У измењивачу са ПТФЕ омотачем-и-цеви, течност- на страни цеви може да направи једно путовање од улаза до излаза или може да се усмери напред-назад кроз сноп више пута. Број пролаза утиче на брзину флуида, ефикасност преноса топлоте и потребну снагу пумпања. Пошто ПТФЕ има инхерентно ниску топлотну проводљивост (приближно 0,25 В/м·К), максимизирање -коефицијента преноса топлоте на страни цеви је често приоритет. Ипак, избор између дизајна са једним-пролазом и више-пролаза није једноставан-већ укључује намерни компромис-између побољшања преноса топлоте и казне пада притиска.
Разумевање аранжмана за пролаз у цевима
Број пролаза цеви се односи на то колико пута флуид који путује кроз цеви пређе дужину измењивача. Пролази се стварају уградњом преграда (преграда) у канал или поклопац на једном или оба краја измењивача. Ови разделници приморавају течност да тече кроз само део цеви пре него што обрну смер и уђе у други сет цеви.
Дизајн са једним{0}}пролазом
У измењивачу са једним-пролазом (1-пролаз), течност са стране цеви улази у канал на једном крају, тече право кроз све цеви паралелно и излази на супротном крају. Не користе се унутрашњи разделници. Ово је најједноставнија конфигурација протока.
Дизајн са више-пролаза (2 пролаза, 4 пролаза, итд.)
У дизајну са више{0}}пролаза, течност чини више пута по снопу цеви. На пример, у измењивачу са 2-прохода, улазни канал је подељен на два дела. Течност улази у један одељак, тече кроз половину цеви до даљег краја, мења смер у повратном поклопцу, тече назад кроз преостале цеви и излази из другог дела канала на улазној страни. У измењивачу са 4 пролаза, процес се понавља два пута.
Број пролаза је увек једнак да би се улазне и излазне млазнице задржале на истом крају измењивача, поједностављујући цевне везе.
Кључне разлике у термалним{0}}хидрауличким перформансама
Одлука између аједнопролазни вс вишепролазни ПТФЕ измењивач топлотедизајн зависи од тога како утичу на брзину флуида, коефицијент преноса топлоте, пад притиска и логаритамску средњу температурну разлику (ЛМТД).
Брзина флуида и коефицијент преноса топлоте
За дату укупну -бочну брзину протока у цеви, брзина течности унутар сваке цеви је одређена бројем цеви активних у сваком пролазу. У дизајну са једним-пролазом, све цеви су активне истовремено. Доступна површина попречног пресека за проток је укупна површина протока свих цеви. Због тога је брзина релативно мала осим ако је укупна брзина протока висока.
У дизајну са више{0}}пролаза, исти укупан проток се провлачи кроз само делић цеви по пролазу. За измењивач са 2-прохода са две једнаке групе цеви, сваки пролаз садржи половину укупног броја цеви. Брзина у свакој цеви се удвостручује у поређењу са случајем са једним пролазом (за исту укупну брзину протока). За дизајн са 4 пролаза, брзина се повећава четири пута.
Већа брзина повећава Рејнолдсов број на{0}}страној цеви, што заузврат повећава коефицијент конвективног преноса топлоте. Пошто ПТФЕ цеви већ имају ниску топлотну проводљивост, ограничавајући отпор преносу топлоте је често на течном филму-бочне стране цеви (ако је течност са стране -конструкције кондензујућа пара или течност високе{4}}проводљивости). Повећање брзине{6}}бочне стране цеви може значајно да побољша укупан коефицијент преноса топлоте.
Последице пада притиска
Већа брзина има цену: пад притиска расте са квадратом брзине (приближно). За дизајн са 2-пролаза, пад притиска-бочне стране цеви је отприлике четири пута већи од дизајна са једним пролазом (удвостручена брзина, плус додатни губици у повратном поклопцу). За дизајн са 4 пролаза, пад притиска може бити 16 пута већи, плус значајни губици у коморама за рикверц.
У пракси, расположива снага пумпе или дозвољени пад притиска у процесној линији често ограничавају колико пролаза се може користити. Уобичајена конфигурација за ПТФЕ измењиваче топлоте је 2-пролаза или 4-пролаза када је течност-на страни цеви течност умереног вискозитета и пумпа има довољну висину. Дизајни са једним пролазом су фаворизовани када је флуид на страни цеви гас (где је пад притиска критичнији) или када је брзина протока већ висока.
Дневник корекције средње температурне разлике (ЛМТД).
Важна суптилност је у томе што више{0}}пролазни дизајни одступају од чистог супротног тока, смањујући ефективну температурну покретачку силу. У измењивачу са једним-пролазом са противточним распоредом (течност са стране-течности у супротном смеру од течности са стране љуске{4}}), ЛМТД је на свом максимуму. У измењивачу са више{6}} пролаза, образац протока се приближава мешовитом или унакрсном току, захтевајући фактор корекције (обично означен као Ф) примењен на противструјни ЛМТД.
За измењивач са 2-прохода, ЛМТД фактор корекције је обично између 0,95 и 0,99 за већину радних услова-мање смањење. За измењиваче са 4-пролаза, фактор може пасти на 0,90–0,95. За апликације са високим{11}}унакрсним температурама (где су улазне и излазне температуре веома близу), фактор корекције може бити знатно нижи, потенцијално негирајући предности веће брзине. Због тога су дизајни са више пролаза најефикаснији када је промена температуре на страни цеви умерена.
Релевантност за ПТФЕ измењиваче топлоте
Пошто ПТФЕ има ниску топлотну проводљивост, отпор{0}}бочног филма цеви често доминира у укупном преносу топлоте. Повећање коефицијента{2}}бочне стране цеви је стога примарни циљ дизајна. Више{4}}пролазни дизајни постижу ово без потребе за већим укупним протоком од пумпе постројења, што их чини привлачним за накнадне инсталације или апликације где је проток фиксан.
Међутим, ПТФЕ цеви су механички меке и склоне вибрацијама при великим брзинама протока. Прекомерна брзина може да изазове треперење цеви, што доводи до узнемирености од преграда или оштећења цевних плоча. Типичне препоручене брзине-бочне стране цеви за ПТФЕ цеви се крећу од 0,5 до 2,0 м/с (1,6 до 6,6 фт/с). Дизајн са више{8} пролаза који повећава брзину са 0,5 м/с на 1,0 м/с је користан; подизање на 3,0 м/с може изазвати механичке проблеме. Број пролаза треба одабрати тако да се брзина задржи у опсегу који препоручује произвођач.
Такође је важно уравнотежити добитке преноса топлоте у односу на трошкове пумпања. У многим операцијама завршне обраде површине, процесна пумпа већ постоји за циркулацију резервоара, а додатни пад притиска из више-пролазног ПТФЕ измењивача може бити прихватљив. У другим случајевима, дизајн са једним-пролазом са већом шкољком (више цеви паралелно) може да постигне исти рад са мањим падом притиска, али уз веће капиталне трошкове.
Табела поређења: једнопролазни-пролазни у односу на више- ПТФЕ измењивачи топлоте
Табела у наставку упоређује типичне карактеристике перформанси за фиксни укупни проток{0}}бочне стране цеви и фиксну површину преноса топлоте. Вредности су илустративне; стварне перформансе зависе од специфичних димензија и особина флуида.
| Број пролаза цеви | Релативна брзина цеви* | Релативна цев-Бочни коефицијент преноса топлоте** | Релативни пад притиска (на страни цеви) | Опсег фактора корекције ЛМТД | Типичне апликације |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (сингле-пасс) | 1.0 (основни) | 1.0 (основни) | 1.0 (основни) | 1,00 (могућ је чист противток) | Системи пада ниског{0}}притиска{1}}; гасови; течности са великом -протоком- |
| 2 (два-пропуста) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Најчешћи за течне ПТФЕ измењиваче; добар баланс |
| 4 (четири-проласка) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Течности високог{0}}вискозитета или када је потребна веома висока У{1}}вредност; проверите цену пумпања |
| 6 или 8 пролаза | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Раре; само са течностима ниског{0}}вискозитета и високим дозвољеним ΔП |
* Брзина у односу на дизајн са једним-пролазом са истим бројем цеви и протоком.
** Процењено за турбулентан или прелазни ток. Стварно побољшање зависи од експонента Рејнолдсовог броја (обично х ~ в^0,8 за турбулентно струјање).
Практична разматрања за завршну обраду површина
У апликацијама за завршну обраду површина (превлачење, елоксирање, кисељење), цев{0}}течност са стране је често сама процесна купка-кисели или алкални раствор са суспендованим чврстим материјама или раствореним металима. Примењују се следеће практичне смернице:
Дизајн са једним{0}}пролазомсе често користе када купатило циркулише при великом протоку за мешање или филтрацију у резервоару. У таквим случајевима, брзина може већ бити довољна, а додавање пролаза би само повећало пад притиска без пропорционалног добитка у преносу топлоте.
Дизајн са два{0}}пролазасу најчешћа конфигурација за ПТФЕ измењиваче топлоте у умереним-линијама за облагање. Они обезбеђују значајан подстицај преносу топлоте док задржавају пад притиска у оквиру капацитета стандардних центрифугалних пумпи (обично губитак од 1–3 бара).
Дизајн са четири{0}}проласкасе користе када је расположива површина за пренос топлоте ограничена (нпр. накнадно уграђен измењивач који мора да стане у постојећи простор) и када пумпа има резервну главу. Такође се користе за загревање вискозних течности попут концентроване фосфорне киселине или одређених органских процесних купатила.
Вреди напоменути да распоред шкољке{0}}бочне стране такође утиче на оптималан број пролаза цеви. Ако је течност-на страни омотача кондензована пара (која има веома висок коефицијент преноса топлоте), отпор-бочне стране цеви доминира, а дизајн са више-пролаза је веома користан. Ако је течност на страни љуске{6}} расхладна вода са ниским коефицијентом, побољшање само на страни цеви можда неће донети велико опште побољшање.
Пример дизајна: Избор броја пролаза
Узмите у обзир ПТФЕ измењивач топлоте који загрева купатило са никлованим слојем од 55 степени до 60 степени користећи пару на страни кућишта. Потребна топлотна снага је 100 кВ. Доступна циркулациона пумпа обезбеђује 30 м³/х течности за купатило кроз измењивач. Прелиминарни дизајн са једним-пролазом који користи 200 цеви пречника 6 мм даје -бочну брзину цеви од 0,5 м/с, пад притиска од 0,3 бара и израчунати укупни коефицијент преноса топлоте (У) од 200 В/м²·К. Потребна површина је 12 м².
Преласком на дизајн са 2-проласка (100 цеви по пролазу), брзина се удвостручује на 1,0 м/с. Коефицијент{9}}бочне стране цеви се повећава за приближно 40%, подижући У на 260 В/м²·К. Потребна површина пада на 9,2 м² (мањи, јефтинији измењивач). Пад притиска расте на око 1,2 бара, што је још увек у оквиру могућности пумпе. Дизајн са 2 пролаза је очигледно супериоран.
Ако се узме у обзир дизајн са 4 пролаза (50 цеви по пролазу), брзина достиже 2,0 м/с, а У се повећава на приближно 300 В/м²·К. Потребна површина пада на 8 м². Међутим, пад притиска расте на приближно 5 бара, што може премашити висину пумпе или изазвати прекомерну потрошњу енергије. ЛМТД фактор корекције пада на 0,93, благо смањујући стварну покретачку силу. У овом случају, дизајн са 2 пролаза нуди најбољу равнотежу.
Закључак
Оптималан број пролаза цеви у ПТФЕ измењивачу топлоте зависи од доступног пада притиска и потребе да се побољша пренос топлоте унутар ПТФЕ цеви ниске{0}}ниске проводљивости. Једнопролазни-пролазни дизајн минимизира пад притиска и одржава пуну противструјну ЛМТД, што их чини погодним за гасове или системе са ограниченим капацитетом пумпања. Дизајн са више-пролаза (обично 2-пролаза или 4-пролаза) повећава брзину на страни цеви, повећавајући коефицијент преноса топлоте по цену већег пада притиска и малог смањења ЛМТД. За већину апликација за завршну обраду течних површина, дизајн са два пролаза обезбеђује ефикасан компромис, пружајући значајно повећање перформанси без превеликих захтева за пумпање.
Термичка{0}}хидраулична оптимизација је стандардни део дизајна ПТФЕ измењивача топлоте. Тачан број пролаза је одређен балансирањем побољшања преноса топлоте у односу на ограничења пада притиска, уз истовремено поштовање ограничења брзине ПТФЕ-а како би се избегле вибрације цеви. Када је правилно специфициран, одабрани распоред пролаза обезбеђује да измењивач поуздано и ефикасно испуњава своје обавезе током свог радног века.
