Kakšne so relativne prednosti enoprehodnih-in več{1}}prehodnih PTFE toplotnih izmenjevalcev?

V ohišju-in-cevnem izmenjevalniku iz PTFE lahko tekočina-na strani cevi enkrat preide od vhoda do izhoda ali pa se lahko večkrat ponovno -kroži skozi snop. Število prehodov določa hitrost tekočine, učinkovitost prenosa toplote in potrebno moč črpanja. Pogosto je poudarek na maksimiziranju koeficienta prenosa toplote-na strani cevi, ker ima PTFE v bistvu nizko toplotno prevodnost (približno 0,25 W/m·K). Vendar pa izbira eno-ali več{10}}prehodne zasnove ni trivialna-gre za zavestno kompromis-med povečanjem prenosa toplote in kaznijo zaradi padca tlaka.

Pojasnjena ureditev podzemne vozovnice
Število prehodov cevi je število pretokov tekočine skozi cevi po dolžini izmenjevalnika. Prehodi so proizvedeni z namestitvijo delilnikov (predelnih sten) v kanal ali pokrov na enem ali obeh koncih izmenjevalnika. Ti delilniki omogočajo, da tekočina teče le skozi nekatere cevi, preden se obrne in teče v drugi niz cevi.

Konstrukcija z-enim prehodom
V eno-prehodnem (1-prehodnem) izmenjevalniku tekočina na strani cevi vstopi v kanal na enem koncu, teče neposredno skozi vse cevi vzporedno in izstopa na nasprotnem koncu. Notranjih sten ni. To je najbolj preprosta zasnova toka.

Več{0}}prehodna zasnova (2 prehoda, 4 prehodi itd.)
Pri več-razporeditvi tekočina večkrat preide skozi snop cevi. Na primer, pri 2-prehodnem izmenjevalniku je dovodni kanal ločen na dva dela. Tekočina se vnese v en del, preide skozi polovico cevi do oddaljenega konca, spremeni smer v povratnem pokrovu, gre nazaj skozi preostale cevi in ​​zapusti drugi del kanala na vstopni strani. Pri 4-potnem izmenjevalniku se ta postopek ponovi dvakrat.

Število prehodov je vedno sodo, tako da so sesalne in izhodne šobe na istem koncu izmenjevalnika, kar poenostavlja cevne povezave.

Glavne razlike v toplotno-hidravličnem obnašanju
Na izbiro enoprehodne ali večprehodne zasnove PTFE toplotnega izmenjevalnika vpliva vpliv na hitrost tekočine, koeficient toplotnega prenosa, padec tlaka in logaritem srednje temperaturne razlike (LMTD).

Koeficient toplotnega prehoda in hitrost tekočine
Hitrost tekočine v vsaki cevi je funkcija števila cevi, ki se uporabljajo za vsak prehod za določen skupni pretok ob strani cevi. Pri zasnovi z enim prehodom so vse cevi aktivne hkrati. Razpoložljiva površina pretoka je vsota površin pretoka vseh cevi. Zato je hitrost precej majhna, razen če je skupni pretok velik.

Pri -večprehodni zasnovi se enak skupni pretok vodi skozi vsak prehod z uporabo le delčka cevi. V 2-prehodnem izmenjevalniku z dvema enakima skupinama cevi vsak prehod vsebuje polovico vseh cevi. Hitrost v vsaki cevi se podvoji glede na scenarij z enim prehodom (za enako skupno stopnjo pretoka). Hitrost se štirikrat poveča s konfiguracijo 4 prehodov.

Koeficient konvekcijskega prenosa toplote narašča s povečanjem Reynoldsovega števila na strani cevi zaradi povečanja hitrosti. Omejujoča ovira za prenos toplote je pogosto film tekočine na strani-cevi (ne glede na to, ali je tekočina na strani-ohišja kondenzacijska para ali tekočina z visoko-prevodnostjo). Ker imajo PTFE cevi že tako slabo toplotno prevodnost, lahko povečanje stranske hitrosti cevi močno poveča skupni koeficient prenosa toplote.

Učinki padca tlaka
Stroški višje hitrosti: padec tlaka narašča s kvadratom hitrosti (približno). Za 2-prehodno zasnovo je padec tlaka na strani cevi približno 4-krat večji od zasnove z enim prehodom (hitrost dvakrat + dodatne izgube v povratnem pokrovu). Za 4-prehodno zasnovo je lahko padec tlaka 16-krat večji, plus velike izgube v obračalnih komorah.

V praksi je število uporabljenih prehodov na splošno omejeno z razpoložljivo močjo črpanja ali dovoljeno izgubo tlaka v procesnem vodu. Običajna razporeditev toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE je 2-- ali 4--prehod. Če je tekočina na strani cevi tekočina z zmerno viskoznostjo in ima črpalka zadostno višino, imajo enoprehodne izvedbe prednost s tekočino na strani plinske cevi (kjer postane padec tlaka pomembnejši) ali z že visokim pretokom.

Popravek logaritemske srednje temperaturne razlike (LMTD)
Ena glavna razlika je v tem, da več{0}}prehodni sistemi niso čisti protitočni sistemi, kar zmanjšuje efektivno temperaturno gonilno silo. LMTD je najvišji v enoprehodnem izmenjevalniku z razporeditvijo protitoka (tekočina na strani cevi v nasprotni smeri od tekočine na strani lupine). V več-prehodnem izmenjevalniku je vzorec toka blizu mešanega ali navzkrižnega toka in korekcijski faktor (včasih imenovan F) se uporabi za protitočni LMTD.

Pri 2-prehodnem izmenjevalniku je korekcijski faktor LMTD običajno v območju od 0,95 do 0,99 za večino delovnih situacij - majhno zmanjšanje. Za 4-prehodne izmenjevalnike je lahko faktor tako nizek kot 0,90-0,95. Pri visokotemperaturnih navzkrižnih aplikacijah (kjer sta vstopni in izstopni temperaturi zelo blizu) je lahko korekcijski faktor bistveno nižji od 1, saj so lahko prednosti višje hitrosti izničene. Tako so zasnove z več prehodi najuspešnejše za skromne spremembe temperature na strani cevi.

Pomen PTFE izmenjevalnika toplote
Ker ima PTFE nizko toplotno prevodnost, je odpornost filma-na strani cevi pogosto prevladujoča za celoten prenos toplote. Zato je eden od pomembnih ciljev načrtovanja izboljšanje koeficienta strani-cevi. Več{4}}zasnove z več prehodi to dosežejo, ne da bi potrebovali večji skupni pretok iz črpalke naprave, zaradi česar so zaželeni za naknadno vgradnjo ali kjer je pretok fiksen.

Vendar je PTFE cev mehansko mehka in lahko vibrira pri visokih hitrostih pretoka. Prekomerna hitrost lahko povzroči plapolanje cevi in ​​povzroči poškodbe lokov ali cevnih plošč. Za PTFE cevi so tipične priporočene stranske hitrosti cevi od 0,5 do 2,0 m/s (1,6 do 6,6 ft/s). Zasnova z več- prehodi, ki poveča hitrost z 0,5 m/s na 1,0 m/s, je dobra, vendar lahko povečanje na 3,0 m/s povzroči mehanske težave. Število prehodov je treba izbrati tako, da ohranja hitrost v območju, ki ga določi proizvajalec.

Poleg tega je treba prednosti prenosa toplote uravnotežiti s stroški črpanja. Procesna črpalka je že na voljo za kroženje rezervoarja. Padec tlaka več-izmenjevalnika PTFE je lahko sprejemljiv v številnih postopkih končne obdelave površin. Druga možnost je, da lahko zasnova z enim prehodom z večjo lupino (več vzporednih cevi) doseže isto funkcijo pri nižjem padcu tlaka, vendar višjih stroških kapitala.

Primerjalna tabela: enoprehodni-prehodni in več{1}}prehodni PTFE toplotni izmenjevalniki
Naslednja tabela prikazuje značilne statistične podatke o delovanju za fiksno skupno stopnjo pretoka na-strani cevi in ​​fiksno površino prenosa toplote. Vrednote so reprezentativne; dejanska zmogljivost bo odvisna od podrobnosti o velikosti in lastnostih tekočine.

Število prehodov cevi Relativna hitrost cevi* Relativna stran-Koeficient toplotnega prehoda** Relativni padec tlaka (na strani cevi) Območje korekcijskega faktorja LMTD Tipične aplikacije
1 (en-prehod) 1,0 (osnovna linija) 1,0 (osnovna linija) 1,0 (osnovna linija) 1,00 (možen čisti protitok) Tekočine z visokim pretokom; plini; sistemi z nizkim padcem tlaka
2 (Dva-prehoda) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Dobro ravnovesje Najpogostejši za izmenjevalce tekočine iz PTFE
4 (štiri-prehod) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Zahtevane so tekočine z visoko viskoznostjo ali izjemno visoka vrednost U-; preverite stroške črpanja
6 ali 8 Prehod 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Redko; samo s tekočinami z nizko viskoznostjo in visoko dovoljeno hitrostjo ΔP glede na zasnovo z enim prehodom z enakim številom cevi in ​​pretokom. Ocenjeno za turbulentni ali prehodni tok. Dejansko izboljšanje je odvisno od eksponenta Reynoldsovega števila (običajno h ~ v^0,8 za turbulenten tok).

Praktični premisleki pri površinski obdelavi
Pri mnogih aplikacijah za končno obdelavo površin (prevleka, eloksiranje, dekapiranje) je tekočina na strani cevi pogosto sama procesna kopel, kisla ali alkalna raztopina, ki vsebuje suspendirane delce ali raztopljene kovine. Uporabljajo se naslednje praktične smernice:

Kroženje kopeli z visokim pretokom za mešanje ali filtracijo v posodi je pogosto primer za eno-zasnove. V takih okoliščinah je lahko hitrost že zadostna in več prehodov bi samo povečalo padec tlaka brez ustreznega povečanja prenosa toplote.

Dvoprehodna zasnova je najpogosteje uporabljena zasnova toplotnega izmenjevalnika PTFE za linije za prevleko skromne velikosti. Prenos toplote se znatno poveča, medtem ko se padec tlaka ohranja v mejah običajnih centrifugalnih črpalk (običajno 1–3 bare izgube).

Štiri{0}}prehodne izvedbe se uporabljajo, kadar je razpoložljiva površina za prenos toplote omejena (na primer naknadno vgrajen izmenjevalnik, ki mora ustrezati obstoječemu prostoru) in ima črpalka rezervno glavo. Uporabljajo se tudi za segrevanje viskoznih tekočin, kot je koncentrirana fosforna kislina ali druge kemične procesne kopeli.

Omenjeno je tudi, da na optimalno število prehodov cevi vpliva stran-razporeditve lupine. Če je tekočina na -strani ohišja kondenzacija pare (ki ima zelo visok koeficient prenosa toplote), prevladuje upor na-strani cevi in ​​več-zasnove so zelo ugodne. Če je tekočina na strani ohišja hladilna voda z nizkim koeficientom, izboljšanje samo na strani cevi morda ne bo prineslo bistvene splošne koristi.

Primer zasnove: koliko vstopnic izbrati
Razmislite o izmenjevalniku toplote iz PTFE, ki ogreva kopel za nikljanje s 55 °C na 60 °C s paro na strani ohišja. Zahtevana toplotna moč je 100 kW. Obtočna črpalka lahko skozi izmenjevalnik kroži tekočino za kopel 30 m3/h. Predhodna zasnova z enim prehodom z 200 cevmi z notranjim premerom 6 mm ima za posledico stransko hitrost cevi 0,5 m/s, padec tlaka 0,3 bara in izračunani skupni koeficient toplotnega prenosa (U) 200 W/m2.K. Potrebna površina je 12 m².

2-prehodna zasnova (100 cevi/prehod) podvoji hitrost na 1,0 m/s. Koeficient strani cevi se poveča za skoraj 40 %, kar daje U 260 W/m2K. potrebna površina se zmanjša na 9,2 m2 (manjši, cenejši izmenjevalec). Izguba tlaka se poveča na približno 1,2 bara, kar je še vedno znotraj zmogljivosti črpalke. Zasnova z dvema prehodoma je vsekakor boljša.

Pri 4-prehodni konfiguraciji (50 cevi na vsak prehod) je hitrost 2,0 m/s in U se poveča na približno 300 W/m2.K. Zahtevana površina 8 m2 Vendar pa postane padec tlaka približno 5 barov, kar je lahko večje od višine črpalke ali povzroči visoko porabo energije. Prilagoditveni faktor za LMTD je 0,93, kar nekoliko zmanjša dejansko pogonsko silo. V tem scenariju je idealen kompromis zasnova z dvema prehodoma.

Končne besede