Mitkä ovat kerta--- ja monikierros-PTFE-lämmönvaihtimien suhteelliset edut?

PTFE-kuoren-ja-putkenvaihtimessa putken-puoleinen neste voi kulkea tuloaukosta ulostuloon kerran tai se voidaan kierrättää uudelleen-nipun läpi useita kertoja. Ajokertojen määrä määrittää nesteen nopeuden, lämmönsiirtotehon ja tarvittavan pumppaustehon. Usein keskitytään maksimoimaan putken{6}puolen lämmönsiirtokerroin, koska PTFE:llä on luonnostaan ​​alhainen lämmönjohtavuus (noin 0,25 W/m·K). Yhden-käytävän tai usean{10}}kierroksen suunnittelu ei kuitenkaan ole triviaalia-se on tietoinen-kauppa lämmönsiirron lisääntymisen ja paineen laskun välillä.

Tube Pass -järjestelyt selitetty
Putken läpikulkujen lukumäärä on kuinka monta kertaa putkien läpi kulkeva neste virtaa vaihtimen pituuden yli. Läpiviennit tuotetaan sijoittamalla jakajat (läpiväliseinät) kanavaan tai konepelliin vaihtimen toiseen tai molempiin päihin. Nämä jakajat sallivat nesteen virrata vain joidenkin putkien läpi, ennen kuin se kääntyy ja virtaa toiseen putkisarjaan.

Yhden{0}}passin rakentaminen
Yhden -kierron (1-pass) vaihtimessa putken puoleinen neste tulee kanavaan toisesta päästä, kulkee suoraan kaikkien putkien läpi rinnakkain ja poistuu toisesta päästä. Sisäseiniä ei ole. Tämä on yksinkertaisin virtaussuunnittelu.

Multi-Pass-suunnittelu (2 Pass, 4 Pass jne.)
Monivirtaisessa järjestelyssä neste kulkee putkikimpun läpi useita kertoja. Esimerkiksi 2-päästövaihtimella sisäänvirtauskanava on jaettu kahteen osaan. Neste johdetaan yhteen osaan, kulkee puolet putkista etäpäähän, muuttaa suuntaa paluukannessa, kulkee takaisin muiden putkien läpi ja poistuu tulopuolen kanavan toisesta osasta. 4-vaiheisessa vaihtimessa tämä toimenpide toistetaan kahdesti.

Kulkujen määrä on aina parillinen niin, että imu- ja lähtösuuttimet ovat vaihtimen samassa päässä, mikä yksinkertaistaa putkiliitäntöjä.

Tärkeimmät erot lämpö{0}}hydraulisessa käyttäytymisessä
Yksivaiheisen tai monivaiheisen PTFE-lämmönvaihtimen suunnittelun valintaan vaikuttavat vaikutus nesteen nopeuteen, lämmönsiirtokertoimeen, painehäviöön ja keskimääräiseen lämpötilaeroon (LMTD).

Lämmönsiirtokerroin ja nesteen nopeus
Nesteen nopeus kussakin putkessa on funktio putkien lukumäärästä, joita käytetään kullekin läpikäynnille tietyllä putken puolen kokonaisvirtausnopeudella. Yhden kierron suunnittelussa kaikki putket ovat aktiivisia samanaikaisesti. Käytettävissä oleva virtausalue on kaikkien putkien virtauspintojen summa. Siksi nopeus on melko pieni, ellei kokonaisvirtausnopeus ole suuri.

Usean{0}}putken suunnittelussa sama kokonaisvirtaus ajetaan läpi kulkua kohti käyttämällä vain murto-osaa putkista. 2--vaihtimessa, jossa on kaksi identtistä putkiryhmää, jokainen putki sisältää puolet putkien kokonaismäärästä. Nopeus kussakin putkessa kaksinkertaistuu yhden kierron skenaarioon verrattuna (samalla kokonaisvirtausnopeudella). Nopeus nelinkertaistuu 4-kierroksella.

Konvektiivinen lämmönsiirtokerroin kasvaa putken puolen Reynolds-luvun kasvaessa nopeuden kasvaessa. Lämmönsiirron rajoittava este on usein putken-puoleinen nestekalvo (onko kuoren-puoleinen neste kondensoivaa höyryä vai korkean-johtavuuden nestettä). Koska PTFE-putkien lämmönjohtavuus on jo huono, putken sivunopeuden lisääminen voi parantaa huomattavasti yleistä lämmönsiirtokerrointa.

Painehäviön vaikutukset
Suuremmat nopeuskustannukset: Painehäviö kasvaa nopeuden neliön myötä (karkeasti). 2-putkella putken puoleinen painehäviö on noin 4 kertaa suurempi kuin yhden kierron mallissa (nopeus kaksi kertaa + lisähäviöt paluukoneessa). 4-kierrosmallissa painehäviö voi olla 16 kertaa suurempi, ja lisäksi suuret häviöt peruutuskammioissa.

Käytännössä käytettävien läpikulkujen määrää rajoittaa yleensä käytettävissä oleva pumppausteho tai prosessilinjan sallittu painehäviö. Tavallinen PTFE-lämmönvaihtimien järjestely on 2-pass tai 4-pass. Jos putken puoleinen neste on kohtalaisen viskositeetin nestettä ja pumpussa on tarpeeksi nostokorkeutta, suositaan Single-pass-malleja kaasuputken puoleisella nesteellä (jossa painehäviö tulee tärkeämmäksi) tai jo ennestään suurella virtausnopeudella.

Log Mean Temperature Difference (LMTD) -korjaus
Yksi suuri ero on se, että monipäästöjärjestelmät eivät ole pelkkää vastavirtausta, mikä vähentää lämpötilan tehokasta käyttövoimaa. LMTD on korkein yksivaiheisessa vaihtimessa, jossa on vastavirtausjärjestely (putken puoleinen neste vastakkaiseen suuntaan kuin vaippapuolen neste). Monipäästövaihtimessa virtauskuvio on lähellä sekoitettua tai ristivirtausta, ja vastavirta-LMTD:hen sovelletaan korjauskerrointa (jota joskus kutsutaan nimellä F).

2-päästövaihtimen LMTD-korjauskerroin on tavallisesti alueella 0,95-0,99 useimmissa käyttötilanteissa - pieni vähennys. 4-vaiheisten vaihtimien tapauksessa kerroin voi olla niinkin alhainen kuin 0,90-0,95. Korkean lämpötilan ristikkäissovelluksissa (joissa imu- ja lähtölämpötilat ovat hyvin lähellä) korjauskerroin voi olla huomattavasti pienempi kuin 1, koska suuremman nopeuden edut voidaan mitätöidä. Siten monivaiheiset mallit ovat menestyneimpiä vaatimattomassa lämpötilan muutoksessa putken puolella.

PTFE-lämmönvaihtimen merkitys
Koska PTFE:llä on alhainen lämmönjohtavuus, putken{0}}sivukalvon vastus on usein hallitseva tekijä lämmönsiirrossa. Tästä syystä yksi tärkeimmistä suunnittelutavoitteista on parantaa putken-sivukerrointa. Monivirtausmalleilla saavutetaan tämä ilman, että laitoksen pumpusta vaaditaan suurempaa kokonaisvirtausta, mikä tekee niistä toivottavia jälkiasennuksissa tai silloin, kun virtausnopeus on kiinteä.

PTFE-letku on kuitenkin mekaanisesti pehmeää ja voi täristä suurilla virtausnopeuksilla. Liiallinen nopeus voi aiheuttaa putken lepatusta ja aiheuttaa hankauksia välilevyjä tai putkilevyjä vastaan. PTFE-putkille tyypilliset ehdotetut putken sivunopeudet ovat 0,5–2,0 m/s (1,6–6,6 jalkaa/s). Monipäästörakenne, joka lisää nopeutta 0,5 m/s:sta 1,0 m/s:iin, on hyvä, mutta sen nostaminen 3,0 m/s:iin voi aiheuttaa mekaanisia ongelmia. Ajokertojen määrä tulee valita niin, että nopeus pysyy valmistajan määrittelemällä alueella.

Myös lämmönsiirron edut tulee tasapainottaa pumppauskustannuksia vastaan. Säiliön kierrätykseen on jo saatavilla prosessipumppu. Monivaiheisen PTFE-vaihtimen painehäviö voi olla hyväksyttävä monissa pinnan viimeistelyprosesseissa. Vaihtoehtoisesti yhden kierron malli, jossa on suurempi kuori (enemmän putkia rinnakkain), voi suorittaa saman toiminnon pienemmällä painehäviöllä mutta korkeammilla pääomakustannuksilla.

Vertailutaulukko: yksi-lämpö vs. monipäästöiset-PTFE-lämmönvaihtimet
Seuraavassa taulukossa esitetään tyypilliset suorituskykytilastot kiinteälle putken kokonais-sivuvirtausnopeudelle ja kiinteälle lämmönsiirtoalueelle. Arvot ovat edustavia; Todellinen suorituskyky riippuu koon ja nesteen ominaisuuksien yksityiskohdista.

Putken läpikulkujen määrä Suhteellinen putken nopeus* Suhteellinen putki-Sivun lämmönsiirtokerroin** Suhteellinen painehäviö (putken puoli) LMTD-korjauskertoimen alue Tyypilliset sovellukset
1 (Single-Pass) 1,0 (perustaso) 1,0 (perustaso) 1,0 (perustaso) 1,00 (puhdas vastavirtaus mahdollinen)Suuri virtausnopeus nesteet; kaasut; matalapaineen pudotusjärjestelmät
2 (kaksi-hyväksyntää) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Hyvä tasapaino Yleisin PTFE-nesteenvaihtimissa
4 (Four-Pass) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Vaaditaan korkean viskositeetin nesteitä tai erittäin korkeaa U--arvoa; tarkista pumppauskustannukset
6 tai 8 läpäisee 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Harvinainen; vain alhaisen viskositeetin nesteillä ja korkealla sallitulla ΔP-nopeudella verrattuna kertakierrosmalliin, jossa on sama määrä putkia ja virtausnopeus. Arvioitu turbulenttiselle tai siirtymävirtaukselle. Todellinen parannus riippuu Reynoldsin luvun eksponentista (yleensä h ~ v^0,8 turbulenttiselle virtaukselle).

Käytännön huomioita pinnan viimeistelyssä
Monissa pintakäsittelysovelluksissa (pinnoitus, anodisointi, peittaus) putken puolella oleva neste on usein itse prosessikylpy, happo- tai emäksinen liuos, joka sisältää suspendoituneita hiukkasia tai liuenneita metalleja. Seuraavia käytännön ohjeita sovelletaan:

Kylpyammeen suuret virtauskierrokset säiliön sekoittamista tai suodatusta varten aiheuttavat usein yhden kierron{0}}. Tällaisissa olosuhteissa nopeus voi olla jo riittävä ja useat kierrokset vain lisäisivät painehäviötä ilman vastaavaa lämmönsiirron lisääntymistä.

Kaksivaiheinen rakenne on eniten käytetty PTFE-lämmönvaihdin malli vaatimattomille pinnoituslinjoille. Lämmönsiirto paranee huomattavasti, kun painehäviö pysyy tavallisten keskipakopumppujen rajoissa (normaalisti 1-3 baarin häviö).

Neljää-virtausmallia käytetään, kun käytettävissä oleva lämmönsiirtoalue on rajoitettu (esimerkiksi jälkiasennettu vaihdin, jonka on sopia olemassa olevaan tilaan) ja pumpussa on varapää. Niitä käytetään myös viskoosien nesteiden, kuten väkevän fosforihapon tai muiden kemiallisten prosessikylpyjen lämmittämiseen.

Mainitaan myös, että optimaaliseen putken läpikulkujen määrään vaikuttaa kuoren -puolen asettelu. Jos kuoren-puoleinen neste on höyryn kondensaatiota (jolla on erittäin korkea lämmönsiirtokerroin), putken-sivuvastus hallitsee ja monivirtausmallit ovat erittäin edullisia. Jos vaipan puoleinen neste on pienikerroininen jäähdytysvesi, pelkkä putken puolen parantaminen ei välttämättä anna olennaista kokonaishyötyä.

Suunnitteluesimerkki: Kuinka monta korttia valita
Harkitse PTFE-lämmönvaihdinta, joka lämmittää nikkelipinnoituskylvyn 55 asteesta 60 celsiusasteeseen käyttämällä höyryä kuoren puolella. Tarvittava lämpöteho on 100 kW. Kiertopumppu voi kierrättää 30 m3/h kylpynestettä vaihtimen kautta. Alustava yksivaiheinen suunnittelu 200 putkella, joiden sisähalkaisija on 6 mm, johtaa putken sivunopeuteen 0,5 m/s, painehäviöön 0,3 bar ja laskennalliseen lämmönsiirtokerrokseen (U) 200 W/m2.K. Tarvittava pinta-ala on 12 m².

2-vaiheinen rakenne (100 putkea/ajo) kaksinkertaistaa nopeuden 1,0 m/s:iin. Putken puoleinen kerroin nousee lähes 40 %, jolloin U on 260 W/m2K. tarvittava pinta-ala pienenee 9,2 m2:iin (pienempi, halvempi vaihdin). Painehäviö kasvaa noin 1,2 baariin, joka on edelleen pumpun kapasiteetin sisällä. 2-pass-suunnittelu on varmasti parempi.

4-kierroksisessa konfiguraatiossa (50 putkea jokaisella läpimenolla) nopeus on 2,0 m/s ja U kasvaa noin 300 W/m2.K. Vaadittava pinta-ala 8 m2 Painehäviö on kuitenkin noin 5 bar, mikä voi olla suurempi kuin pumpun korkeus tai johtaa suureen energiankulutukseen. LMTD:n säätökerroin on 0,93, mikä pienentää jonkin verran todellista käyttövoimaa. Tässä skenaariossa ihanteellinen kompromissi on 2-vaiheinen suunnittelu.

Viimeiset sanat