Melyek az egy-áteresztő és több-menetes PTFE hőcserélők relatív előnyei?

A PTFE héj-és-csöves hőcserélőben a cső-oldali folyadék egyszer áthaladhat a bemenettől a kimenetig, vagy többször is keringethető a kötegben. A menetek száma határozza meg a folyadék sebességét, a hőátadás hatékonyságát és a szükséges szivattyúzási teljesítményt. Gyakran a csőoldali hőátbocsátási tényező maximalizálása a hangsúly, mivel a PTFE alapvetően alacsony hővezető képességgel rendelkezik (körülbelül 0,25 W/m·K). Az egy-átmenetes vagy a több{10}}menetes kialakítás azonban nem triviális,-hanem tudatos kompromisszum-a hőátadás-növekedés és a nyomásesés büntetés között.

A csőátengedési szabályok magyarázata
A csövek áthaladásának száma az a szám, ahányszor a csöveken áthaladó folyadék átáramlik a hőcserélő hosszán. A járatokat úgy állítják elő, hogy elválasztókat (áteresztő válaszfalakat) helyeznek el a csatornában vagy a motorháztetőben a hőcserélő egyik vagy mindkét végén. Ezek az elválasztók lehetővé teszik, hogy a folyadék csak néhány csövön keresztül áramoljon, mielőtt megfordítaná és a másik csőkészletbe áramlik.

Egy{0}}bérletes konstrukció
Egy-átmenetes (1-átmenetes) hőcserélőben a csőoldali folyadék az egyik végén belép a csatornába, közvetlenül az összes csövön párhuzamosan halad keresztül, és a másik végén távozik. Nincsenek belső falak. Ez a legegyszerűbb áramlási kialakítás.

Több-bérletes kialakítás (2 bérlet, 4 bérlet stb.)
Több-áteresztő elrendezésben a folyadék többször áthalad a csőkötegen. Például egy 2-áteresztő hőcserélőnél a beömlő csatorna két részre van osztva. A folyadékot bevezetik az egyik részbe, áthalad a csövek felén a túlsó végbe, irányt változtat a visszatérő burkolaton, visszahalad a többi csövön, és távozik a bemeneti oldali csatorna második részéből. 4 menetes hőcserélőben ez a művelet kétszer megismétlődik.

Az áthaladások száma mindig páros szám, így a szívó- és kimeneti fúvókák a hőcserélő ugyanazon a végén legyenek, ami leegyszerűsíti a csőcsatlakozásokat.

Fő különbségek a termikus{0}}hidraulikus viselkedésben
Az egymenetes vagy többmenetes PTFE hőcserélő kialakítását a folyadéksebességre, a hőátadási tényezőre, a nyomásesésre és a logaritmikus hőmérsékletkülönbségre (LMTD) gyakorolt ​​hatás befolyásolja.

Hőátbocsátási együttható és folyadéksebesség
A folyadék sebessége az egyes csövekben a csövek számának függvénye az egyes áthaladásokhoz egy adott teljes csőoldali áramlási sebességhez. Az egymenetes kialakításban az összes cső egyidejűleg aktív. A rendelkezésre álló áramlási terület az összes cső áramlási területének összege. Ezért a sebesség meglehetősen kicsi, hacsak nem nagy a teljes áramlási sebesség.

A több-menetes kialakításban ugyanazt a teljes áramlást vezetik át menetenként, a csövek csak egy töredékével. Egy 2-áteresztős hőcserélőben két azonos csőcsoporttal mindegyik átmenet tartalmazza az összes cső felét. Az egyes csövekben a sebesség megduplázódik az egymenetes forgatókönyvhöz képest (ugyanolyan teljes áramlási sebesség esetén). A sebesség megnégyszereződik a 4 menetes konfigurációval.

A konvektív hőátbocsátási tényező a csőoldali Reynolds-szám növekedésével nő a sebesség növekedése miatt. A hőátadást korlátozó akadály gyakran a cső-oldali folyadékfilmje (függetlenül attól, hogy a héj-oldali folyadék kondenzáló gőz, vagy nagy-vezetőképességű folyadék). Mivel a PTFE csövek hővezető képessége eleve gyenge, a cső oldali sebességének növelése nagymértékben növelheti az általános hőátadási tényezőt.

A nyomásesés hatásai
Magasabb sebességi költségek: A nyomásesés a sebesség négyzetével nő (nagyjából). A 2-menetes kialakításnál a csőoldali nyomásesés körülbelül 4-szerese az egymenetes kialakításnak (a sebesség kétszerese + további veszteségek a visszatérő motorháztetőben). A 4 menetes kialakításnál a nyomásesés 16-szor nagyobb lehet, plusz nagy veszteségek az iránykamrákban.

A gyakorlatban az alkalmazott menetek számát általában korlátozza a rendelkezésre álló szivattyúzási teljesítmény vagy a technológiai vonalban megengedett nyomásveszteség. A PTFE hőcserélők szokásos elrendezése 2-pass vagy 4{5}}pass. Ha a csőoldali folyadék közepes viszkozitású folyadék, és a szivattyúnak elég magas a nyomása, akkor az egyjáratú kiviteleket előnyben részesítik gázcső-oldali folyadékkal (ahol a nyomásesés fontosabbá válik) vagy már nagy áramlási sebességgel.

A log átlaghőmérséklet-különbség (LMTD) korrekciója
Az egyik fő különbség az, hogy a több-áteresztő rendszer nem pusztán ellenáram, ami csökkenti a tényleges hőmérséklet-hajtóerőt. Az LMTD a legmagasabb az egyjáratú hőcserélőben, ellenáramú elrendezéssel (a csőoldali folyadék ellentétes irányú a héjoldali folyadékkal). Egy több-áteresztő hőcserélőben az áramlási minta közel van a kevert vagy keresztáramhoz, és egy korrekciós tényezőt (néha F-nek neveznek) alkalmaznak az ellenáramú LMTD-re.

2-áteresztő hőcserélő esetén az LMTD korrekciós tényező általában a 0,95 és 0,99 közötti tartományban van a legtöbb működési helyzetben - egy kis csökkentés. A 4 menetes hőcserélőknél a tényező akár 0,90-0,95 is lehet. Magas hőmérsékletű keresztirányú alkalmazásoknál (ahol a bemeneti és a kimeneti hőmérséklet nagyon közel van) a korrekciós tényező lényegesen alacsonyabb lehet 1-nél, mivel a nagyobb sebesség előnyei kizáródhatnak. Így a több menetes kialakítások a legsikeresebbek a csõoldali mérsékelt hõmérsékletváltozás esetén.

A PTFE hőcserélő jelentősége
Mivel a PTFE alacsony hővezető képességgel rendelkezik, a cső{0}}oldali fólia ellenállása gyakran a domináns a teljes hőátadásban. Ezért az egyik fontos tervezési cél a cső-oldali együttható javítása. A több-áteresztő konstrukciók ezt úgy érik el, hogy az üzemi szivattyútól nem igényelnek nagyobb teljes áramlási sebességet, így kívánatosak utólagos felszerelésekhez, vagy ahol az áramlási sebesség rögzített.

A PTFE csövek azonban mechanikailag lágyak, és nagy áramlási sebesség mellett rezeghetnek. A túlzott sebesség a cső megremegését okozhatja, ami a terelőlemezek vagy a csőlap sérüléseihez vezethet. A PTFE-csövek esetében a tipikus javasolt csőoldali sebesség 0,5–2,0 m/s (1,6–6,6 láb/s). A több-áteresztő kialakítás, amely a sebességet 0,5 m/s-ról 1,0 m/s-ra növeli, jó, de 3,0 m/s-ra növelve mechanikai problémákat okozhat. A menetek számát úgy kell megválasztani, hogy a sebesség a gyártó által megadott tartományban maradjon.

Ezenkívül a hőátadás előnyeit egyensúlyban kell tartani a szivattyúzási költségekkel. A tartály keringetéséhez már rendelkezésre áll egy folyamatszivattyú. A több-útvonalú PTFE hőcserélő nyomásesése sok felületkezelési folyamatban elfogadható lehet. Alternatív megoldásként az egymenetes kialakítás nagyobb héjjal (több cső párhuzamosan) képes végrehajtani ugyanazt a funkciót kisebb nyomáseséssel, de magasabb tőkeköltséggel.

Összehasonlítási táblázat: Egy-áteresztő és több-áteresztő PTFE hőcserélők
Az alábbi táblázat tipikus teljesítménystatisztikákat mutat be rögzített teljes cső{0}}oldali áramlási sebességre és rögzített hőátadási területre vonatkozóan. Az értékek reprezentatívak ; A tényleges teljesítmény a méret és a folyadék jellemzőitől függ.

Csőáthaladások száma Relatív csősebesség* Relatív cső-Oldalsó hőátadási együttható** Relatív nyomásesés (csőoldal) LMTD korrekciós tényező Tartománya Tipikus alkalmazások
1 (Single-Pas) 1,0 (alapvonal) 1,0 (alapvonal) 1,0 (alapvonal) 1,00 (elképzelhető tiszta ellenáramlás)Nagy áramlási sebességű folyadékok; gázok; alacsony nyomásesésű rendszerek
2 (két-pass) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Jó egyensúly Leggyakrabban a PTFE folyadékcserélőknél
4 (Négy-Pass) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Nagy viszkozitású folyadékok vagy rendkívül magas U-érték szükséges; ellenőrizze a szivattyúzás költségeit
6 vagy 8 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Ritka; csak alacsony viszkozitású folyadékokkal és nagy megengedett ΔP sebességgel az egymenetes kialakításhoz képest, azonos számú csővel és áramlási sebességgel. Turbulens vagy átmeneti áramlásra becsült. A valódi javulás a Reynolds-szám kitevőjétől függ (általában h ~ v^0,8 turbulens áramlás esetén).

Gyakorlati szempontok a felületkezelésben
Számos felületkezelési alkalmazásnál (bevonatolás, eloxálás, pácolás) a csőoldali folyadék gyakran maga a folyamatfürdő, egy savas vagy lúgos oldat, amely szuszpendált részecskéket vagy oldott fémeket tartalmaz. A következő gyakorlati útmutatók érvényesek:

A kád keveréséhez vagy szűréséhez használt nagy áramlási sebességű cirkuláció gyakran egy{0}}áteresztős kialakítást tesz lehetővé. Ilyen körülmények között a sebesség már elegendő lehet, és több áthaladás csak növelné a nyomásesést a hőátadás megfelelő növekedése nélkül.

A kétmenetes kialakítás a leggyakrabban használt PTFE hőcserélő kialakítás a szerény méretű bevonatsorokhoz. A hőátadás jelentősen megnő, miközben a nyomásesés a normál centrifugálszivattyúk határain belül marad (általában 1-3 bar veszteség).

Ha a rendelkezésre álló hőátadási terület korlátozott (például egy utólag beépített hőcserélő, amelynek el kell férnie a meglévő térben), négy -áteresztős kialakítást használnak, és a szivattyú tartalék fejjel rendelkezik. Használják viszkózus folyadékok, például tömény foszforsav vagy más kémiai folyamatfürdők melegítésére is.

Azt is megemlítik, hogy a csőátmenetek optimális számát a shell-oldal elrendezése befolyásolja. Ha a héj-oldali folyadék gőz lecsapódása (amelynek nagyon magas a hőátbocsátási tényezője), akkor a cső-oldali ellenállása dominál, és a több-áteresztő kialakítás nagyon előnyös. Ha a héjoldali folyadék alacsony együtthatójú hűtővíz, akkor csak a csőoldal javítása nem biztos, hogy jelentős általános előnyt jelent.

Tervezési példa: Hány bérletet kell választani
Tekintsünk egy PTFE hőcserélőt, amely a nikkelezett fürdőt 55 °C-ról 60 °C-ra melegíti fel gőzzel a héj oldalán. A szükséges hőterhelés 100 kW. A keringtető szivattyú 30 m3/h fürdőfolyadékot tud keringetni a hőcserélőn keresztül. A 200 db 6 mm-es belső átmérőjű cső előzetes egymenetes tervezése 0,5 m/s csőoldali sebességet, 0,3 bar nyomásesést és 200 W/m2.K számított teljes hőátbocsátási tényezőt (U) eredményez. A szükséges terület 12 m².

A 2 menetes kialakítás (100 cső/menet) megduplázza a sebességet 1,0 m/s-ra. A csőoldali együttható közel 40%-kal nő, így az U 260 W/m2K. a szükséges terület 9,2 m2-re csökken (kisebb, olcsóbb hőcserélő). A nyomásveszteség nagyjából 1,2 bar-ra nő, ami még mindig a szivattyú teljesítményén belül van. A 2 menetes kialakítás minden bizonnyal jobb.

4 menetes konfiguráció esetén (50 cső menetenként) a sebesség 2,0 m/s, és az U körülbelül 300 W/m2.K-ra nő. Szükséges terület 8 m2 A nyomásesés azonban körülbelül 5 bar lesz, ami nagyobb lehet, mint a szivattyúmagasság, vagy magas energiafelhasználáshoz vezethet. Az LMTD korrekciós tényezője 0,93, ami némileg csökkenti a tényleges hajtóerőt. Ebben a forgatókönyvben az ideális kompromisszum a 2 lépéses kialakítás.

Utolsó szavak