabela 1: Preporučeni broj cijevi po zaglavlju prema tlaku pare i promjeru cijevi
| Pritisak pare (barg) | OD cijevi (mm) | Preporučene cijevi po zaglavlju | Maksimalni broj cijevi po zaglavlju | Prečnik glave (mm) | Očekivana varijacija protoka |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Vrijednosti se zasnivaju na jednoličnoj dužini cijevi od 1,5 metara, horizontalnoj orijentaciji kolektora i varijaciji ciljnog protoka ispod 5%. Duže cijevi povećavaju otpor pojedinačnih cijevi, poboljšavajući distribuciju i omogućavajući malo veći broj cijevi.
Zahtjev za izjednačavanje kondenzata
Distribucija pare je samo pola problema. Uklanjanje kondenzata mora biti jednako ujednačeno. Ako kolektor kondenzata na izlazima cijevi ima drugačiji profil tlaka od kolektora pare, neto pogonski tlak u svakoj cijevi će varirati čak i ako su pritisci dovoda pare jednaki.
Kolektor kondenzata obično radi sa dvofaznim -faznim protokom-kondenzatom i parom. Njegova distribucija pritiska je složenija od jednofaznog parnog kolektora. Izjednačavanje puta kondenzata postiže se nagibom kolektora kondenzata prema dolje prema sifonu za paru, osiguravajući da nijedan izlaz cijevi nije uronjen u nagomilani kondenzat, i ograničavanjem broja cijevi po kondenzatnom zaglavlju na isti ili manji od strane pare.
Praktične konfiguracije zaglavlja
Za PTFE izmjenjivač topline od 60 kW za koji je potrebno 60 cijevi 10 mm OD, preporučena konfiguracija koristi tri parne glave, od kojih svaki dovodi 20 cijevi. Ovaj raspored ograničava varijaciju protoka na 3-5% u svim cijevima. Svaki odvodnik se povezuje sa zasebnim kolektorom za kondenzat sa jednakim brojem cijevi.
Dizajn jednog-kolektora za 60 cijevi je tehnički izvodljiv s prevelikim prečnicima kolektora, ali uvodi varijaciju protoka od 15-25%, rizikujući poplavu kondenzata u cijevima koje najviše gladuju. Ušteda troškova zbog smanjenja broja zaglavlja je nadjačana kaznom performansi zbog pogrešne distribucije.
Za vrlo velike izmjenjivače koji prelaze 200 cijevi, sistem razdjelnika distribuira paru na više pod-kolektora. Razdjelnik upravlja velikim protokom pare, a svaki pod-zaglavlje dovodi broj cijevi kojim se može upravljati. Ovaj hijerarhijski pristup održava kvalitetu distribucije na bilo kojoj skali.
Rezime
Broj cijevi po zaglavlju direktno kontrolira ujednačenost distribucije pare u više-prolaznim PTFE izmjenjivačima topline. Preporučeni raspon od 10-30 cijevi po kolektoru, ovisno o tlaku pare i promjeru cijevi, ograničava varijaciju protoka na ispod 5% i sprječava izlijevanje kondenzata u izgladnjelim cijevima. Više manjih zaglavlja nadmašuje jedno preveliko zaglavlje u kvaliteti distribucije i termičkim performansama.
Odgovarajuća dimenzionacija kolektora, u kombinaciji sa pažljivim dizajnom kondenzatora, osigurava da svaka cijev u PTFE snopu u potpunosti doprinosi ukupnom prijenosu topline. Skromni dodatni troškovi višestrukih kolektora nadoknađuju se eliminacijom hladnih tačaka i poplavljenih cijevi.
Inženjerske preporuke za dizajn kolektora PTFE izmjenjivača topline dostupne su nakon podnošenja zahtijevanog toplotnog opterećenja, pritiska pare, specifikacija cijevi i fizičkih ograničenja za postavljanje kolektora.
