Într-un schimbător-și-tuburilor din PTFE, fluidul lateral-tubului poate face o singură călătorie de la intrare la ieșire sau poate fi direcționat înainte și înapoi prin pachet de mai multe ori. Numărul de treceri influențează viteza fluidului, eficiența transferului de căldură și puterea de pompare necesară. Deoarece PTFE are în mod inerent o conductivitate termică scăzută (aproximativ 0,25 W/m·K), maximizarea coeficientului de transfer de căldură din partea tubului-este adesea o prioritate. Cu toate acestea, alegerea între un design cu o singură trecere-și unul cu mai multe-pasi nu este simplă-ci implică un compromis-deliberat între îmbunătățirea transferului de căldură și penalizarea căderii de presiune.
Înțelegerea aranjamentelor Tube Pass
Numărul de treceri de tub se referă la de câte ori fluidul care călătorește prin tuburi traversează lungimea schimbătorului. Trecerile sunt create prin instalarea divizoarelor (partiții de trecere) în canal sau capotă la unul sau ambele capete ale schimbătorului. Aceste separatoare forțează fluidul să curgă doar printr-o porțiune a tuburilor înainte de a inversa direcția și de a intra într-un alt set de tuburi.
Design cu o singură trecere-
Într-un schimbător cu o singură trecere -(1-pasare), fluidul din partea tubului intră în canal la un capăt, curge drept prin toate tuburile în paralel și iese la capătul opus. Nu se folosesc separatoare interne. Aceasta este cea mai simplă configurație de flux.
Design cu mai multe treceri-(2 treceri, 4 treceri etc.)
Într-un design cu mai multe-pasi, fluidul face traversări multiple prin fascicul de tuburi. De exemplu, într-un schimbător cu 2-pasi, canalul de intrare este împărțit în două secțiuni. Fluidul intră într-o secțiune, curge prin jumătate din tuburi până la capătul îndepărtat, inversează direcția într-o capotă de retur, curge înapoi prin tuburile rămase și iese din a doua secțiune a canalului de intrare. Într-un schimbător cu 4 treceri, procesul se repetă de două ori.
Numărul de treceri este întotdeauna egal pentru a menține duzele de intrare și de evacuare la același capăt al schimbătorului, simplificând conexiunile conductelor.
Diferențele cheie în performanța termică-hidraulică
Decizia dintre aschimbător de căldură PTFE cu o singură trecere vs. cu mai multe treceriproiectarea depinde de modul în care sunt afectate viteza fluidului, coeficientul de transfer de căldură, căderea de presiune și diferența medie de temperatură (LMTD).
Viteza fluidului și coeficientul de transfer de căldură
Pentru un debit total-din partea laterală a tubului, viteza fluidului din fiecare tub este determinată de numărul de tuburi active în fiecare trecere. Într-un design cu o singură trecere-, toate tuburile sunt active simultan. Aria-secțiunii transversale disponibilă pentru curgere este aria totală de curgere a tuturor tuburilor. Prin urmare, viteza este relativ mică, cu excepția cazului în care debitul total este mare.
Într-un design cu mai multe-pasi, același debit total este forțat doar printr-o fracțiune din tuburi pe trecere. Pentru un schimbător cu 2-pasi cu două grupuri de tuburi egale, fiecare trecere conține jumătate din totalul tuburilor. Viteza din fiecare tub se dublează în comparație cu cazul cu o singură trecere (pentru același debit total). Pentru un design cu 4 treceri, viteza se multiplică de patru ori.
Viteza mai mare crește numărul Reynolds-tubului, care, la rândul său, crește coeficientul de transfer de căldură convectiv. Deoarece tuburile PTFE au deja o conductivitate termică scăzută, rezistența limită la transferul de căldură se află adesea pe pelicula de fluid-laterală a tubului (dacă fluidul-din partea carcasei este un vapor de condensare sau un lichid cu-conductivitate ridicată). Creșterea vitezei laterale-tubului poate îmbunătăți substanțial coeficientul general de transfer de căldură.
Consecințele căderii de presiune
Viteza mai mare are un cost: căderea de presiune crește cu pătratul vitezei (aproximativ). Pentru un design cu 2-treceri, căderea de presiune-din partea tubului este de aproximativ patru ori mai mare decât a unui proiect cu o singură trecere (viteză dublată, plus pierderi suplimentare în capacul de retur). Pentru un design cu 4 treceri, căderea de presiune poate fi de 16 ori mai mare, plus pierderi semnificative în camerele de inversare.
În practică, puterea de pompare disponibilă sau căderea de presiune admisibilă în linia de proces limitează adesea câte treceri pot fi utilizate. O configurație obișnuită pentru schimbătoarele de căldură din PTFE este 2-passări sau 4-passări atunci când fluidul din partea-tubului este un lichid cu vâscozitate moderată și pompa are o înălțime suficientă. Proiectele cu o singură trecere sunt favorizate atunci când fluidul din partea tubului este un gaz (unde căderea de presiune este mai critică) sau când debitul este deja mare.
Corectarea diferenței medii de temperatură (LMTD).
O subtilitate importantă este că modelele cu mai multe-passări se abat de la contracurent pur, reducând forța de antrenare efectivă a temperaturii. Într-un schimbător cu o singură trecere-cu aranjament în contracurent (fluid din partea tubului-în direcția opusă fluidului din partea-învelișului), LMTD este la maxim. Într-un schimbător cu mai multe treceri, modelul de curgere se apropie de flux mixt sau încrucișat, necesitând un factor de corecție (notat în mod obișnuit ca F) aplicat LMTD în contracurent.
Pentru un schimbător cu 2-passări, factorul de corecție LMTD este de obicei între 0,95 și 0,99 pentru majoritatea condițiilor de funcționare-o reducere minoră. Pentru schimbătoarele cu 4-passări, factorul poate scădea la 0,90–0,95. Pentru aplicațiile cu temperatură înaltă-încrucișată (unde temperaturile de intrare și de ieșire sunt foarte apropiate), factorul de corecție poate fi semnificativ mai scăzut, potențial anulând beneficiile unei viteze mai mari. Prin urmare, modelele cu mai multe treceri sunt cele mai eficiente atunci când schimbarea temperaturii pe partea tubului este moderată.
Relevanța pentru schimbătoarele de căldură din PTFE
Deoarece PTFE are o conductivitate termică scăzută, rezistența filmului lateral-tubului domină adesea transferul general de căldură. Îmbunătățirea coeficientului lateral-tubului este, prin urmare, un obiectiv principal de proiectare. Proiectele cu mai multe-passări realizează acest lucru fără a necesita un debit total mai mare de la pompa instalației, ceea ce le face atractive pentru modernizari sau aplicații în care debitul este fix.
Cu toate acestea, tuburile din PTFE sunt moi mecanic și predispuse la vibrații la viteze mari de curgere. Viteza excesivă poate provoca fluturarea tubului, ceea ce duce la frecare împotriva deflectoarelor sau deteriorarea foii tubulare. Vitezele laterale recomandate tipice ale tubului-pentru tuburile PTFE variază de la 0,5 până la 2,0 m/s (1,6 până la 6,6 ft/s). Este benefic un proiect-multiple care crește viteza de la 0,5 m/s la 1,0 m/s; ridicarea acestuia la 3,0 m/s poate cauza probleme mecanice. Numărul de treceri trebuie selectat pentru a menține viteza în intervalul recomandat de producător.
De asemenea, este important să echilibrați câștigurile transferului de căldură cu costul de pompare. În multe operațiuni de finisare a suprafețelor, pompa de proces există deja pentru circulația rezervorului, iar căderea suplimentară de presiune de la un schimbător de PTFE cu mai multe treceri poate fi acceptabilă. În alte cazuri, un design cu o singură trecere-cu o carcasă mai mare (mai multe tuburi în paralel) poate atinge aceeași sarcină cu o cădere de presiune mai mică, deși la un cost de capital mai mare.
Tabel de comparație: Schimbătoare de căldură PTFE cu trecere unică vs. cu trecere multiple-
Tabelul de mai jos compară caracteristicile de performanță tipice pentru un debit total fix-tubului lateral și o zonă fixă de transfer de căldură. Valorile sunt ilustrative; performanța reală depinde de dimensiunile specifice și de proprietățile fluidului.
| Numărul de treceri de tub | Viteza relativă a tubului* | Coeficient relativ de transfer termic al tubului-lateral** | Cădere de presiune relativă (partea tubului) | Intervalul factorului de corecție LMTD | Aplicații tipice |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (-persă unică) | 1.0 (linie de bază) | 1.0 (linie de bază) | 1.0 (linie de bază) | 1.00 (posibil contracurent pur) | Sisteme de-cădere-de presiune scăzută; gaze; lichide cu debit-înalt{{3} |
| 2 (Două-treceri) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Cel mai frecvent pentru schimbătoarele de PTFE lichid; echilibru bun |
| 4 (Patru-treceri) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Lichide cu-vâscozitate ridicată sau când este necesară o valoare U-foarte mare; verificați costul de pompare |
| 6 sau 8 trece | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Rar; numai cu fluide cu-vâscozitate scăzută și ΔP admisibil ridicat |
* Viteza relativă la designul cu o singură trecere-cu același număr de tuburi și debit.
** Estimată pentru flux turbulent sau de tranziție. Îmbunătățirea reală depinde de exponentul numărului Reynolds (de obicei h ~ v^0,8 pentru curgerea turbulentă).
Considerații practice pentru finisarea suprafeței
În aplicațiile de finisare a suprafețelor (placare, anodizare, decapare), fluidul lateral-tubului este adesea baia de proces în sine-o soluție acidă sau alcalină cu solide în suspensie sau metale dizolvate. Se aplică următoarele îndrumări practice:
Designuri cu o singură trecere{0}sunt frecvent utilizate atunci când baia este circulată la un debit mare pentru amestecarea în rezervor sau filtrare. În astfel de cazuri, viteza poate fi deja suficientă, iar adăugarea de treceri ar crește doar căderea de presiune fără un câștig proporțional în transferul de căldură.
Două-designe de treceresunt cea mai comună configurație pentru schimbătoarele de căldură PTFE în liniile de placare de dimensiuni medii-. Acestea oferă o creștere semnificativă a transferului de căldură, menținând în același timp căderea de presiune în limita capacității pompelor centrifuge standard (în mod obișnuit, pierderi de 1-3 bar).
Patru-modele de treceresunt utilizate atunci când aria disponibilă de transfer de căldură este limitată (de exemplu, un schimbător adaptat ulterioară care trebuie să se încadreze în spațiul existent) și pompa are cap de rezervă. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru încălzirea fluidelor vâscoase, cum ar fi acidul fosforic concentrat sau anumite băi de proces organic.
Este demn de remarcat faptul că aranjamentul lateral-carcasai influențează și numărul optim de treceri de tub. În cazul în care fluidul-laterală a carcasei este abur de condensare (care are un coeficient de transfer de căldură foarte mare), rezistența-laterală a tubului domină, iar modelele cu mai multe-pasi sunt extrem de benefice. Dacă fluidul-partea carcasei este o apă de răcire cu un coeficient scăzut, numai îmbunătățirea părții tubului poate să nu producă o îmbunătățire generală mare.
Exemplu de proiectare: Selectarea numărului de treceri
Luați în considerare un schimbător de căldură PTFE care încălzi o baie de nichelare de la 55 de grade la 60 de grade folosind abur pe partea carcasei. Sarcina termică necesară este de 100 kW. Pompa de circulație disponibilă furnizează 30 m³/h de lichid de baie prin schimbător. Un proiect preliminar cu o singură trecere folosind 200 de tuburi cu 6 mm ID oferă o viteză laterală-tubului de 0,5 m/s, o cădere de presiune de 0,3 bar și un coeficient global de transfer de căldură (U) calculat de 200 W/m²·K. Suprafața necesară este de 12 m².
Prin trecerea la un design cu 2-pasi (100 de tuburi pe trecere), viteza se dublează la 1,0 m/s. Coeficientul lateral-tubului crește cu aproximativ 40%, ridicând U la 260 W/m²·K. Suprafața necesară scade la 9,2 m² (un schimbător mai mic, cu costuri mai mici). Căderea de presiune crește la aproximativ 1,2 bar, ceea ce este încă în capacitatea pompei. Designul cu 2 treceri este net superior.
Dacă se ia în considerare un design cu 4 treceri (50 de tuburi pe trecere), viteza ajunge la 2,0 m/s, iar U crește la aproximativ 300 W/m²·K. Suprafața necesară scade la 8 m². Cu toate acestea, căderea de presiune crește la aproximativ 5 bari, ceea ce poate depăși capul pompei sau poate provoca un consum excesiv de energie. Factorul de corecție LMTD scade la 0,93, reducând ușor forța motrice reală. În acest caz, designul cu 2 treceri oferă cel mai bun echilibru.
Concluzie
Numărul optim de treceri de tuburi într-un schimbător de căldură din PTFE depinde de scăderea de presiune disponibilă și de necesitatea de a îmbunătăți transferul de căldură în interiorul tuburilor PTFE cu{0}}conductivitate scăzută. Designurile cu o singură trecere minimizează căderea de presiune și mențin LMTD în contracurent complet, făcându-le potrivite pentru gaze sau sisteme cu capacitate de pompare limitată. Design-urile cu mai multe-passări (de obicei 2-passări sau 4-passări) măresc viteza pe partea tubului, mărind coeficientul de transfer de căldură cu prețul unei căderi mai mari de presiune și a unei mici reduceri a LMTD. Pentru majoritatea aplicațiilor de finisare a suprafețelor lichide, un design cu două treceri oferă un compromis eficient, oferind câștiguri semnificative de performanță fără solicitări excesive de pompare.
Optimizarea termică-hidraulică este o parte standard a designului schimbătorului de căldură din PTFE. Numărul corect de treceri este determinat prin echilibrarea îmbunătățirii transferului de căldură cu constrângerile de cădere de presiune, respectând în același timp limitele de viteză ale PTFE pentru a evita vibrația tubului. Atunci când este specificat în mod corespunzător, aranjamentul de trecere selectat asigură că schimbătorul își îndeplinește datoria în mod fiabil și eficient pe durata de viață.
