В PTFE обвивка-и-тръбен топлообменник течността от страната на-тръбата може да направи едно пътуване от входа до изхода или може да бъде пренасочена назад и напред през пакета многократно. Броят на преминаванията влияе върху скоростта на флуида, ефективността на топлопреноса и необходимата мощност на изпомпване. Тъй като PTFE има присъща ниска топлопроводимост (приблизително 0,25 W/m·K), максимизирането на коефициента на топлопреминаване на тръбата -често е приоритет. И все пак изборът между еднопроходен-и многопроходен-дизайн не е лесен-той включва умишлен компромис-между подобряването на топлопреминаването и наказанието за намаляване на налягането.
Разбиране на договореностите за преминаване на метрото
Броят на преминаванията на тръбата се отнася до това колко пъти течността, преминаваща през тръбите, пресича дължината на топлообменника. Пропуските се създават чрез инсталиране на разделители (пропускни прегради) в канала или капака в единия или двата края на топлообменника. Тези разделители принуждават течността да тече само през част от тръбите, преди да обърне посоката и да влезе в друг комплект тръби.
Дизайн за-единично преминаване
В едно-проходен (1-проходен) обменник течността от страната на тръбата навлиза в канала в единия край, тече направо през всички успоредни тръби и излиза в противоположния край. Не се използват вътрешни разделители. Това е най-простата конфигурация на потока.
Много{0}}дизайн за преминаване (2-паса, 4-паса и т.н.)
При много{0}}дизайн флуидът прави множество обиколки през тръбния сноп. Например, в 2-обменник входният канал е разделен на две секции. Течността навлиза в една секция, преминава през половината тръби до далечния край, обръща посоката в обратен капак, тече обратно през останалите тръби и излиза от втората секция на канала от страната на входа. В 4-ходов обменник процесът се повтаря два пъти.
Броят на преминаванията винаги е четен, за да поддържате входните и изходните дюзи на един и същи край на топлообменника, което опростява тръбните връзки.
Основни разлики в термичните-хидравлични характеристики
Решението между аеднопроходен срещу многопроходен PTFE топлообменникдизайнът зависи от това как се влияят скоростта на течността, коефициентът на топлопреминаване, спадът на налягането и логаритмичната средна температурна разлика (LMTD).
Скорост на флуида и коефициент на топлопреминаване
За даден общ дебит отстрани на -тръбата, скоростта на флуида във всяка тръба се определя от броя на тръбите, активни при всяко преминаване. При еднопроходен-проект всички тръби са активни едновременно. Площта на напречното-сечение за поток е общата площ на потока на всички тръби. Следователно скоростта е относително ниска, освен ако общият дебит не е висок.
При много{0}}дизайн един и същ общ поток преминава само през част от тръбите на преминаване. За 2-обменник с две равни тръбни групи, всеки проход съдържа половината от всички тръби. Скоростта във всяка тръба се удвоява в сравнение със случая с едно преминаване (за същия общ дебит). За 4-ходов дизайн, скоростта се учетворява.
По-високата скорост увеличава числото на Рейнолдс-от страната на тръбата, което от своя страна повишава коефициента на конвективен топлопренос. Тъй като PTFE тръбите вече имат ниска топлопроводимост, ограничаващото съпротивление на пренос на топлина често е върху флуидния филм-от страната на тръбата (ако течността от страната-на корпуса е кондензираща пара или течност с висока-проводимост). Увеличаването на скоростта -от страната на тръбата може значително да подобри общия коефициент на топлопреминаване.
Последици от падане на налягането
По-високата скорост има цена: спадът на налягането се увеличава с квадрата на скоростта (приблизително). За 2-дизайн, падът на налягането от страната на тръбата- е приблизително четири пъти по-голям от този при еднопроходен дизайн (удвоена скорост, плюс допълнителни загуби във връщащия капак). За 4-ходова конструкция спадът на налягането може да бъде 16 пъти по-висок, плюс значителни загуби в реверсивните камери.
На практика наличната изпомпваща мощност или допустимият спад на налягането в технологичния тръбопровод често ограничават колко прохода могат да бъдат използвани. Обща конфигурация за PTFE топлообменници е 2-проход или 4-проход, когато течността от страната на тръбата- е течност с умерен вискозитет и помпата има достатъчен напор. Еднопроходните конструкции са предпочитани, когато течността от страната на тръбата е газ (където спадът на налягането е по-критичен) или когато дебитът вече е висок.
Корекция на логаритмичната средна температурна разлика (LMTD).
Важна тънкост е, че много{0}}дизайните се отклоняват от чисто противотока, намалявайки движещата сила на ефективната температура. В еднопроходен-обменник с устройство за противоток (флуид от страната на -тръбата, противоположна на посоката на течността от страната на корпуса-), LMTD е на своя максимум. В много{6}}обменник моделът на потока се доближава до смесен или напречен поток, което изисква корекционен фактор (обикновено означен като F), приложен към противотока LMTD.
За 2-обменник коефициентът на корекция на LMTD обикновено е между 0,95 и 0,99 за повечето работни условия-незначително намаление. За 4-обменници коефициентът може да падне до 0,90–0,95. За високо{11}}температурни кръстосани приложения (където температурите на входа и изхода са много близки), коефициентът на корекция може да бъде значително по-нисък, което потенциално отрича ползите от по-високата скорост. Следователно многопроходните конструкции са най-ефективни, когато температурната промяна от страната на тръбата е умерена.
Съответствие с PTFE топлообменници
Тъй като PTFE има ниска топлопроводимост, съпротивлението на филма-от страната на тръбата често доминира цялостния топлопренос. Следователно подобряването на коефициента на -страната на тръбата е основна цел на дизайна. Многопроходните конструкции постигат това, без да изискват по-висок общ дебит от помпата на инсталацията, което ги прави привлекателни за преоборудване или приложения, където дебитът е фиксиран.
Въпреки това, PTFE тръбите са механично меки и податливи на вибрации при високи скорости на потока. Прекомерната скорост може да причини трептене на тръбата, което да доведе до изтръпване на прегради или повреда на тръбния лист. Типичните препоръчителни скорости отстрани на -тръбата за PTFE тръби варират от 0,5 до 2,0 m/s (1,6 до 6,6 ft/s). Многопроходен дизайн, който повишава скоростта от 0,5 m/s до 1,0 m/s, е полезен; повишаването й до 3,0 m/s може да причини механични проблеми. Броят на преминаванията трябва да бъде избран така, че да поддържа скоростта в препоръчания от производителя диапазон.
Също така е важно да се балансират печалбите от топлопренос спрямо разходите за изпомпване. При много операции за довършване на повърхности технологичната помпа вече съществува за циркулация на резервоара и допълнителният спад на налягането от много-тефлонов обменник може да е приемлив. В други случаи, еднопроходна-дизайн с по-голям корпус (повече тръби в паралел) може да постигне същото натоварване с по-нисък спад на налягането, макар и при по-високи капиталови разходи.
Сравнителна таблица: Еднопроходни-срещу много{2}}проходни PTFE топлообменници
Таблицата по-долу сравнява типични работни характеристики за фиксиран общ дебит отстрани-на тръбата и фиксирана площ за пренос на топлина. Стойностите са илюстративни; действителната производителност зависи от конкретни размери и свойства на течността.
| Брой преминавания на тръбата | Относителна скорост на тръбата* | Относителна тръба-коефициент на топлопреминаване** | Относителен спад на налягането (от страната на тръбата) | Диапазон на коефициента на корекция на LMTD | Типични приложения |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Един-пропуск) | 1.0 (базова линия) | 1.0 (базова линия) | 1.0 (базова линия) | 1,00 (възможен чист противоток) | Системи за-пад-налягане; газове; течности с висок{2}}поток- |
| 2 (две-пропускания) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Най-често срещани за течни PTFE обменници; добър баланс |
| 4 (четири-паса) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Течности с висок-вискозитет или когато е необходима много висока U-стойност; проверете разходите за изпомпване |
| 6 или 8 пропуска | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | рядък; само с течности с нисък-вискозитет и висок допустим ΔP |
* Скорост спрямо еднопроходен-дизайн със същия брой тръби и дебит.
** Изчислено за турбулентен или преходен поток. Действителното подобрение зависи от степента на числото на Рейнолдс (обикновено h ~ v^0,8 за турбулентен поток).
Практически съображения за повърхностна обработка
При приложения за довършване на повърхности (покритие, анодиране, декапиране) флуидът-отстрани на тръбата често е самата технологична баня-киселинен или алкален разтвор със суспендирани твърди частици или разтворени метали. Прилагат се следните практически насоки:
Еднопроходни-проектичесто се използват, когато ваната циркулира при висок дебит за смесване или филтриране в резервоара. В такива случаи скоростта може вече да е достатъчна и добавянето на проходи само би увеличило спада на налягането без пропорционално увеличение на топлопреноса.
Дву{0}}дизайн за преминаванеса най-разпространената конфигурация за PTFE топлообменници в-линии за покритие с умерен размер. Те осигуряват значителен тласък на преноса на топлина, като същевременно поддържат спада на налягането в рамките на капацитета на стандартните центробежни помпи (обикновено 1–3 бара загуба).
Четири{0}}дизайнасе използват, когато наличната площ за пренос на топлина е ограничена (напр. модернизиран 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 определени органични технологични вани.
Струва си да се отбележи, че разположението-отстрани на корпуса също влияе върху оптималния брой проходи на тръбата. Ако флуидът-от страната на обвивката кондензира пара (която има много висок коефициент на топлопреминаване), съпротивлението от страната-на тръбата доминира и много-проектите са много полезни. Ако флуидът от страната на -корпуса е охлаждаща вода с нисък коефициент, подобряването само на страната на тръбата може да не доведе до голямо общо подобрение.
Пример за проектиране: Избор на брой проходи
Помислете за PTFE топлообменник, загряващ баня с никелово покритие от 55 градуса до 60 градуса с помощта на пара от страната на корпуса. Необходимата топлинна мощност е 100 kW. Наличната циркулационна помпа осигурява 30 m³/h течност за баня през топлообменника. Предварителен-дизайн с едно преминаване, използващ 200 тръби с вътрешен диаметър 6 mm, дава скорост от страна 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.
Чрез преминаване към 2-дизайн (100 тръби на проход), скоростта се удвоява до 1,0 m/s. Коефициентът на тръбата-се увеличава с приблизително 40%, повишавайки U до 260 W/m²·K. Необходимата площ пада до 9,2 m² (по-малък топлообменник с по-ниска цена). Падът на налягането се повишава до около 1,2 бара, което все още е в рамките на капацитета на помпата. Дизайнът с 2 прохода е очевидно превъзходен.
Ако се вземе предвид 4-пропусков дизайн (50 тръби за преминаване), скоростта достига 2,0 m/s и U нараства до приблизително 300 W/m²·K. Необходимата площ пада до 8 m². Въпреки това спадът на налягането се повишава до приблизително 5 бара, което може да надвиши напора на помпата или да причини прекомерна консумация на енергия. Коефициентът на корекция на LMTD пада до 0,93, като леко намалява действителната движеща сила. В този случай двуходовият дизайн предлага най-добрия баланс.
Заключение
Оптималният брой преминавания на тръбите в PTFE топлообменник зависи от наличния спад на налягането и необходимостта да се подобри преносът на топлина в рамките на PTFE тръбите с ниска{0}}проводимост. Еднопроходните -проекти минимизират спада на налягането и поддържат пълния противоток на LMTD, което ги прави подходящи за газове или системи с ограничен капацитет на изпомпване. Много{4}}проектите (обикновено 2-или 4-преминавания) увеличават скоростта от страната на тръбата, повишавайки коефициента на топлопреминаване с цената на по-висок спад на налягането и малко намаление на LMTD. За повечето течни приложения за довършителни работи на повърхности двуходовият дизайн осигурява ефективен компромис, осигуряващ значителни подобрения в производителността без прекомерни изисквания за изпомпване.
Термо{0}}хидравличната оптимизация е стандартна част от конструкцията на PTFE топлообменника. Правилният брой преминавания се определя чрез балансиране на усилването на топлопредаването спрямо ограниченията за падане на налягането, като същевременно се спазват ограниченията на скоростта на PTFE, за да се избегнат вибрациите на тръбата. Когато е правилно указано, избраното разположение на прохода гарантира, че топлообменникът изпълнява задълженията си надеждно и ефективно през целия си експлоатационен живот.
