По какво байонетните-стил PTFE топлообменници се различават от конвенционалните конструкции с фиксирана тръбна плоча?

Повечето кожухотръбни топлообменници имат тръби, прикрепени в двата края. Байонетният обменник обръща това с главата надолу: тръбите са фиксирани само в единия край, другият край е свободен да се плъзга в запечатана външна обвивка. Този прост дизайн преодолява две дългогодишни-загрижености, топлинен стрес и достъп за поддръжка. Байонетното разположение е изкушаваща алтернатива за взискателни повърхностни довършителни работи и приложения в химически процеси, включващи PTFE топлообменници, където високият коефициент на топлинно разширение (CTE) на материала прави решенията с фиксирани тръбни листове обезпокоителни.

Байонетната конструкция (обяснена)
Името на байонетния PTFE топлообменник произлиза от външния вид на байонетна-електрическа крушка или тръбен съединител, при който една част се вкарва в друга и се закрепва в една точка. Байонетната тръба е съставена от две концентрични тръби, вътрешната тръба и външната тръба, запечатани в далечния край според терминологията на топлообменника. Сглобката се поставя в корпус (или направо в резервоар) и се закрепва само в края на входа/изхода-обикновено на тръбна решетка или фланец. Другият край на пръта е свободен да се разширява и свива термично.

При байонетна конфигурация флуидният маршрут обикновено е структуриран като:

Сервизната течност (пара, гореща вода или охлаждаща течност) се подава през вътрешната тръба и тече към запечатания край.

Течността се обръща в запечатания край и се връща обратно в пръстеновидната зона между вътрешната и външната тръби.

Топлината се доставя към технологичния флуид от страната на корпуса (или от страната на резервоара) през външната стена на тръбата.

След това течността излиза през пръстеновидното пространство, от същия край, в който е влязла.

Каналът на потока „в-и-изход“ показва, че и входящият, и изходящият конектори са в един и същи край на топлообменника. Свободният край на байонетната тръба е свободен с изключение на уплътнението и може свободно да се движи аксиално.

Основни разлики с традиционните конструкции с фиксирани тръбни листове
В традиционен PTFE топлообменник с фиксирана тръбна плоча, тръбите са фиксирани в двата края, с една тръбна плоча във входния край и другата в изходния край. Тръбният сноп е неразделна част от корпуса и страничните дюзи-на корпуса са заварени към корпуса. Механичното поведение и лекотата на поддръжка са доста различни.

Приспособяване към термично напрежение
В допълнение, разширението на PTFE е 10 до 20 пъти по-голямо от това на стоманата (120 до 150 × 10−6 / градус спрямо 11 × 10−6 / градус). При конструкция с фиксирана тръбна плоча PTFE тръба с дължина 2 m, нагрята от 20 градуса до 100 градуса, се разширява с около 12–15 mm. И двата края са фиксирани, така че това разширение създава сили на натиск, които могат да огънат PTFE тръбата или да повредят съединенията на тръбната плоча. За да се избегне това, PTFE топлообменник с фиксирана тръбна плоча ще трябва или да:

Плаваща глава (позволяваща движение на един тръбен лист), или

Разширителна фуга в корпуса; алтернативно,

Много къси дължини на тръбите (ограничаващи капацитета на топлообменника)

Всяка от тези опции добавя разходи, сложност и възможни места за изтичане.

От друга страна байонетният PTFE топлообменник е присъщо толерантен към термично разширение. Свободният край на байонетната тръба се плъзга аксиално в черупката или външната обвивка, докато PTFE се разширява и свива. Необходимостта от разширителна фуга, плаваща глава или уникално съвпадение на материала е елиминирана. Байонетната форма е особено привлекателна за приложения, включващи големи температурни колебания или чести термични цикли.

Достъп за поддръжка и премахване на пакети
Байонетният дизайн има голямо механично предимство, тъй като целият тръбен сноп може да бъде изваден от топлообменника, без да се прекъсва тръбопроводът-от страната на корпуса. Пакетът се поставя в черупката в единия край и се държи на място от един фланец или тръбен лист. За да премахнете пакета за почистване, проверка или подмяна:

Входящата/изходящата тръба към страната на тръбата е изключена.

Отстранете болтовете на фланеца на пакета.

Снопът се извлича от черупката в аксиална посока.

Корпусът е на място и всички тръбопроводи от-страни на корпуса (включително дюзи, уплътнения и съединители) са непокътнати.

При конструкция с фиксирана тръбна плоча премахването на тръбния сноп е много по-сложно. Двата края на кожуха трябва да се отворят и може да се наложи да разкачите страничните дюзи на кожуха или да премахнете целия топлообменник от линията. Това може да е голям проект за големи топлообменници в места с натоварени процеси.

За услуги, при които е необходимо редовно почистване (например вани, предразположени към замърсяване-повърхностни довършителни работи), лесното отстраняване на пакета в байонетния обменник е решаващо предимство. Един щиков сноп отнема само часове, за да бъде изваден, почистен и поставен обратно; фиксиран пакет от тръбни листове може да означава цял ден или повече престой.

Термични проблеми с производителността
Байонетният дизайн има компромис-за термични характеристики. Пръстенообразният път на потока (флуид, протичащ във вътрешната тръба и обратно през пръстена) дава ефект на двойна -тръба. Има две причини, поради които общият коефициент на топлопреминаване е малко по-нисък от сравним противоточен дизайн с фиксирана тръбна плоча:

Намалена ефективна температурна разлика - Моделът на потока не е чист противоток, а смес от противоток и паралелен поток, което намалява логаритмичната средна температурна разлика (LMTD).

По-ниска скорост от страната на пръстена - За същия общ дебит на пръстеновидната междина може да има по-ниска скорост от единична тръба и това се отразява на коефициента на филма.

Това намаление обаче често е малко (10-20%) и често се противопоставя на възможността за използване на по-дълги тръби (тъй като термичното разширение не е ограничаващ фактор) и за работа при по-високи скорости от страната на черупката. В много приложения за довършителни работи на повърхността предимствата на обслужването значително надвишават малкия недостатък на ефективността.

Материали и конструкция
Байонетните топлообменници са популярни за графитни и PTFE конструкции, тъй като са крехки или се пълзят при напрежение и тези материали имат значително термично разширение. Байонетният дизайн работи с качествата на материала, а не срещу тях.

В байонетните топлообменници от PTFE вътрешната и външната тръба обикновено се произвеждат от PTFE или PFA (перфлуороалкокси). Запечатаният край се прави чрез заваряване или топлинно сливане на двете тръби заедно. Свободният край е отворен и вътрешната тръба преминава през тръбен лист или накрайник. Външната тръба е уплътнена към тръбния лист чрез PTFE уплътнение или О-пръстен, което позволява аксиално плъзгане и предотвратява изтичане.

Трябва да се отбележи, че свободният край на байонетната тръба трябва да се държи, за да се избегнат вибрации. При дългите байонетни тръби (напр. . 3-5 m) междинните опорни пръстени или прегради се използват вътре в корпуса, за да направляват външната тръба, без да възпрепятстват аксиалното движение. Без тази опора вибрациите,-предизвикани от потока, могат да доведат до износване и преждевременна повреда.

Сравнителна таблица: Байонет срещу фиксирана тръбна плоча PTFE топлообменник Характеристика на байонетния стил PTFE топлообменник Фиксираща тръбна плоча PTFE топлообменна тръба Фиксиране на тръбата на единия край фиксиран, другия край свободен за движение И двата края са прикрепени към тръбните листове
Присъщо приспособяване за термично разширение – свободни крайни плъзгачи; не е необходим компенсатор Изисква плаваща глава, компенсатор или изключително къси тръби
Възможност за отстраняване на снопа Лесно издърпване на снопа от единия край, без да се прекъсва тръбопроводът на корпуса Трудно се нуждае от разглобяване на двата края Често включва отстраняване на топлообменника от линията
Дюзите в ShellCan остават прикрепени по време на отстраняването на пакета Обменникът трябва да се отдели или премести
Връзки от страната на тръбата Вход и изход в един и същи край Вход и изход в противоположните краища (обикновено)
Път на потока навътре и навън чрез концентрични тръби (ефект на двойна{0}}тръба) Прав проход (едно преминаване) или много{1}}минаване с обратен капак
Топлинна ефективност Леко намалена (LMTD корекционен фактор 0,85–0,95) По-висока (може да се получи реален противопоток)
Средно Макс. Дължина на тръбата Боравене с ограничен термичен стрес и вибрации Ограничено от термично разширение (обикновено 1,5–2,5 m за PTFE без компенсатор)
Толерантност към замърсяване Добър, пакетът може да се отдели за почистване Задоволителен – почистването отнема допълнително време без работа
Цена за малки единици. Умерен - единичен тръбен лист, без разширителна фуга По-нисък - По-лесен монтаж за къси тръби
Разходите за големи/дълги модули По-ниски – няма нужда от скъпи компенсатори По-високи – плаваща глава или компенсатори увеличават разходите
Практическа употреба на байонетни PTFE топлообменници
При химическа обработка и повърхностна обработка байонетният дизайн е предпочитан за редица специализирани случаи:

Сериозен термичен цикъл - Партидни процедури с няколко цикъла на нагряване и охлаждане на топлообменника всеки ден. Свободно-плъзгащите се байонетни тръби позволяват това движение без натрупване на напрежение.

Услуги за замърсяване - Бани, които оставят котлен камък, утайки или органични покрития върху повърхността за пренос на топлина. Важно е да можете да изтегляте снопа за механично или химическо почистване на редовно планирана база.

Агресивни киселинни среди, изискващи PTFE - PTFE е химически инертен и е определен за агресивни киселини (напр. солна, сярна, флуороводородна). Байонетният дизайн намалява броя на уплътненията и потенциалните течове от страната на тръбата.

Ограничено пространство за достъп - Когато топлообменникът трябва да бъде построен в яма, срещу стена или на място, където не може да се постигне достъп до двата края. Байонетният обменник се обслужва само в единия край.

Модернизирани инсталации - Подмяна на съществуващ неподвижен топлообменник с тръбна решетка с проблеми с термичната умора Основната причина за тези повреди се отстранява от байонетния дизайн.

За разлика от това, системите с фиксирани тръбни листове все още се конкурират за:

Малки, къси топлообменници (дължина на тръбата < 1,5 m), когато топлинното разширение не е проблем.

Приложения без термичен цикъл. Много чисти течности.

Когато чистият противоток е необходим за максимизиране на LMTD (напр. възстановяване на топлината с близък температурен подход).

Проекти с бюджетни ограничения, при които най-ниските първоначални разходи са основният двигател.

Съображения за инсталиране и работа
Има редица практически аспекти, които трябва да бъдат взети под внимание при определянето на байонетния PTFE топлообменник.

Опора на свободния край Свободният край на байонетната тръба трябва да бъде поддържан, но не плътно фиксиран. Контактът-с-PTFE е предотвратен чрез PTFE износващи се маншети или пръстени с ниско{3}}триене.

Дизайн на уплътнението - Плъзгащото се уплътнение за влизане на външната тръба в тръбния лист трябва да позволява аксиално движение без изтичане. Често срещани са PTFE уплътнения или О-пръстени с пружинни активатори.

Разпределение на потока - Уверете се, че пръстеновидната междина е достатъчно голяма, за да избегнете прекомерно намаляване на налягането. Междината обикновено е 2-5 mm, в зависимост от диаметъра на тръбата и скоростта на потока.

Вибрация на тръбата - Преградите или опорните плочи трябва да бъдат разположени на интервали от 0,5–1,0 метра, за да се избегнат вибрации,-предизвикани от завихряне. Опорите трябва да позволяват аксиално плъзгане.

Обърнете внимание също, че байонетните топлообменници могат да бъдат инсталирани в многобройни количества в един корпус. Мулти-байонетният дизайн използва голям брой байонетни тръби в тандем, всички закрепени към един и същи тръбен лист. Това разположение дава голяма площ за пренос на топлина и достъп за поддръжка само от единия край.

Заключение