Hogyan hasonlítható össze egy lemezes-és-vázas hőcserélő PTFE tömítéssel a héj-és-csöves PTFE egységgel?

A héj-és-csöves hőcserélők uralják a korrozív hatást, de a fluorpolimer tömítésekkel ellátott lemez-és-keretcserélők lenyűgöző alternatívát kínálnak. Alapvető geometriájuk eltérő teljesítményjellemzőket eredményez, amelyek bizonyos alkalmazásokban hasznosak lehetnek. Tiszta, mérsékelt nyomású technológiai folyadékok esetén a PTFE-tömítésekkel ellátott lemez-és-keret jobb hőátadási hatékonyságot és drámaian kisebb helyigényt kínál, mint a hagyományos PTFE-héj-és-csőcserélő.

A lemez és a keret, illetve a héj és a cső kialakításának áttekintése
A lemezes-és-keretes hőcserélők egymást követő hullámos fémlemezekből állnak, amelyeket egy keretben egymáshoz préselnek. Mindegyik lemeznek van egy tömítése (ebben az esetben PTFE vagy bármely más fluorpolimer), amely lezárja az áramlási csatornákat, és a hideg és meleg folyadékokat alternatív útvonalakra irányítja. A folyadékok a lemezek közötti vékony kanyargós tereken ellenáramban-vagy keresztirányú{5}}áramlási irányban áramlanak át. A hullámok kis áramlási sebességnél is turbulenciát okoznak, ami jelentősen javítja a hőátadást.

A PTFE-héj-és-csöves hőcserélők (más cikkekben részletezettek szerint) PTFE-csövek kötegéből készülnek, amelyek fém- vagy műanyaghéjban vannak elhelyezve. A szervizfolyadék a másik oldalon folyik, a korrozív folyadék pedig a csöveken (vagy azok körül) keresztül áramlik. A PTFE cső falai kissé vastagok, így a hőátadás vezetés útján történik. Az áramlás általában lamináris vagy alacsony{5}}turbulencia, hacsak nem használunk nagy sebességet.

A fő különbség a hőátadó felület anyaga. A lemez-és-vázszerkezetben a lemezek fémből (általában rozsdamentes acélból, Hastelloy-ból, titánból vagy más ötvözetekből) készülnek, és csak a tömítések PTFE-ből készülnek. A technológiai folyadék érintkezik a fémlemezekkel és a PTFE tömítésekkel. A PTFE-héj-és-csőegység minden nedvesített felülete PTFE-ből készül, amely univerzális korrózióállósággal rendelkezik, de lényegesen gyengébb a hővezető képessége.

Hőteljesítmény: A lemezgeometria miatt magasabb U{0}}érték érhető el
A lemez- és keretcserélőnek van a legnagyobb előnye az általános hőátbocsátási tényezőjében (U-érték). Ennek számos oka lehet.

Vékony fémlemezek - A lemezek vastagsága általában 0,5-1,0 mm, szemben az 1,0-2,0 mm-es PTFE-csőfallal. A fémek (rozsdamentes acél ~15 W/m·K, titán ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) nagyságrendekkel jobban átadják a hőt, mint a PTFE (~0,25 W/m·K). A fémlemez sokkal jobban vezeti a hőt, még a PTFE tömítések ellenállását is figyelembe véve (amelyek a teljes felületnek csak kis részét teszik ki).

Nagy turbulencia - A hullámlemez kialakítása nagy helyi turbulenciát okoz. Ez megzavarja a határrétegeket, és jelentősen csökkenti a konvekciós ellenállást a folyadékok mindkét oldalán. A héj-és-csöves PTFE-rendszerekben a kis-átmérőjű PTFE-csövekben az áramlás általában lamináris, hacsak nem használunk jelentős pumpálóerőt, és a héj-oldali áramlás is viszonylag enyhe.

Valódi számláló-áramú - A lemez-és-keretrendszerek közel tökéletes ellenáram-áramot képesek produkálni, maximalizálva a logaritmus középhőmérséklet-különbséget (LMTD). A héjas és csöves PTFE hőcserélők jellemzően keresztáramú vagy vegyes áramlású konfigurációkban vannak beállítva, amelyek termodinamikailag kevésbé hatékonyak.

A gyakorlatban ugyanazon pár folyadék esetében a PTFE tömítésekkel ellátott lemezes-és-keretes hőcserélő összesített U-értéke háromszor-ötször nagyobb, mint a PTFE héj-és-csőegységeké. A víz-vízszolgáltatás során egy lemezcserélő 3000-5000 W/m²·K, míg a PTFE héj{11}}csöves egység csak 200-400 W/m²·K. A korrozív vegyi szolgáltatásokban a haszon továbbra is nagy, de az abszolút értékek a folyadék minőségétől és a szennyeződési hajlamtól függenek.

Lábnyom és súly: Lemezkialakítás kompaktság
Az U-érték sokkal nagyobb, ezért a lemez-és-keretcserélő sokkal kisebb felületet igényel egy adott hőteljesítmény átadásához. Az így kapott lábnyom jellemzően egy-harmada--ötöde az azonos hőteljesítményű PTFE burkolatú és csöves hőcserélőének. Súlya is jelentősen csökken, mivel a lemezcsomag sokkal könnyebb, mint egy fémházas PTFE csőköteg.

A lemez{0}}és a-váz kialakításának kompaktsága kifejezetten előnyt jelent az olyan alkalmazásoknál, ahol a hely igényes, mint például a meglévő technológiai csúszdákba, tengeri platformokra vagy moduláris vegyi létesítményekbe történő utólagos beszerelés. A hasonló teljesítményű PTFE héj-és-csöves hőcserélő több méter hosszú is lehet, és jelentős alapterületet foglalhat el, míg a lemezcserélő ennek a helynek a töredékén felszerelhető függőlegesen vagy vízszintesen.

Nyomás és hőmérséklet korlátozások
A PTFE-ből készült héj- és csőegységek (fémhéj) közepestől magas nyomásig használhatók, jellemzően 6-10 bar a cső oldalon, 10-20 bar a héj oldalon, kiviteltől függően. A PTFE csövek nyomáskorlátozottak, de a fém burkolat robusztusan zárt. A PTFE csövek 110-120 fokos hőmérsékletet képesek elviselni; PFA cső, 150-180 fok.

A PTFE tömítéssel ellátott lemez{0}}és-keretcserélőkre szigorúbb korlátozások vonatkoznak:

Nyomás – A tömítéseket annyira össze kell szorítani, hogy a lemezekhez illeszkedjenek. A szükséges szorítóerő a belső nyomás növekedésével növekszik, és nő a tömítés extrudálásának vagy szivárgásának lehetősége. A PTFE-tömítéssel ellátott lemezcserélők tipikus maximális üzemi nyomása 6-10 bar (85-145 psi), egyes rendszerek pedig 15 bar-ig terjednek. A nagyobb nyomáshoz vastagabb lemezekre, nehezebb keretekre és speciális tömítésformákra van szükség, ami növeli a költségeket.

Hőmérséklet - A PTFE tömítések elkezdenek kúszni, és nagyjából 150-180 fok felett elvesztik tömítőerejüket. Ez az alkalmazott fluorpolimer minőségtől függ (PTFE, PFA vagy módosított PTFE). A 160 fok feletti működés általában nem javasolt folyamatos működéshez. Egyes PTFE-héj-és-csövek (PFA-csövekkel) akár 180-200 fokos szögben is működhetnek, de a tényleges határértékek gyakran alacsonyabbak.

Magas nyomáson vagy magas hőmérsékleten végzett korrozív szolgáltatásokhoz a héj és a cső PTFE egység lehet az egyetlen lehetőség. Enyhe körülmények között (pl. . 5 bar és 100 fok) a lemezcserélő teljesen megfelelő.

Korrózióállóság: ötvözet vs. teljes fluorpolimer lemezek
A PTFE héj- és csőcserélők univerzálisan korrózióállóak. A PTFE szinte teljesen inert az összes anyaggal szemben, kivéve az olvadt alkálifémeket és az elemi fluort magas hőmérsékleten. Ezért alkalmasak erősen agresszív kevert savakhoz, aqua regiához, erős salétromsavhoz és egyéb olyan folyadékokhoz, amelyek a legtöbb fémet megtámadják.

A PTFE tömítésű lemez-és-keretcserélők az elsődleges korrózióvédelmet biztosító fémlemezektől függenek. A tömítések az egyetlen PTFE alkatrész. Ezért a lemez anyagát úgy kell megválasztani, hogy az ellenálljon az adott technológiai folyadéknak. Íme néhány gyakori lehetőség:

Rozsdamentes acél (304/316) – Csak enyhe savakhoz és semleges oldatokhoz.

Hastelloy C-276 vagy B-3 - Kiválóan ellenáll sósavnak, kénsavnak és redukáló körülményeknek. Erőteljes oxidáló savak támadják meg.

Titán (2. osztály, 7. osztály) - Kiválóan ellenáll oxidáló savaknak (salétromsav, króm) és kloridoknak. Megtámadja a hidrogén-fluorid és néhány redukáló sav.

Cirkónium vagy tantál - Egzotikus ötvözetek zord körülményekhez, de nagyon drágák.

A lemezcserélő költséghatékony megoldás lehet, ha a technológiai folyadék kompatibilis egy hozzáférhető lemezötvözettel (pl. titán salétromsavhoz, Hastelloy HCl-hez). Ha azonban a folyadék több ellenséges anyagot tartalmaz (pl. kevert sav oxidáló és redukáló komponensekkel egyaránt), akkor egyetlen fém sem elfogadható. Ilyen esetekben az univerzális ellenállású PTFE héj{6}}és-csőegység a biztonságosabb választás.

Elszennyeződés, tisztítás, karbantartás
A lemez{0}}és-keretcserélők tisztításhoz egyszerűen szétszedhetők. A lemezek egyenként eltávolíthatók és mechanikusan (kefével, nyomás alatti mosással) vagy vegyszeresen tisztíthatók. Ez nagy előny az olyan szolgáltatások esetében, amelyek lágy vagy ragadós szennyeződést okoznak. A lemezek közötti apró pórusok (általában 2-5 mm) azonban érzékenyek a részecskék, szálak vagy kristályosodó anyagok általi kitöltésére. A lemezcserélőhöz jól megépített szűrőre vagy szűrőre van szükség az áramlás irányában, hogy eltávolítsa a nagyjából 1 mm-nél nagyobb részecskéket.

A PTFE héj{0}}és-csöves hőcserélők nagyobb áramlási csatornákat kínálnak (a cső belső átmérője gyakran 5–15 mm), és kevésbé hajlamosak az eltömődésre. A sima, alacsony súrlódású PTFE felület számos lerakódást is megakadályoz (lásd a felületi energiáról szóló cikket). De nehezebb tisztítani." A csőbelsők tisztítása mechanikusan (speciális műszerek – csőkefék) és gyakran kémiai úton történik. A csöveket nem lehet egyenként eltávolítani ellenőrzés céljából, a teljes köteget ki kell venni a héjból.

A lemezcserélő egyik nagy előnye, hogy ha egy tömítés elromlik, vagy egy lemez korrodálódik, akkor az egyes lemezek és tömítések néhány órán belül kicserélhetők. Egy PTFE héj-és-csőegységben, ha az egyik cső meghibásodik, a csövet be kell dugni (a felület csökkentése), vagy a teljes csőköteget ki kell cserélni, ami költséges és időigényes{3}} feladat.

Az egyes technikák tipikus alkalmazásai
A PTFE tömítésekkel ellátott lemez-és-keretcserélőket gyakran használják tiszta közüzemi szolgáltatásokban (víz-víz, víz-glikol, alacsony nyomású gőz), ahol a folyadék nem túlzottan korrozív. A kémiai folyamatok alkalmazásaiban a következőkben láthatók:

Híg savak (pl. . 10%-os kénsav) hűtése, ahol a titán vagy a rozsdamentes acél alkalmas.

A bevonófürdőket jó szűréssel és mérsékelt hőmérséklettel használják.

Hő visszanyerése viszonylag tiszta korrozív áramokból.

A PTFE héj-és-csöves hőcserélők az erősen korrozív, oxidáló savval vagy szemcsés savval{2}}terhelt{2}}szolgáltatások előnyben részesített megoldásai, mint például:

Vegyes savas pácolósorok (HNO3+HF)

Forró konc. sósav.

Aqua regia és más durva keverékek.

Hulladék savak kezelése változó folyadékösszetétel mellett

Összehasonlító táblázat: Lemez és keret vs Shell & Tube (PTFE)
Jellemző lemez és keret PTFE PTFE héj- és csőtömítésekkel
Teljes hőátbocsátási tényező (U-érték)Magas (3-5-ször nagyobb, mint a héj-és cső) Alacsony (a PTFE vezetőképessége korlátozott)
Lábnyom (feladatonként) (1× alapvonal) KicsiNagy (3–5-ször nagyobb)
Maximális tartós nyomás 6-10 bar (magasabb speciális kialakítással) 6-10 bar a cső oldalán (a fémhéj magasabb is lehet)
Max. folyamatos hőmérséklet 150–180 fok (tömítés -korlátozott) 110–120 fok (PTFE csövek); 150-180 fok (PFA csövek)
A korrózióállóság a lemezötvözet PTFE tömítésektől függ Univerzális (PTFE vagy PFA minden nedves felületen)
Érzékenység a porszemcsékkel szemben Magas (vékony rések, amelyek hajlamosak eltömődni) Alacsony (nagyobb csőátmérők; sima felület)
Könnyen karbantarthatóNagyon jó (a lemezek szétszedhetők és kefélhetők) Megfelelő (kémiai tisztítást vagy csőkefét igényel)
Javíthatóság Magas (egyedi lemezek és tömítések cserélhetők) Korlátozott (cső dugulás vagy köteg csere)
Első költség (pl. vám)Tiszta, mérsékelt szolgáltatások alacsonyabbJobb általános korrózióállóság
Tipikus alkalmazások • Tiszta híg savak • Bevonófürdők • Vízművek Agresszív kevert savak, oxidáló savak, változó összetételű hulladékáramok
Döntési útmutató: A megfelelő hőcserélő kiválasztása
A PTFE tömítésekkel ellátott lemezes és keretes hőcserélő vagy a PTFE héj- és csőegységgel kapcsolatos döntés a tisztaságtól, a korrozivitástól, a nyomástól és a folyadék számára rendelkezésre álló területtől függ.

Válasszon lemez{0}}és-keretcserélőt, ha:

A technológiai folyadék tiszta, és a részecskék 1 mm-nél kisebbek (vagy megfelelő szűrés biztosított).

A folyadék üzemi hőmérsékleten kompatibilis egy mérsékelt árú fémötvözettel (rozsdamentes acél, titán, Hastelloy).

Az üzemi nyomás 10 bar alatti, a hőmérséklet pedig 150 fok alatti.

A hely korlátozott, és fontos a kompakt hely.

Nagyon fontos a könnyű szétszerelés és tisztítás.

A hőcserélőt hővisszanyerésre vagy közüzemi feladatokra használják, ahelyett, hogy nagyon reaktív savakkal érintkeznének.

Ha:

A folyadék erős oxidáló savakból (salétromsav, króm) vagy kombinált savakból áll, amelyek bármilyen fémet megtámadnak.

A folyadék összetétele megjósolhatatlan vagy rosszul jellemezhető, ezért az ötvözetválasztás kockázattal jár.

A folyadék részecskéket, szálakat vagy kristályokat tartalmaz, amelyek eltömíthetik az apró lemezréseket.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 fok (PFA csővel).

Univerzális korrózióállóságra van szükség a helyi támadás vagy lyukasztás veszélye nélkül.

Az üzem nem rendelkezik megfelelő karbantartási képességgel a tömítések rendszeres szétszereléséhez és cseréjéhez.

Mindkét technológia számos kémiai folyamatkörnyezetben létezik-egymás mellett-. A PTFE héj-és-csöves hőcserélő választható erősen korrozív kevert savfűtéshez, míg a titánlemezekkel és PTFE tömítésekkel ellátott lemez-és-keret hőcserélő tiszta, híg salétromsav hűtést végez ugyanabban az üzemben máshol.

Következtetés: Kompakt hatékonyság vagy univerzális robusztusság
A PTFE tömítésekkel ellátott lemezes és keretes hőcserélők magas hőhatékonyságot és kis helyigényt biztosítanak a nagy turbulencia és a vékony fémlemezek miatt. U-értékük háromszor-ötször nagyobb, mint a PTFE héj- és csőegységeké, ami lényegesen kisebb alapterületet és kisebb súlyt eredményez.