Чим байонетні-теплообмінники PTFE відрізняються від звичайних конструкцій з фіксованою трубною решеткою?

Більшість кожухотрубних теплообмінників мають трубки, прикріплені з обох кінців. Багнетний обмінник перевертає це з ніг на голову: труби закріплені лише на одному кінці, інший кінець вільно ковзає в герметичній зовнішній оболонці. Цей простий дизайн усуває дві-давні проблеми: тепловий стрес і доступ до технічного обслуговування. Байонетне розташування є спокусливою альтернативою для вимогливої ​​обробки поверхонь і хімічних процесів із застосуванням теплообмінників з PTFE, де високий коефіцієнт теплового розширення (CTE) матеріалу ускладнює рішення з фіксованою трубною решіткою.

Конструкція багнета (пояснення)
Назва байонетного PTFE-теплообмінника походить від зовнішнього вигляду байонетної-лампочки або з’єднання труби, у якому одна частина вставлена ​​в іншу та закріплена в одній точці. Багнетна труба складається з двох концентричних труб, внутрішньої та зовнішньої труби, ущільнених на дальньому кінці в термінології теплообмінника. Збірка поміщається в корпус (або прямо в резервуар) і закріплюється лише на вхідному/вихідному кінці-зазвичай на трубній решетці або фланці. Інший кінець стрижня може вільно розширюватися і термічно стискатися.

У байонетній конфігурації шлях рідини зазвичай структурований так:

Робоча рідина (пара, гаряча вода або охолоджуюча рідина) подається через внутрішню трубку і тече до ущільненого кінця.

Рідина обертається на герметичному кінці і тече назад у кільцевій зоні між внутрішньою та зовнішньою трубами.

Тепло доставляється до технологічної рідини з боку кожуха (або з боку бака) через зовнішню стінку труби.

Потім рідина виходить через кільцевий простір з того самого кінця, куди вона потрапила.

Канал потоку «-і-вихід» вказує на те, що впускний і вихідний з’єднувачі знаходяться на одному кінці теплообмінника. Вільний кінець байонетної трубки вільний, за винятком ущільнення, і може вільно рухатися в аксіальному напрямку.

Основні відмінності від традиційних фіксованих конструкцій трубної решетки
У традиційному PTFE-теплообміннику з фіксованою трубною решеткою труби закріплені на обох кінцях, одна трубна решетка на вході, а друга – на виході. Пучок труб є невід’ємною частиною корпусу, а бокові сопла- корпусу приварені до корпусу. Механічна поведінка та простота обслуговування зовсім інші.

Термічна акомодація деформації
Крім того, розширення PTFE в 10-20 разів більше, ніж у сталі (від 120 до 150 × 10-6 / градус проти 11 × 10-6 / градус). У конструкції з фіксованою трубною решеткою PTFE труба довжиною 2 м, нагріта від 20 градусів до 100 градусів, розширюється приблизно на 12–15 мм. Обидва кінці закріплені, тому це розширення створює сили стиснення, які можуть викривити трубку з ПТФЕ або пошкодити з’єднання трубної дошки. Щоб уникнути цього, теплообмінник із фіксованої трубної дошки PTFE повинен:

Плаваюча головка (що дозволяє рухатися одній трубній решетці) або

Компенсатор в оболонці; альтернативно,

Дуже коротка довжина труб (обмежує ємність теплообмінника)

Кожен із цих варіантів додає витрат, ускладнює та створює можливі витоки.

З іншого боку, байонетний PTFE теплообмінник за своєю суттю стійкий до теплового розширення. Вільний кінець байонетної трубки ковзає аксіально в оболонці або зовнішній оболонці, коли PTFE розширюється та стискається. Потреба в компенсаторі, плаваючій головці або унікальному підборі матеріалу відпадає. Багнетна форма особливо приваблива для застосувань, пов’язаних із великими коливаннями температури або частими термоциклами.

Доступ для обслуговування та можливість видалення пакетів
Байонетна конструкція має значну механічну перевагу, оскільки весь пучок труб можна вийняти з теплообмінника, не порушуючи труб-з боку корпусу. Пучок вставляється в корпус одним кінцем і утримується на місці одним фланцем або трубною решеткою. Щоб зняти комплект для очищення, перевірки або заміни:

Вхідна/вихідна труба з боку труби від’єднана.

Зніміть фланцеві болти пучка.

Пучок витягується з оболонки в осьовому напрямку.

Оболонка знаходиться на місці, а всі-трубопроводи з боку оболонки (включаючи сопла, прокладки та з’єднувачі) неушкоджені.

У конструкції з фіксованою трубною решеткою видалення пучка труб набагато складніше. Необхідно відкрити два кінці кожуха, і може знадобитися від'єднати бічні патрубки кожуха або зняти весь теплообмінник з лінії. Це може бути великим проектом для великих обмінників у завантажених місцях.

Для послуг, де необхідне регулярне очищення (наприклад, ванни, схильні до забруднення-поверхневої обробки), легкість видалення пучка в байонетному теплообміннику є вирішальною перевагою. Щоб витягнути, очистити та повернути в’язку багнетів, потрібно всього кілька годин; фіксований пучок трубних решіток може означати цілий день або більше простою.

Теплові проблеми з продуктивністю
Конструкція байонетного кріплення має компроміс із-тепловими характеристиками. Кільцевий шлях потоку (рідина, що тече у внутрішній трубі та назад через кільцевий простір) створює ефект подвійної -труби. Є дві причини, чому загальний коефіцієнт теплопередачі є дещо нижчим, ніж у порівнянної протитечії з нерухомою трубною решеткою:

Зменшена ефективна різниця температур - Схема потоку є не чистою протитечією, а сумішшю протитечії та паралельного потоку, що зменшує логарифм середньої різниці температур (LMTD).

Нижча швидкість на стороні кільця - За однакової загальної швидкості потоку кільцевий зазор може мати нижчу швидкість, ніж одна труба, і це впливає на коефіцієнт плівки.

Однак це зменшення часто невелике (10-20%) і часто протидіє можливості використання довших труб (оскільки теплове розширення не є обмежуючим фактором) і роботи на більших швидкостях з боку корпусу. У багатьох застосуваннях обробки поверхонь переваги зручності обслуговування значно переважують невеликий недолік ефективності.

Матеріали та конструкція
Байонетні теплообмінники популярні для конструкцій з графіту та PTFE, оскільки вони крихкі або повзуть під напругою, а ці матеріали мають значне теплове розширення. Багнетний дизайн працює з якостями матеріалу, а не проти них.

У байонетних теплообмінниках з PTFE внутрішня та зовнішня труби зазвичай виготовляються з PTFE або PFA (перфторалкокси). Герметичний кінець виготовляється шляхом зварювання або термічного сплавлення двох труб разом. Вільний кінець відкритий, а внутрішня трубка проходить через трубну решетку або наконечник. Зовнішня труба герметично прилягає до трубної решетки прокладкою з ПТФЕ або ущільнювальним кільцем, що забезпечує осьове ковзання та запобігає витоку.

Слід зазначити, що вільний кінець байонетної трубки необхідно тримати, щоб уникнути вібрації. У довгих байонетних трубах (наприклад, . 3-5 м) проміжні опорні кільця або перегородки використовуються всередині оболонки, щоб направляти зовнішню трубу, не перешкоджаючи осьовому руху. Без цієї опори вібрація-, викликана потоком, може спричинити фреттинг-знос і передчасний вихід з ладу.

Порівняльна таблиця: Байонет і фіксована трубна дошка PTFE Теплообмінник Характеристика байонетного типу Тефлоновий теплообмінник Фіксована трубна дошка PTFE Кріплення трубки теплообмінникаОдин кінець фіксований, інший кінець вільно рухається Обидва кінці прикріплені до трубних дошок
Теплове розширення вбудоване – слайди з вільних кінців; компенсатор не потрібен Потрібна плаваюча головка, компенсатор або дуже короткі труби
Можливість знімання пучка Легко витягнути пучок з одного кінця, не руйнуючи трубопровід оболонки Складно потребує розбирання обох кінців Часто передбачає видалення теплообмінника з лінії
Форсунки в ShellCan залишаються прикріпленими під час видалення пучка. Обмінник потрібно від'єднати або перемістити
З’єднання збоку трубки Вхід і вихід на одному кінці Вхід і вихід на протилежних кінцях (зазвичай)
Шлях потоку всередину та вихід через концентричні труби (ефект подвійної-трубки)Прямий (один прохід) або багато-прохідний із зворотним кожухом
Теплова ефективність Трохи знижена (коригувальний коефіцієнт LMTD 0,85–0,95) Вища (може отримати реальний протипотік)
Середній Макс. Довжина труби Термічне навантаження обмежене транспортуванням і вібрацією Обмежується тепловим розширенням (зазвичай 1,5–2,5 м для PTFE без компенсатора)
Стійкість до забруднення Добре, пучок можна від’єднати для чищення Задовільно – очищення вимагає додаткового часу без роботи
Ціна для невеликих одиниць. Помірна - одинарна трубна дошка, без компенсатора Нижня - Простіша збірка для коротких труб
Вартість великих/довгих блоків Нижча – немає потреби у дорогих компенсаторах Вища – плаваюча головка або компенсатор збільшують вартість
Практичне використання байонетних PTFE теплообмінників
У хімічній обробці та обробці поверхонь байонетний дизайн є кращим для ряду спеціалізованих випадків:

Важкий термоцикл - Пакетні процедури з кількома циклами нагрівання та охолодження теплообмінника щодня. Вільно-розсувні байонетні труби дозволяють їздити без напруги.

Послуги з утворення забруднень - Ванни, які залишають накип, мул або органічні покриття на поверхні теплопередачі. Важливо мати можливість регулярно витягувати пучок для механічного або хімічного очищення.

Агресивні кислотні середовища, які потребують PTFE - PTFE хімічно інертний і призначений для агресивних кислот (наприклад, соляної, сірчаної, фтористоводневої). Байонетний дизайн зменшує кількість ущільнень і потенційних місць витоку з боку трубки.

Обмежений простір для доступу - Якщо обмінник потрібно побудувати в ямі, біля стіни або в місці, де неможливо отримати доступ до обох кінців. Багнетний обмінник обслуговується лише з одного боку.

Модернізація установок - Заміна існуючого стаціонарного трубного теплообмінника з проблемами термічної втоми Основну причину цих несправностей усуває байонетна конструкція.

Навпаки, системи з фіксованою трубною решеткою все ще конкурують за:

Невеликі короткі теплообмінники (довжина труби < 1,5 м), коли теплове розширення не є проблемою.

Застосування без термоциклування. Дуже чисті рідини.

Коли чистий протитечій необхідний для максимізації LMTD (наприклад, рекуперація тепла з близьким підходом до температури).

Проекти з обмеженим бюджетом, головною рушійною силою яких є найнижча початкова вартість.

Рекомендації щодо встановлення та експлуатації
Існує ряд практичних аспектів, які слід брати до уваги при виборі байонетного PTFE теплообмінника.

Підтримка вільного кінця Вільний кінець байонетної трубки слід підтримувати, але не щільно закріплювати. Контакт -з-ПТФЕ запобігає за допомогою зносостійких втулок із ПТФЕ або кілець із низьким{3}}тертям.

Конструкція ущільнення - Ковзне ущільнення для входу зовнішньої труби в трубну решетку має забезпечувати осьовий рух без витоку. Звичайними є ущільнювачі з ПТФЕ або ущільнювальні кільця з пружинними активаторами.

Розподіл потоку - Переконайтеся, що кільцевий зазор достатньо великий, щоб уникнути надмірного зниження тиску. Зазор зазвичай становить 2-5 мм, залежно від діаметра труби та швидкості потоку.

Вібрація труб - Перегородки або опорні пластини слід розташовувати з інтервалом 0,5–1,0 метра, щоб уникнути вихрової-вібрації. Опори повинні забезпечувати осьове ковзання.

Зауважте також, що байонетні теплообмінники можуть бути встановлені в численних кількостях в одному корпусі. Багато-байонетна конструкція використовує велику кількість байонетних труб у тандемі, усі з’єднані в одній трубній решетці. Таке розташування забезпечує велику площу для передачі тепла та доступ для обслуговування лише з одного боку.

Висновок