Σε έναν εναλλάκτη κελύφους PTFE-και-σωλήνων, το πλευρικό υγρό σωλήνα-μπορεί να πραγματοποιήσει μία μόνο διαδρομή από την είσοδο στην έξοδο ή μπορεί να δρομολογηθεί μπρος-πίσω μέσα από τη δέσμη πολλές φορές. Ο αριθμός των διελεύσεων επηρεάζει την ταχύτητα του ρευστού, την απόδοση μεταφοράς θερμότητας και την απαιτούμενη ισχύ άντλησης. Επειδή το PTFE έχει εγγενώς χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (περίπου 0,25 W/m·K), η μεγιστοποίηση του πλευρικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του σωλήνα είναι συχνά προτεραιότητα. Ωστόσο, η επιλογή μεταξύ ενός-πασών και ενός σχεδιασμού πολλαπλών-πασών δεν είναι απλή-περιλαμβάνει μια σκόπιμη ανταλλαγή-από τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας και την ποινή της πτώσης πίεσης.
Κατανόηση των διακανονισμών Tube Pass
Ο αριθμός των διελεύσεων σωλήνων αναφέρεται στο πόσες φορές το ρευστό που ταξιδεύει μέσα από τους σωλήνες διασχίζει το μήκος του εναλλάκτη. Τα περάσματα δημιουργούνται με την εγκατάσταση διαχωριστικών (χωρισμάτων διέλευσης) στο κανάλι ή το καπό στο ένα ή και στα δύο άκρα του εναλλάκτη. Αυτοί οι διαχωριστές αναγκάζουν το ρευστό να ρέει μέσω μόνο ενός τμήματος των σωλήνων πριν αντιστρέψουν την κατεύθυνση και εισέλθουν σε ένα άλλο σύνολο σωλήνων.
Μονό-Σχεδίαση πάσου
Σε έναν-εναλλάκτη μονής διέλευσης (1-), το υγρό από την πλευρά του σωλήνα εισέρχεται στο κανάλι στο ένα άκρο, ρέει κατευθείαν μέσω όλων των σωλήνων παράλληλα και εξέρχεται στο αντίθετο άκρο. Δεν χρησιμοποιούνται εσωτερικά διαχωριστικά. Αυτή είναι η απλούστερη διαμόρφωση ροής.
Σχεδίαση πολλαπλών-Περασμάτων (2-Pass, 4-Pass, κ.λπ.)
Σε ένα σχέδιο πολλαπλών-περασμάτων, το υγρό κάνει πολλαπλές διασχίσεις κατά μήκος της δέσμης σωλήνων. Για παράδειγμα, σε έναν εναλλάκτη 2-περασμάτων, το κανάλι εισόδου χωρίζεται σε δύο τμήματα. Το υγρό εισέρχεται σε ένα τμήμα, ρέει μέσω των μισών σωλήνων προς το μακρινό άκρο, αντιστρέφει την κατεύθυνση σε ένα καπό επιστροφής, ρέει πίσω μέσω των υπόλοιπων σωλήνων και εξέρχεται από το δεύτερο τμήμα του καναλιού στην πλευρά εισόδου. Σε έναν εναλλάκτη 4 περασμάτων, η διαδικασία επαναλαμβάνεται δύο φορές.
Ο αριθμός των περασμάτων είναι πάντα ίσος για να διατηρείται τα ακροφύσια εισόδου και εξόδου στο ίδιο άκρο του εναλλάκτη, απλοποιώντας τις συνδέσεις σωληνώσεων.
Βασικές διαφορές στη θερμική-Υδραυλική απόδοση
Η απόφαση μεταξύ αεναλλάκτης θερμότητας PTFE με ένα πέρασμα έναντι πολλαπλών περασμάτωνΟ σχεδιασμός εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζονται η ταχύτητα του ρευστού, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, η πτώση πίεσης και η ημερολογιακή μέση διαφορά θερμοκρασίας (LMTD).
Ταχύτητα Ρευστού και Συντελεστής Μεταφοράς Θερμότητας
Για μια δεδομένη συνολική ταχύτητα ροής του σωλήνα-, η ταχύτητα του ρευστού μέσα σε κάθε σωλήνα καθορίζεται από τον αριθμό των ενεργών σωλήνων σε κάθε πέρασμα. Σε ένα μοναδικό-σχεδιασμό πάσου, όλοι οι σωλήνες είναι ενεργοί ταυτόχρονα. Η διαθέσιμη διατομή-για ροή είναι η συνολική επιφάνεια ροής όλων των σωλήνων. Ως εκ τούτου, η ταχύτητα είναι σχετικά χαμηλή εκτός εάν ο συνολικός ρυθμός ροής είναι υψηλός.
Σε ένα σχεδιασμό πολλαπλών-περασμάτων, η ίδια συνολική ροή εξαναγκάζεται μόνο σε ένα κλάσμα των σωλήνων ανά πέρασμα. Για έναν εναλλάκτη 2-περασμάτων με δύο ίσες ομάδες σωλήνων, κάθε πέρασμα περιέχει το ήμισυ του συνόλου των σωλήνων. Η ταχύτητα σε κάθε σωλήνα διπλασιάζεται σε σύγκριση με την περίπτωση μονής διέλευσης (για τον ίδιο συνολικό ρυθμό ροής). Για ένα σχέδιο 4 περασμάτων, η ταχύτητα τετραπλασιάζεται.
Η υψηλότερη ταχύτητα αυξάνει τον αριθμό του σωλήνα-πλευρά Reynolds, ο οποίος με τη σειρά του αυξάνει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Επειδή οι σωλήνες PTFE έχουν ήδη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, η περιοριστική αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας βρίσκεται συχνά στο φιλμ ρευστού στο πλάι του σωλήνα (εάν το πλευρικό υγρό του κελύφους-είναι ατμός συμπύκνωσης ή υγρό υψηλής{4} αγωγιμότητας). Η αύξηση της ταχύτητας του σωλήνα-μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.
Συνέπειες πτώσης πίεσης
Η υψηλότερη ταχύτητα έχει κόστος: η πτώση πίεσης αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας (περίπου). Για μια σχεδίαση 2-περασμάτων, η πτώση πίεσης στην πλευρά του σωλήνα-είναι περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός σχεδίου μονής διέλευσης (διπλασιασμένη ταχύτητα, συν πρόσθετες απώλειες στο καπό επιστροφής). Για ένα σχέδιο 4 περασμάτων, η πτώση πίεσης μπορεί να είναι 16 φορές μεγαλύτερη, συν σημαντικές απώλειες στους θαλάμους οπισθοπορείας.
Στην πράξη, η διαθέσιμη ισχύς άντλησης ή η επιτρεπόμενη πτώση πίεσης στη γραμμή διεργασίας συχνά περιορίζει πόσα περάσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Μια κοινή διαμόρφωση για τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE είναι 2-διέλευσης ή 4-περατότητας όταν το πλευρικό υγρό του σωλήνα-είναι υγρό με μέτριο ιξώδες και η αντλία έχει επαρκή κεφαλή. Τα σχέδια μονής διέλευσης ευνοούνται όταν το υγρό στην πλευρά του σωλήνα είναι αέριο (όπου η πτώση πίεσης είναι πιο κρίσιμη) ή όταν ο ρυθμός ροής είναι ήδη υψηλός.
Διόρθωση μέσης διαφοράς θερμοκρασίας καταγραφής (LMTD).
Μια σημαντική λεπτομέρεια είναι ότι τα σχέδια πολλαπλών-περασμάτων αποκλίνουν από την καθαρή αντίθετη ροή, μειώνοντας την αποτελεσματική κινητήρια δύναμη της θερμοκρασίας. Σε έναν-εναλλάκτη μονής διέλευσης με διάταξη αντίστροφης ροής (σωλήνας-πλευρικό υγρό αντίθετη προς την πλευρά του κελύφους-ρευστό), το LMTD είναι στο μέγιστο. Σε έναν εναλλάκτη πολλαπλών-περασμάτων, το μοτίβο ροής προσεγγίζει μικτή ή εγκάρσια ροή, απαιτώντας έναν συντελεστή διόρθωσης (που συνήθως υποδηλώνεται ως F) που εφαρμόζεται στο αντίθετο ρεύμα LMTD.
Για έναν εναλλάκτη 2-περασμάτων, ο συντελεστής διόρθωσης LMTD είναι συνήθως μεταξύ 0,95 και 0,99 για τις περισσότερες συνθήκες λειτουργίας-μια μικρή μείωση. Για 4-εναλλάκτες περασμάτων, ο συντελεστής μπορεί να πέσει στο 0,90–0,95. Για εφαρμογές υψηλής{11}}διασταύρωσης θερμοκρασίας (όπου οι θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου είναι πολύ κοντά), ο συντελεστής διόρθωσης μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερος, αναιρώντας ενδεχομένως τα πλεονεκτήματα της υψηλότερης ταχύτητας. Επομένως, τα σχέδια πολλαπλών περασμάτων είναι πιο αποτελεσματικά όταν η αλλαγή θερμοκρασίας στην πλευρά του σωλήνα είναι μέτρια.
Συνάφεια με τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE
Επειδή το PTFE έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, η αντίσταση του πλευρικού φιλμ του σωλήνα-συχνά κυριαρχεί στη συνολική μεταφορά θερμότητας. Ως εκ τούτου, η ενίσχυση του συντελεστή πλευρικού σωλήνα-είναι πρωταρχικός στόχος σχεδιασμού. Τα σχέδια πολλαπλών-περασμάτων το επιτυγχάνουν αυτό χωρίς να απαιτείται υψηλότερος συνολικός ρυθμός ροής από την αντλία της εγκατάστασης, καθιστώντας τα ελκυστικά για μετασκευές ή εφαρμογές όπου ο ρυθμός ροής είναι σταθερός.
Ωστόσο, οι σωλήνες PTFE είναι μηχανικά μαλακοί και επιρρεπείς σε κραδασμούς σε υψηλές ταχύτητες ροής. Η υπερβολική ταχύτητα μπορεί να προκαλέσει φτερούγισμα των σωλήνων, οδηγώντας σε ταραχή στα διαφράγματα ή ζημιά στα φύλλα του σωλήνα. Οι τυπικές συνιστώμενες πλευρικές ταχύτητες σωλήνων-για σωλήνες PTFE κυμαίνονται από 0,5 έως 2,0 m/s (1,6 έως 6,6 ft/s). Ο σχεδιασμός πολλαπλών-περασμάτων που αυξάνει την ταχύτητα από 0,5 m/s σε 1,0 m/s είναι επωφελής. Η αύξηση του στα 3,0 m/s μπορεί να προκαλέσει μηχανικά προβλήματα. Ο αριθμός των περασμάτων πρέπει να επιλέγεται για να διατηρείται η ταχύτητα εντός του συνιστώμενου εύρους του κατασκευαστή.
Είναι επίσης σημαντικό να εξισορροπήσετε τα κέρδη μεταφοράς θερμότητας έναντι του κόστους άντλησης. Σε πολλές εργασίες φινιρίσματος επιφανειών, η αντλία διεργασίας υπάρχει ήδη για την κυκλοφορία της δεξαμενής και η πρόσθετη πτώση πίεσης από έναν εναλλάκτη PTFE πολλαπλών-περασμάτων μπορεί να είναι αποδεκτή. Σε άλλες περιπτώσεις, ένα σχέδιο μονής-πέρας με μεγαλύτερο κέλυφος (περισσότεροι σωλήνες παράλληλα) μπορεί να επιτύχει το ίδιο καθήκον με χαμηλότερη πτώση πίεσης, αν και με υψηλότερο κόστος κεφαλαίου.
Πίνακας σύγκρισης: Εναλλάκτες θερμότητας PTFE ενός-εναλλάκτη έναντι πολλαπλών-
Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει τυπικά χαρακτηριστικά απόδοσης για σταθερό συνολικό ρυθμό ροής σωλήνα-και σταθερή περιοχή μεταφοράς θερμότητας. Οι τιμές είναι ενδεικτικές. Η πραγματική απόδοση εξαρτάται από συγκεκριμένες διαστάσεις και ιδιότητες ρευστού.
| Αριθμός περασμάτων Tube | Σχετική ταχύτητα σωλήνα* | Σχετικός σωλήνας-Συντελεστής πλευρικής μεταφοράς θερμότητας** | Σχετική πτώση πίεσης (από την πλευρά του σωλήνα) | Εύρος συντελεστών διόρθωσης LMTD | Τυπικές Εφαρμογές |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Μονό πάσο-) | 1.0 (βασική γραμμή) | 1.0 (βασική γραμμή) | 1.0 (βασική γραμμή) | 1,00 (με δυνατότητα καθαρής αντιρροής) | Συστήματα πτώσης χαμηλής-πίεσης-. αέρια? υγρά υψηλής-ροής- |
| 2 (Δύο-πάσο) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Συνηθέστερα για υγρούς εναλλάκτες PTFE. καλή ισορροπία |
| 4 (Τέσσερα-Πάσο) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Υγρά{0}}υψηλού ιξώδους ή όταν απαιτείται πολύ υψηλή τιμή U-. ελέγξτε το κόστος άντλησης |
| Πάσο 6 ή 8 | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Σπάνιος; μόνο με υγρά χαμηλού-ιξώδους και υψηλής επιτρεπόμενης ΔP |
* Ταχύτητα σε σχέση με τη σχεδίαση μονής-πέρας με τον ίδιο αριθμό σωλήνων και ταχύτητα ροής.
** Εκτιμάται για τυρβώδη ή μεταβατική ροή. Η πραγματική ενίσχυση εξαρτάται από τον εκθέτη αριθμού Reynolds (συνήθως h ~ v^0,8 για τυρβώδη ροή).
Πρακτικά ζητήματα για το φινίρισμα επιφανειών
Σε εφαρμογές φινιρίσματος επιφανειών (επιμετάλλωση, ανοδίωση, αποξήρανση), το πλευρικό υγρό του σωλήνα-είναι συχνά το ίδιο το λουτρό επεξεργασίας-ένα όξινο ή αλκαλικό διάλυμα με αιωρούμενα στερεά ή διαλυμένα μέταλλα. Ισχύουν οι ακόλουθες πρακτικές οδηγίες:
Σχέδια με ένα πάσο-χρησιμοποιούνται συχνά όταν το λουτρό κυκλοφορεί με υψηλό ρυθμό ροής για ανάμιξη δεξαμενής ή διήθηση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η ταχύτητα μπορεί να είναι ήδη επαρκής και η προσθήκη περασμάτων θα αύξανε μόνο την πτώση πίεσης χωρίς ανάλογο κέρδος στη μεταφορά θερμότητας.
Δύο-σχέδια πάσουείναι η πιο κοινή διαμόρφωση για εναλλάκτες θερμότητας PTFE σε γραμμές επιμετάλλωσης μεσαίου μεγέθους. Παρέχουν σημαντική ώθηση στη μεταφορά θερμότητας, διατηρώντας παράλληλα την πτώση πίεσης εντός της χωρητικότητας των τυπικών φυγοκεντρικών αντλιών (συνήθως απώλεια 1–3 bar).
Τέσσερα-σχέδια πάσοχρησιμοποιούνται όταν η διαθέσιμη περιοχή μεταφοράς θερμότητας είναι περιορισμένη (π.χ. ένας μεταγενέστερος εναλλάκτης που πρέπει να ταιριάζει στον υπάρχοντα χώρο) και η αντλία έχει εφεδρική κεφαλή. Χρησιμοποιούνται επίσης για τη θέρμανση παχύρρευστων υγρών όπως συμπυκνωμένο φωσφορικό οξύ ή ορισμένα λουτρά οργανικής διεργασίας.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η πλευρική διάταξη του κελύφους-επηρεάζει επίσης τον βέλτιστο αριθμό περασμάτων σωλήνων. Εάν το πλευρικό υγρό του κελύφους-είναι ατμός συμπύκνωσης (ο οποίος έχει πολύ υψηλό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας), κυριαρχεί η πλευρική αντίσταση του σωλήνα-και τα σχέδια πολλαπλών-περασμάτων είναι πολύ ωφέλιμα. Εάν το πλευρικό υγρό του κελύφους-είναι ένα νερό ψύξης με χαμηλό συντελεστή, η βελτίωση της πλευράς του σωλήνα από μόνη της μπορεί να μην αποφέρει μεγάλη συνολική βελτίωση.
Παράδειγμα σχεδίασης: Επιλογή του αριθμού περασμάτων
Σκεφτείτε ότι ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE θερμαίνει ένα λουτρό επινικελίωσης από 55 μοίρες έως 60 μοίρες χρησιμοποιώντας ατμό στην πλευρά του κελύφους. Η απαιτούμενη απόδοση θερμότητας είναι 100 kW. Η διαθέσιμη αντλία κυκλοφορίας παρέχει 30 m³/h υγρού μπάνιου μέσω του εναλλάκτη. Ένας προκαταρκτικός-σχεδιασμός μονής διέλευσης που χρησιμοποιεί 200 σωλήνες των 6 mm ID αποδίδει πλευρική ταχύτητα σωλήνα-0,5 m/s, πτώση πίεσης 0,3 bar και υπολογισμένο συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (U) 200 W/m²·K. Η απαιτούμενη επιφάνεια είναι 12 m².
Με τη μετάβαση σε σχεδιασμό 2-περασμάτων (100 σωλήνες ανά πέρασμα), η ταχύτητα διπλασιάζεται σε 1,0 m/s. Ο συντελεστής πλευράς σωλήνα-αυξάνεται κατά περίπου 40%, αυξάνοντας το U στα 260 W/m²·K. Η απαιτούμενη επιφάνεια πέφτει στα 9,2 m² (ένας μικρότερος εναλλάκτης χαμηλότερου κόστους). Η πτώση πίεσης ανεβαίνει περίπου στα 1,2 bar, κάτι που εξακολουθεί να είναι εντός των δυνατοτήτων της αντλίας. Ο σχεδιασμός 2 περασμάτων είναι σαφώς ανώτερος.
Εάν ληφθεί υπόψη μια σχεδίαση 4 περασμάτων (50 σωλήνες ανά πέρασμα), η ταχύτητα φτάνει τα 2,0 m/s και η U αυξάνεται σε περίπου 300 W/m²·K. Η απαιτούμενη επιφάνεια πέφτει στα 8 m². Ωστόσο, η πτώση πίεσης αυξάνεται σε περίπου 5 bar, η οποία μπορεί να υπερβεί την κεφαλή της αντλίας ή να προκαλέσει υπερβολική κατανάλωση ενέργειας. Ο συντελεστής διόρθωσης LMTD πέφτει στο 0,93, μειώνοντας ελαφρώς την πραγματική κινητήρια δύναμη. Σε αυτή την περίπτωση, ο σχεδιασμός 2 περασμάτων προσφέρει την καλύτερη ισορροπία.
Σύναψη
Ο βέλτιστος αριθμός διελεύσεων σωλήνων σε έναν εναλλάκτη θερμότητας PTFE εξαρτάται από τη διαθέσιμη πτώση πίεσης και την ανάγκη βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας εντός των σωλήνων PTFE χαμηλής{{0} αγωγιμότητας. Τα σχέδια ενός-περάσματος ελαχιστοποιούν την πτώση πίεσης και διατηρούν το πλήρες αντίθετο ρεύμα LMTD, καθιστώντας τα κατάλληλα για αέρια ή συστήματα με περιορισμένη ικανότητα άντλησης. Τα σχέδια πολλαπλών-περασμάτων (συνήθως 2-περασμάτων ή 4-περασμάτων) αυξάνουν την ταχύτητα στην πλευρά του σωλήνα, ενισχύοντας τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με κόστος υψηλότερης πτώσης πίεσης και μικρή μείωση του LMTD. Για τις περισσότερες εφαρμογές φινιρίσματος υγρών επιφανειών, ο σχεδιασμός δύο περασμάτων παρέχει έναν αποτελεσματικό συμβιβασμό, παρέχοντας σημαντικά κέρδη απόδοσης χωρίς υπερβολικές απαιτήσεις άντλησης.
Η θερμική-υδραυλική βελτιστοποίηση αποτελεί τυπικό μέρος του σχεδιασμού του εναλλάκτη θερμότητας PTFE. Ο σωστός αριθμός περασμάτων προσδιορίζεται εξισορροπώντας τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας έναντι των περιορισμών πτώσης πίεσης, ενώ τηρούνται επίσης τα όρια ταχύτητας του PTFE για την αποφυγή κραδασμών του σωλήνα. Όταν καθορίζεται σωστά, η επιλεγμένη διάταξη διέλευσης διασφαλίζει ότι ο εναλλάκτης εκπληρώνει το καθήκον του αξιόπιστα και αποτελεσματικά κατά τη διάρκεια της ζωής του.
