Какви са относителните предимства на конструкциите на еднопроходни-и много{1}}проходни PTFE топлообменници?

В PTFE обвивка-и-тръбен обменник течността от страната на-тръбата може да премине от входа към изхода веднъж или може да бъде ре-циркулирана през снопа няколко пъти. Броят на преминаванията определя скоростта на флуида, ефективността на пренос на топлина и необходимата мощност на изпомпване. Фокусът често е да се максимизира коефициентът на топлопреминаване -от страната на тръбата, тъй като PTFE има присъща ниска топлопроводимост (около 0,25 W/m·K). Въпреки това, изборът на едно-или много{10}}дизайн не е тривиален-това е съзнателен компромис-между увеличаването на топлопреминаването и наказанието за спад на налягането.

Обяснени са договореностите за преминаване на метрото
Броят на преминаванията на тръбата е броят пъти, когато течността, преминаваща през тръбите, протича по дължината на топлообменника. Проходите се произвеждат чрез поставяне на разделители (пропускни прегради) в канала или капака в единия или двата края на топлообменника. Тези разделители позволяват на течността да тече само през някои от тръбите, преди да се обърне и да потече в другия комплект тръби.

Конструкция- с един проход
В едно-проходен (1-проходен) топлообменник течността от страната на тръбата навлиза в канала в единия край, минава директно през всички тръби успоредно и излиза в противоположния край. Няма вътрешни стени. Това е най-простият дизайн на потока.

Много{0}}дизайн за преминаване (2 прохода, 4 прохода и т.н.)
При много{0}}система течността преминава през тръбния сноп няколко пъти. Например при 2-обменник входящият канал е разделен на две части. Течността се вкарва в едната част, преминава през половината тръби до далечния край, променя посоката във връщащия капак, преминава обратно през останалите тръби и излиза от втората част на канала от страната на входа. В 4-ходов обменник тази операция се повтаря два пъти.

Броят на преминаванията винаги е четен брой, така че всмукателните и изходящите дюзи да са в един и същи край на топлообменника, което опростява тръбните връзки.

Основни разлики в терм{0}}хидравличното поведение
Изборът на конструкция на еднопроходен или многопроходен PTFE топлообменник се влияе от въздействието върху скоростта на флуида, коефициента на топлопреминаване, спада на налягането и логаритмичната средна температурна разлика (LMTD).

Коефициент на топлопреминаване и скорост на флуида
Скоростта на флуида във всяка тръба е функция от броя на тръбите, които се използват за всяко преминаване за конкретен общ страничен дебит на тръбата. При дизайн с едно преминаване всички тръби са активни едновременно. Наличната площ на потока е сумата от площите на потока на всички тръби. Следователно скоростта е доста малка, освен ако общият дебит не е голям.

При много{0}}дизайн един и същ общ поток се прокарва на преминаване, като се използва само част от тръбите. В 2-обменник с две идентични тръбни групи, всеки проход съдържа половината от общия брой тръби. Скоростта във всяка тръба се удвоява по отношение на сценария с едно преминаване (за същия общ дебит). Скоростта се учетворява с конфигурация с 4 преминавания.

Коефициентът на конвективен топлопренос се увеличава с увеличаването на числото на Рейнолдс от страната на тръбата поради увеличаване на скоростта. Ограничаващото препятствие пред предаването на топлина често е флуидният филм-от страната на тръбата (независимо дали течността от страната-на корпуса е кондензираща пара или течност с висока-проводимост). Тъй като PTFE тръбите вече имат ниска топлопроводимост, увеличаването на страничната скорост на тръбата може значително да подобри общия коефициент на топлопреминаване.

Ефекти от спад на налягането
Разходи за по-висока скорост: Падът на налягането се увеличава с квадрата на скоростта (приблизително). За 2-дизайн, спадът на налягането от страната на тръбата е около 4 пъти по-голям от този при еднопроходен дизайн (скорост два пъти + допълнителни загуби във връщащия капак). За 4-ходова конструкция спадът на налягането може да бъде 16 пъти по-голям, плюс големи загуби в реверсивните камери.

На практика броят на използваните проходи обикновено е ограничен от наличната мощност на изпомпване или допустимата загуба на налягане в технологичната линия. Обичайното разположение за PTFE топлообменници е 2-проход или 4-проход. Ако течността от страната на тръбата е течност с умерен вискозитет и помпата има достатъчен напор, еднопроходните конструкции са предпочитани с течност от страната на газовата тръба (където спадът на налягането става по-важен) или с вече висок дебит.

Корекция на логаритмичната средна температурна разлика (LMTD)
Едно основно разграничение е, че много{0}}системите не са чисто обратен поток, което намалява движещата сила на ефективната температура. LMTD е най-висок в еднопроходен топлообменник с устройство за противоток (флуид от страната на тръбата, обратна посока на течността от страната на корпуса). В много{3}}обменник моделът на потока е близък до смесен или напречен поток и корекционен фактор (понякога наричан F) се прилага към противотока LMTD.

За 2-обменник коефициентът на корекция на LMTD обикновено е в диапазона от 0,95 до 0,99 за повечето работни ситуации - малко намаление. За 4-ходови топлообменници факторът може да бъде толкова нисък, колкото 0,90-0,95. За високотемпературни кръстосани приложения (където входящите и изходните температури са много близки) корекционният коефициент може да бъде значително по-нисък от 1, тъй като ползите от по-високата скорост могат да бъдат отхвърлени. По този начин многопроходните конструкции са най-успешни за умерена промяна на температурата от страната на тръбата.

Значение на PTFE топлообменника
Тъй като PTFE има ниска топлопроводимост, съпротивлението на филма-от страната на тръбата често е доминиращо за цялостния пренос на топлина. Следователно, една от важните цели на дизайна е да се подобри коефициентът на тръбата-. Конструкциите с много-проход постигат това, без да изискват по-голям общ дебит от инсталационната помпа, което ги прави желани за преоборудване или където дебитът е фиксиран.

Въпреки това, PTFE тръбите са механично меки и могат да вибрират при високи скорости на потока. Прекомерната скорост може да предизвика трептене на тръбата и да доведе до нараняване на прегради или повреда на тръбния лист. За PTFE тръби типичните препоръчителни странични скорости на тръбата са 0,5 до 2,0 m/sec (1,6 до 6,6 ft/sec). Много{7}}дизайнът, който увеличава скоростта от 0,5 m/s до 1,0 m/s, е добър, но увеличаването й до 3,0 m/s може да причини механични проблеми. Броят на преминаванията трябва да бъде избран така, че да поддържа скоростта в диапазона, определен от производителя.

Освен това предимствата на топлопреноса трябва да бъдат балансирани спрямо разходите за изпомпване. Вече е налична технологична помпа за циркулация на резервоара. Спадът на налягането на многопроходен PTFE топлообменник може да бъде приемлив при много процеси за довършване на повърхности. Алтернативно, еднопроходна конструкция с по-голям корпус (повече тръби в паралел) може да изпълни същата функция при по-нисък спад на налягането, но по-високи капиталови разходи.

Сравнителна таблица: Еднопроходни-срещу много{1}}проходни PTFE топлообменници
Таблицата по-долу показва типични статистически данни за производителността за фиксиран общ дебит отстрани-на тръбата и фиксирана площ за пренос на топлина. Ценностите са представителни; действителната производителност ще зависи от подробности за размера и характеристиките на течността.

Брой преминавания на тръбата Относителна скорост на тръбата* Относителна тръба-Коефициент на топлопреминаване** Относителен спад на налягането (от страната на тръбата) LMTD Диапазон на корекционния фактор Типични приложения
1 (Едно-пропускане) 1,0 (базова линия) 1,0 (базова линия) 1,0 (базова линия) 1,00 (възможен чист противопоток) Течности с висок дебит; газове; системи с ниско налягане
2 (Две-преминавания) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Добър баланс Най-разпространен за PTFE течни обменници
4 (Четири-преминавания) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Изискват се течности с висок вискозитет или изключително висока U-стойност; проверете разходите за изпомпване
6 или 8 Преминаване 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Рядко; само с течности с нисък вискозитет и висока разрешена ΔP скорост спрямо еднопроходен дизайн със същия брой тръби и дебит. Оценява се за турбулентен или преходен поток. Реалното подобрение зависи от степента на числото на Рейнолдс (обикновено h ~ v^0,8 за турбулентен поток).

Практически съображения при обработката на повърхности
При много приложения за довършване на повърхности (покритие, анодизиране, декапиране) течността от страната на тръбата често е самата технологична баня, киселинен или алкален разтвор, съдържащ суспендирани частици или разтворени метали. Приложими са следните практически насоки:

Циркулациите с висока скорост на потока на ваната за смесване или филтриране в резервоара често са причина за еднопроходни -проекти. При такива обстоятелства скоростта може вече да е достатъчна и повече преминавания просто биха увеличили спада на налягането без съответно увеличение на преноса на топлина.

Двуходовият дизайн е най-използваният PTFE топлообменник за линии за обшивка със скромен размер. Преносът на топлина се подобрява значително, докато спадът на налягането се поддържа в границите на обикновените центробежни помпи (обикновено 1–3 бара загуба).

Четир{0}}дизайните се използват, когато наличната площ за пренос на топлина е ограничена (например преоборудван топлообменник, който трябва да се побере в съществуващото пространство) и помпата има резервна глава. Те се използват и за нагряване на вискозни течности като концентрирана фосфорна киселина или други химически процеси.

Споменава се също, че оптималният брой проходи на тръбите се влияе от оформлението на-страни на корпуса. Ако флуидът-от страната на корпуса е кондензация на пара (която има много висок коефициент на топлопреминаване), съпротивлението от страната-на тръбата доминира и много-дизайните с много проходи са много изгодни. Ако течността от страната на черупката е охлаждаща вода с нисък коефициент, тогава подобряването само на страната на тръбата може да не даде съществена обща полза.

Пример за дизайн: колко пропуска да изберете
Помислете за PTFE топлообменник, загряващ баня за никелиране от 55 °C до 60 °C, използвайки пара от страната на корпуса. Необходимата топлинна мощност е 100 kW. Циркулационната помпа може да циркулира течност за баня от 30 m3/h през топлообменника. Предварителният дизайн с едно преминаване с 200 тръби с вътрешен диаметър 6 mm води до странична скорост на тръбата от 0,5 m/s, спад на налягането от 0,3 бара и изчислен общ коефициент на топлопреминаване (U) от 200 W/m2.K. Необходимата площ е 12 м².

Двупроходният дизайн (100 тръби/проход) удвоява скоростта до 1,0 m/s. Коефициентът на страната на тръбата се повишава с почти 40%, което дава U от 260 W/m2K. необходимата площ е намалена до 9,2 m2 (по-малък, по-евтин топлообменник). Загубата на налягане нараства до приблизително 1,2 бара, което все още е в рамките на капацитета на помпата. Дизайнът с 2 прохода със сигурност е по-добър.

За конфигурация с 4 прохода (50 тръби за всеки проход), скоростта е 2,0 m/s и U се увеличава до около 300 W/m2.K. Необходима площ 8 m2 Въпреки това, спадът на налягането става около 5 бара, което може да бъде по-голямо от напора на помпата или да доведе до висока консумация на енергия. Коефициентът на регулиране за LMTD е 0,93, което донякъде намалява действителната движеща сила. В този сценарий идеалният компромис е двуходовият дизайн.

Последни думи