Jak se liší PTFE výměníky tepla bajonetového-typu od konvenčních konstrukcí s pevnými trubkovnicemi?

Většina plášťových a trubkových výměníků má trubky připojené na obou koncích. Bajonetový výměník to otočí na hlavu: trubky jsou upevněny pouze na jednom konci, druhý konec se může volně klouzat v utěsněném vnějším plášti. Tento jednoduchý design překonává dva dlouhodobé-nebezpečí, tepelnou zátěž a přístup k údržbě. Bajonetové uspořádání je lákavou alternativou pro náročné povrchové úpravy a chemické procesní aplikace zahrnující PTFE tepelné výměníky, kde vysoký koeficient tepelné roztažnosti materiálu (CTE) činí řešení s pevnými trubkovnicemi problematická.

Konstrukce bajonetu (vysvětleno)
Název bajonetového výměníku tepla z PTFE vychází ze vzhledu bajonetové- žárovky nebo potrubní spojky, ve které je jedna část vložena do druhé a zajištěna v jednom bodě. Bajonetová trubka se skládá ze dvou soustředných trubek, vnitřní trubky a vnější trubky, utěsněných na vzdáleném konci v terminologii výměníku tepla. Sestava je umístěna v plášti (nebo přímo do nádrže) a je zajištěna pouze na vstupním/výstupním konci-typicky na trubkovnici nebo přírubě. Druhý konec tyče se může tepelně roztahovat a smršťovat.

U bajonetové konfigurace je trasa tekutiny obvykle strukturována jako:

Servisní kapalina (pára, horká voda nebo chladicí kapalina) je přiváděna vnitřní trubkou a proudí na utěsněný konec.

Tekutina se na utěsněném konci otáčí a proudí zpět v prstencové oblasti mezi vnitřní a vnější trubicí.

Teplo je dodáváno do procesní kapaliny na straně pláště (nebo na straně nádrže) přes vnější stěnu trubky.

Tekutina pak opouští prstencový prostor stejným koncem, do kterého vstoupila.

Průtokový kanál „v-a-odchozí“ znamená, že jak sací, tak výstupní konektor jsou na stejném konci výměníku. Volný konec bajonetové trubice je volný s výjimkou těsnění a může se volně axiálně pohybovat.

Hlavní rozdíly oproti tradičním konstrukcím s pevnými trubkovnicemi
V tradičním výměníku tepla z PTFE s pevnou trubkou jsou trubky upevněny na obou koncích, přičemž trubkovnice je na vstupním konci a druhá na výstupním konci. Svazek trubek je nedílnou součástí pláště a boční trysky- pláště jsou k plášti přivařeny. Mechanické chování a snadná údržba jsou zcela odlišné.

Akomodace tepelné zátěže
Kromě toho je roztažnost PTFE 10 až 20krát větší než u oceli (120 až 150 × 10-6 / stupeň versus 11 × 10-6 / stupeň). V pevném provedení trubkovnice se PTFE trubice o délce 2 m zahřátá z 20 stupňů na 100 stupňů roztáhne asi o 12–15 mm. Oba konce jsou pevné, takže toto roztažení vytváří tlakové síly, které mohou zkroutit PTFE trubici nebo poškodit spoje trubkovnice. Aby se tomu zabránilo, pevný trubkový výměník PTFE bude muset:

Plovoucí hlava (umožňující pohyb jedné trubkovnice), popř

Dilatační spára v plášti; alternativně,

Velmi krátké délky trubek (omezení kapacity výměníku)

Každá z těchto možností zvyšuje náklady, složitost a možná místa úniku.

Na druhé straně bajonetový výměník tepla z PTFE je skutečně odolný vůči tepelné roztažnosti. Volný konec bajonetové trubice axiálně klouže v plášti nebo vnějším plášti, jak se PTFE roztahuje a smršťuje. Odpadá potřeba dilatačního spoje, plovoucí hlavy nebo jedinečného přizpůsobení materiálu. Bajonetový tvar je obzvláště atraktivní pro aplikace zahrnující velké teplotní výkyvy nebo časté tepelné cykly.

Přístup k údržbě a vyjímatelnost svazků
Bajonetová konstrukce má velkou mechanickou výhodu v tom, že celý svazek trubek lze z výměníku vyjmout, aniž by došlo k narušení bočního potrubí pláště. Svazek je vložen do pláště na jednom konci a je držen na místě pomocí jedné příruby nebo trubkovnice. Vyjmutí svazku za účelem čištění, kontroly nebo výměny:

Vstupní/výstupní potrubí na straně trubky je odpojeno.

Demontujte šrouby příruby svazku.

Svazek je vytahován z pláště v axiálním směru.

Plášť je na svém místě a veškeré boční{0}}potrubí (včetně trysek, těsnění a konektorů) je neporušené.

V pevném provedení trubkovnice je odstranění svazku trubek mnohem složitější. Oba konce pláště musí být otevřeny a může být nutné odpojit boční trysky pláště nebo odstranit celý výměník z potrubí. To může být velký projekt pro velké výměníky v rušných procesních lokalitách.

U služeb, kde je nutné pravidelné čištění (například vany pro povrchovou úpravu náchylné k zanášení-), je snadné odstranění svazků v bajonetovém výměníku rozhodující výhodou. Vytažení, vyčištění a vložení bajonetového svazku trvá jen hodiny; pevný svazek trubkovnice může znamenat celý den nebo více prostojů.

Tepelné problémy s výkonem
Bajonetový design má kompromis-teplotního výkonu. Prstencová průtoková dráha (tekutina proudící ve vnitřní trubici a zpět skrz mezikruží) poskytuje dvojitý-trubkový efekt. Existují dva důvody, proč je celkový koeficient přestupu tepla poněkud nižší než u srovnatelného protiproudého provedení s pevnou trubkovnicí:

Snížený efektivní teplotní rozdíl - Vzor proudění není čistý protiproud, ale směs protiproudu a paralelního proudění, což snižuje logaritmický střední teplotní rozdíl (LMTD).

Nižší rychlost na straně prstence - Při stejném celkovém průtoku může mít prstencová mezera nižší rychlost než jedna trubka, což ovlivňuje koeficient filmu.

Toto snížení je však často malé (10-20 %) a často je potlačeno možností použití delších trubek (protože tepelná roztažnost není omezujícím faktorem) a provozu při vyšších rychlostech na straně pláště. V mnoha aplikacích povrchové úpravy výhody použitelnosti výrazně převažují nad malou nevýhodou účinnosti.

Materiály a konstrukce
Bajonetové výměníky jsou oblíbené pro konstrukci z grafitu a PTFE, protože jsou křehké nebo se pod napětím tečou a tyto materiály mají značnou tepelnou roztažnost. Bajonetový design pracuje s kvalitami materiálu, nikoli proti nim.

U PTFE bajonetových výměníků jsou vnitřní a vnější trubky obvykle vyrobeny z PTFE nebo PFA (perfluoralkoxy). Utěsněný konec je vyroben svařením nebo tepelným spojením dvou trubek dohromady. Volný konec je otevřený a vnitřní trubka prochází trubkovnicí nebo objímkou. Vnější trubka je utěsněna proti trubkovnici PTFE těsněním nebo O-kroužkem, který umožňuje axiální posuv a zabraňuje úniku.

Je třeba poznamenat, že volný konec bajonetové trubice musí být držen, aby se zabránilo vibracím. U dlouhých bajonetových trubek (např. . 3-5 m) jsou uvnitř pláště použity mezilehlé opěrné kroužky nebo přepážky k vedení vnější trubky, aniž by bránily axiálnímu pohybu. Bez této podpory mohou vibrace-vyvolané prouděním způsobit opotřebení a předčasné selhání.

Srovnávací tabulka: Bajonetový vs. pevný trubkový PTFE výměník Funkce bajonetového stylu PTFE výměník Pevný trubkový PTFE výměník Upevnění trubek Jeden konec pevný, druhý konec volně pohyblivýOba konce připevněné k trubkovnicím
Thermal Expansion Accommodation Inherent – ​​skluzavky s volným koncem; není potřeba žádný kompenzátor Vyžaduje plovoucí hlavu, kompenzátor nebo extrémně krátké trubky
Odnímatelnost svazku Snadné vytažení svazku z jednoho konce bez narušení potrubí pláště Obtížná demontáž obou konců Často vyžaduje odstranění výměníku z potrubí
Trysky v ShellCan mohou zůstat připojené během odebírání svazku Výměník je nutné odpojit nebo přesunout
Boční připojení trubky Vstup a výstup na stejném konci Vstup a výstup na opačných koncích (obecně)
Průtok dovnitř a ven přes soustředné trubky (dvojitý{0}}trubkový efekt)Přímý (jeden průchod) nebo více-průchod s vratným krytem
Tepelná účinnost Mírně snížená (korekční faktor LMTD 0,85–0,95) Vyšší (může získat skutečný protiproud)
Průměr Max. Délka trubky Tepelné namáhání s omezenou manipulací a vibracemi Omezeno tepelnou roztažností (obvykle 1,5–2,5 m pro PTFE bez dilatační spáry)
Tolerance znečištění Dobrá, svazek je odnímatelný pro čištěníSpravedlivé – čištění zabere delší dobu mimo provoz
Cena za malé jednotky. Střední - jednoduchá trubkovnice, bez dilatačního spoje Dolní - Snazší montáž pro krátké trubky
Náklady na velké/dlouhé jednotkyNižší – nejsou potřeba nákladné kompenzátory Vyšší – plovoucí hlava nebo kompenzátor zvyšují náklady
Praktické použití pro bajonetové PTFE tepelné výměníky
Při chemickém zpracování a povrchové úpravě je bajonetové provedení preferováno pro řadu specializovaných případů:

Silné tepelné cyklování - Dávkové postupy s několika cykly ohřevu a chlazení výměníku každý den. Volné-posuvné bajonetové trubky umožňují tuto jízdu bez hromadění stresu.

Odstraňování nečistot - Lázeň, která zanechává vodní kámen, kal nebo organické povlaky na teplosměnném povrchu. Je důležité, aby bylo možné pravidelně vytahovat svazek pro mechanické nebo chemické čištění.

Agresivní kyselá prostředí vyžadující PTFE - PTFE je chemicky inertní a určený pro agresivní kyseliny (např. chlorovodíková, sírová, fluorovodíková). Bajonetový design snižuje počet těsnění a potenciálních netěsností na straně trubky.

Omezený přístupový prostor - Když je potřeba výměník zabudovat do jámy, ke zdi nebo na místo, kde nelze dosáhnout přístupu na oba konce. Bajonetový výměník se obsluhuje pouze na jednom konci.

Dodatečné instalace - Výměna stávajícího pevného trubkovnicového výměníku s problémy s tepelnou únavou Hlavní příčina těchto poruch je odstraněna bajonetovým provedením.

Naproti tomu pevné trubkovnicové systémy stále soutěží o:

Malé, krátké výměníky (délka trubky < 1,5 m), kde tepelná roztažnost není problém.

Aplikace bez tepelného cyklování. Velmi čisté tekutiny.

Když je nutný čistý protiproud pro maximalizaci LMTD (např. rekuperace tepla s blízkým teplotním přístupem).

Projekty s omezeným rozpočtem, kde jsou hlavní hnací silou nejnižší počáteční náklady.

Úvahy o instalaci a provozu
Při specifikaci výměníku tepla z PTFE bajonetového typu je třeba vzít v úvahu řadu praktických aspektů.

Podpěra volného konce Volný konec bajonetové trubky by měl být podepřen, ale ne pevně upevněn. Kontaktu kov-na-PTFE je zabráněno pomocí PTFE opotřebitelných objímek nebo kroužků s nízkým-třením.

Konstrukce těsnění - Posuvné těsnění pro vstup vnější trubky do trubkovnice musí umožňovat axiální pohyb bez úniku. Běžná jsou PTFE břitová těsnění nebo O-kroužky s pružinovými zdroji energie.

Rozložení průtoku - Zajistěte, aby byla prstencová mezera dostatečně velká, aby nedošlo k nadměrnému poklesu tlaku. Mezera je obecně 2-5 mm, v závislosti na průměru trubky a rychlosti proudění.

Vibrace trubek - Přepážky nebo nosné desky by měly být umístěny v intervalech 0,5–1,0 metru, aby se zabránilo vibracím vyvolaným vírem-. Podpěry musí umožňovat axiální posuv.

Všimněte si také, že bajonetové výměníky mohou být instalovány v mnoha počtech v jednom plášti. Více-bajonetový design využívá velký počet bajonetových trubic v tandemu, všechny jsou upevněny na stejném trubkovnici. Toto uspořádání poskytuje velkou plochu pro přenos tepla a přístup pro údržbu pouze z jednoho konce.

Závěr