Які відносні переваги однопрохідних-і багатопрохідних-конструкцій PTFE теплообмінників?

У теплообміннику-і-трубці з ПТФЕ рідина зі сторони-трубки може проходити від входу до виходу один раз або її можна -рециркулювати через пучок кілька разів. Кількість проходів визначає швидкість рідини, ефективність теплопередачі та необхідну потужність насоса. Часто основна увага приділяється максимізації коефіцієнта теплопередачі на стороні труби, оскільки PTFE має низьку теплопровідність (приблизно 0,25 Вт/м·K). Однак вибір одно-чи багато{10}}проекту не є тривіальним-це свідомий компроміс-між збільшенням теплопередачі та поразкою падіння тиску.

Пояснення щодо організації перепусток на метро
Кількість проходів трубки – це кількість проходжень рідини, що проходить через трубки, по довжині теплообмінника. Пропуски виробляються шляхом розміщення роздільників (прохідних перегородок) у каналі або кришці на одному або обох кінцях теплообмінника. Ці розділювачі дозволяють рідині протікати лише через деякі з труб, перш ніж повернути назад і влитися в інший набір труб.

Однопрохідна-конструкція
В одно-прохідному (1-прохідному) теплообміннику рідина з боку труби входить у канал на одному кінці, проходить безпосередньо через усі труби паралельно та виходить на протилежному кінці. Внутрішніх стін немає. Це найпростіша проточна конструкція.

Багато{0}}прохідна конструкція (2 проходи, 4 проходи тощо)
У багатоходовій системі рідина проходить через пучок труб кілька разів. Наприклад, у 2-теплообміннику вхідний канал розділений на дві частини. Рідина вводиться в одну частину, проходить через половину трубок до дальнього кінця, змінює напрямок у зворотній кришці, проходить назад через інші трубки та виходить із другої частини вхідного каналу. У 4-ходовому теплообміннику ця операція повторюється двічі.

Кількість проходів завжди є парною, так що впускні та вихідні патрубки знаходяться на одному кінці теплообмінника, що спрощує з’єднання труб.

Принципові відмінності в термо-гідравлічній поведінці
На вибір конструкції однопрохідного або багатоходового теплообмінника з ПТФЕ впливає вплив на швидкість рідини, коефіцієнт теплопередачі, перепад тиску та логарифм середньої різниці температур (LMTD).

Коефіцієнт тепловіддачі та швидкість рідини
Швидкість рідини в кожній трубі є функцією кількості труб, які використовуються для кожного проходу для певної загальної витрати з боку труби. У конструкції з одним проходом усі трубки активні одночасно. Доступна площа потоку є сумою площ потоку всіх трубок. Тому швидкість досить мала, якщо загальна швидкість потоку не велика.

У -багатоходовій конструкції однаковий загальний потік пропускається за один прохід, використовуючи лише частину труб. У 2-прохідному теплообміннику з двома ідентичними групами труб кожен прохід містить половину загальної кількості труб. Швидкість у кожній трубі подвоюється відносно однопрохідного сценарію (для тієї самої загальної швидкості потоку). Швидкість збільшується вчетверо завдяки 4-прохідній конфігурації.

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі зростає зі збільшенням числа Рейнольдса збоку труби внаслідок збільшення швидкості . Обмежувальною перешкодою для передачі тепла часто є рідинна плівка-з боку труби (незалежно від того, чи рідина з боку-оболонки є парою, що конденсується, або рідиною з високою-провідністю). Оскільки труби з PTFE вже мають низьку теплопровідність, збільшення бічної швидкості трубки може значно підвищити загальний коефіцієнт теплопередачі.

Наслідки перепаду тиску
Витрати на вищу швидкість: падіння тиску зростає разом із квадратом швидкості (приблизно). Для 2-проекту падіння тиску на стороні труби приблизно в 4 рази перевищує падіння тиску в однопрохідному дизайні (швидкість вдвічі + додаткові втрати в кришці повернення). Для 4-прохідної конструкції падіння тиску може бути в 16 разів більше, плюс великі втрати в реверсивних камерах.

На практиці кількість використовуваних проходів зазвичай обмежується доступною потужністю насоса або допустимою втратою тиску в технологічній лінії. Зазвичай теплообмінники з ПТФЕ мають 2- або 4-прохід. Якщо рідина на стороні труби є рідиною помірної в’язкості, а насос має достатній напор, перевагу надають однопрохідним конструкціям із рідиною на стороні газової труби (де падіння тиску стає більш важливим) або з вже високою витратою.

Корекція логарифмічної середньої різниці температур (LMTD)
Однією з головних відмінностей є те, що багатопрохідні-системи не є суто протитечійними, що зменшує рушійну силу ефективної температури. LMTD є найвищим в однопрохідному теплообміннику з протитечійним розташуванням (рідина на стороні труби протилежна стороні рідини на стороні оболонки). У багатоходовому теплообміннику схема потоку близька до змішаного або перехресного потоку, і до протитечії LMTD застосовується поправочний коефіцієнт (іноді його називають F).

Для 2-обмінника коригувальний коефіцієнт LMTD зазвичай лежить у діапазоні від 0,95 до 0,99 для більшості робочих ситуацій - невелике зниження. Для 4-ходових теплообмінників коефіцієнт може становити лише 0,90-0,95. Для високотемпературних перехресних застосувань (де температури на вході та на виході дуже близькі) поправочний коефіцієнт може бути значно нижчим за 1, оскільки переваги вищої швидкості можуть бути зведені нанівець. Таким чином, багатоходові конструкції найбільш вдалі для помірної зміни температури на стороні трубки.

Важливість PTFE теплообмінника
Оскільки PTFE має низьку теплопровідність, опір плівки-збоку труби часто є домінуючим для загальної теплопередачі. Отже, однією з важливих цілей проектування є покращення коефіцієнта сторони-трубки. Багато{4}}конструкції досягають цього, не вимагаючи більшого загального потоку від насоса установки, що робить їх бажаними для модернізації або там, де швидкість потоку фіксована.

Однак трубки з ПТФЕ механічно м’які і можуть вібрувати при високих швидкостях потоку. Надмірна швидкість може спричинити тремтіння труби та призвести до пошкодження перегородок або трубної решетки. Для PTFE трубок типові запропоновані бічні швидкості трубки становлять від 0,5 до 2,0 м/с (1,6–6,6 футів/с). Багатопрохідна конструкція, яка збільшує швидкість від 0,5 м/с до 1,0 м/с, є хорошою, але збільшення її до 3,0 м/с може спричинити механічні проблеми. Кількість проходів слід вибирати таким чином, щоб підтримувати швидкість у межах, визначених виробником.

Крім того, переваги теплопередачі слід збалансувати з вартістю перекачування. Для циркуляції в баку вже доступний технологічний насос. Падіння тиску в багатопрохідному теплообміннику з PTFE може бути прийнятним у багатьох процесах обробки поверхні. Як альтернатива, однопрохідна конструкція з більшою оболонкою (більше паралельних труб) може виконувати ту саму функцію за меншого падіння тиску, але вищих капітальних витрат.

Порівняльна таблиця: однопрохідні-та багатопрохідні-теплообмінники з PTFE
У наведеній нижче таблиці наведено типову статистику продуктивності для фіксованої загальної витрати -на стороні труби та фіксованої площі теплопередачі. Цінності репрезентативні; фактична продуктивність залежатиме від деталей розміру та характеристик рідини.

Кількість проходів труби Відносна швидкість труби* Відносний коефіцієнт теплопередачі-з боку труби** Відносний перепад тиску (з боку труби) Діапазон коригувального коефіцієнта LMTD Типові сфери застосування
1 (один-прохід) 1,0 (базова лінія) 1,0 (базова лінія) 1,0 (базова лінія) 1,00 (можливий чистий протитечій)Рідини з високою швидкістю потоку; гази; системи низького перепаду тиску
2 (Два-прохідні) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99хороший баланс Найбільш поширений для PTFE рідинних обмінників
4 (Чотири-проходи) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Необхідні рідини з високою в’язкістю або надзвичайно високе значення U-; перевірити вартість прокачування
6 або 8 Прохід 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Рідко; лише з рідинами з низькою в’язкістю та високою дозволеною швидкістю ΔP відносно однопрохідної конструкції з тією ж кількістю трубок і швидкістю потоку. Оцінюється для турбулентного або перехідного потоку. Справжнє покращення залежить від показника числа Рейнольдса (зазвичай h ~ v^0,8 для турбулентного потоку).

Практичні міркування в обробці поверхні
У багатьох застосуваннях обробки поверхонь (покриття, анодування, травлення) рідина на стороні труби часто є самою технологічною ванною, кислотним або лужним розчином, що містить зважені частинки або розчинені метали. Застосовуються такі практичні рекомендації:

Циркуляція ванни з високою швидкістю потоку для змішування або фільтрації в резервуарі часто призводить до однопрохідних-конструкцій. За таких обставин швидкість може бути вже достатньою, і більше проходів лише збільшить падіння тиску без відповідного збільшення тепловіддачі.

Двопрохідна конструкція є найбільш використовуваною конструкцією PTFE теплообмінника для невеликих ліній покриття. Теплопередача значно покращується, а перепад тиску підтримується в межах звичайних відцентрових насосів (зазвичай втрати 1–3 бар).

Чотири{0}}конструкції використовуються, коли доступна площа теплообміну обмежена (наприклад, модернізований теплообмінник, який має поміститися в наявний простір), а насос має запасну головку. Вони також використовуються для нагрівання в’язких рідин, таких як концентрована фосфорна кислота або інші хімічні ванни.

Також згадується, що оптимальна кількість проходів труби залежить від-компонування корпусу. Якщо рідина-з боку оболонки є конденсацією пари (яка має дуже високий коефіцієнт теплопередачі), опір-з боку труби домінує, і багато-проекти є дуже вигідними. Якщо рідина на стороні оболонки є водою з низьким коефіцієнтом охолодження, то вдосконалення лише сторони труби може не дати суттєвої загальної вигоди.

Приклад дизайну: скільки перепусток вибрати
Розглянемо тефлоновий теплообмінник, який нагріває ванну для нікелювання від 55 °C до 60 °C за допомогою пари на стороні корпусу. Необхідна теплова потужність становить 100 кВт. Циркуляційний насос може циркулювати рідину ванни 30 м3/год через теплообмінник. Попередня однопрохідна конструкція з 200 трубами з внутрішнім діаметром 6 мм призводить до бічної швидкості труби 0,5 м/с, падіння тиску 0,3 бар і розрахункового загального коефіцієнта теплопередачі (U) 200 Вт/м2.К. Необхідна площа 12 м².

2-прохідна конструкція (100 трубок/прохід) подвоює швидкість до 1,0 м/с. Коефіцієнт сторони трубки зростає майже на 40%, даючи U 260 Вт/м2K. необхідна площа зменшена до 9,2 м2 (менший, дешевший обмінник). Втрата тиску зростає приблизно до 1,2 бар, що все ще відповідає потужності насоса. 2-прохідна конструкція, звичайно, краща.

Для 4-прохідної конфігурації (50 трубок за кожен прохід) швидкість становить 2,0 м/с, а U збільшується приблизно до 300 Вт/м2.K. Необхідна площа 8 м2 Однак падіння тиску становить приблизно 5 бар, що може бути більше, ніж напор насоса, або призвести до високого споживання енергії. Коефіцієнт регулювання для LMTD становить 0,93, що дещо зменшує фактичну рушійну силу. У цьому сценарії ідеальним компромісом є 2-прохідний дизайн.

Заключні слова