Диаметърът-връзка на топлопредаване
Парата, кондензираща вътре в PTFE топлообменна тръба, образува тънък филм от кондензат върху вътрешната стена. Филмът тече по тръбата под въздействието на гравитацията и напрежението на срязване от потока на парата. Дебелината на този филм определя вътрешния коефициент на топлопреминаване-колкото по-дебел е филмът, толкова по-голямо е топлинното съпротивление между парата и стената на тръбата.
Дебелината на филма зависи от дебита на кондензата, диаметъра на тръбата и ориентацията на тръбата. За даден кондензатен товар, тръба с по-малък диаметър има по-дебел филм (кондензатът заема по-голяма част от напречното-сечение) и по-нисък вътрешен коефициент на топлопреминаване. Тръбата с по-голям диаметър има по-тънък филм и по-висок коефициент.
Тръбите с по-голям диаметър обаче имат по-ниска скорост на парата за същия масов поток, което намалява напрежението на срязване, което помага за придвижването на кондензата. По-ниското напрежение на срязване може да доведе до по-дебел филм близо до изхода на тръбата, частично компенсирайки ползата от диаметъра. Оптималният диаметър на тръбата балансира тези конкурентни ефекти.
Изчисляване на дебелината на филма
За ламинарен кондензатен поток върху вътрешната стена на хоризонтална тръба дебелината на филма е: δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3), където μ е вискозитетът на кондензата, Γ е масовият поток на кондензат за единица ширина на периметъра на тръбата, ρ е плътността на кондензата, ρ_v е плътността на парата, а g е гравитацията.
Потокът на кондензат на единица ширина е: Γ=m_cond / (π × D), където m_cond е масовият поток на кондензат за тръба, а D е вътрешният диаметър на тръбата. По-големият диаметър разпространява същия поток на кондензат върху по-голям периметър, намалявайки Γ и изтънявайки филма.
За тръба с вътрешен диаметър 10 mm, носеща 1,5 kg/h кондензат, дебелината на филма на изхода на тръбата е приблизително 0,15 mm. За тръба с вътрешен диаметър 6 mm със същото натоварване от конденз, дебелината на филма е приблизително 0,22 mm - 50% по-дебела. Вътрешният коефициент на топлопреминаване е пропорционален на 1/δ, така че по-малката тръба има приблизително 30% по-нисък вътрешен коефициент.
| ID на тръбата (mm) | Натоварване с кондензат (kg/h) | Дебелина на филма на изхода (mm) | Вътрешен h (W/m²·K) | Риск от преодоляване |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 0.22 | 1,100 | Умерен (малък диаметър) |
| 8 | 1.5 | 0.17 | 1,400 | ниско |
| 10 | 1.5 | 0.15 | 1,600 | ниско |
| 12 | 1.5 | 0.13 | 1,800 | Много ниско |
Стойности за хоризонтална тръба, ламинарен филм, 3 barg наситена пара.
Рискът от преодоляване на кондензат
В хоризонталните тръби кондензатът тече по дъното на тръбата. Ако дебелината на филма стане твърде голяма спрямо диаметъра на тръбата, кондензатът може да прехвърли тръбата,-запълвайки цялото напречно-сечение в даден момент. Това създава порция течност, която блокира потока на парата и причинява воден удар, когато порцията се задвижва от налягането на парата.
Рискът от образуване на мост се увеличава с намаляване на диаметъра на тръбата и с увеличаване на натоварването от конденз. За тръби с вътрешен диаметър 6 mm, свързването е проблем при високи натоварвания на конденз (над приблизително 2 kg/h на тръба). За тръби с вътрешен диаметър от 10 mm е малко вероятно да се създаде мост при типични кондензни натоварвания за обслужване на топлообменника (0,5-3 kg/h на тръба). Препоръчителният минимален ID на тръбата за хоризонтални тръби с парно нагряване е 8 mm, за да се осигури достатъчна граница срещу образуване на мостове.
Препоръка за дизайн
За повечето приложения на PTFE топлообменник ID на тръбата от 8-10 mm (OD 10-12 mm с 1 mm стена) осигурява добър баланс на вътрешен топлопренос, дренаж на кондензат и устойчивост на мостове. По-малки тръби (6 mm ID) могат да се използват за ниски кондензни натоварвания или вертикална ориентация, където гравитацията подпомага дренажа и мостовете не са проблем. По-големите тръби (над 12 mm ID) осигуряват по-добър вътрешен топлопренос, но увеличават цената на тръбата и намаляват плътността на повърхността.
Резюме
Диаметърът на тръбата влияе върху дебелината на кондензния филм и вътрешния коефициент на топлопреминаване в PTFE топлообменника. По-малките диаметри произвеждат по-дебели филми и по-ниски вътрешни коефициенти и увеличават риска от образуване на конденз. За хоризонтални тръби се препоръчва ID на тръбата от 8-10 mm. Вертикалните тръби могат да използват по-малки диаметри, тъй като гравитацията предотвратява образуването на мостове. Оптималният диаметър балансира вътрешния пренос на топлина, надеждността на дренажа и плътността на повърхността.
Инженерна поддръжка за избор на диаметър на PTFE тръба е налична при подаване на кондензат за всяка тръба, ориентация на тръбата, налягане на парата и необходимото топлинно натоварване.
