Jak vzor rozmístění trubek (trojúhelníkový vs. čtvercový) ovlivňuje boční tok-shell a přenos tepla v PTFE výměníku?

Když tekutina na straně pláště prochází přes svazek PTFE trubek, vzor trubek – nazývaný „pitch“ vzor – ovlivňuje, zda se proudění klikatí turbulentně nebo proudí s menším odporem. Výběr rozvržení je základním a dlouhodobým-provozním rozhodnutím. Inženýři, kteří vyvíjejí nebo specifikují PTFE výměník tepla, musí ocenit kompromisy mezi trojúhelníkovým a čtvercovým roztečím, aby vyvážili výkon přenosu tepla a dlouhodobou-udržitelnost.

Geometrie uspořádání trubek
Vzory uspořádání trubek jsou popsány jako poloha středů trubek ve vztahu ke směru proudění na straně pláště. Nejoblíbenější uspořádání jsou trojúhelníková rozteč (včetně otočeného trojúhelníku) a čtvercová rozteč (včetně otočeného čtverce). Za všech okolností je rozteč trubek--středová vzdálenost mezi sousedními trubkami obvykle 1,25 až 1,5násobek vnějšího průměru trubky. Rozteč je navržena tak, aby poskytovala vhodnou mechanickou pevnost, aby se zabránilo kontaktu trubek a aby tekutina mohla proudit svazkem ze strany pláště.

Rozteč (střídavě) Trojúhelníkový
V trojúhelníkové rozteči je každá trubka ve druhé řadě přesazena o polovinu rozteče od první řady. To vede k rozloženému uspořádání, takže trasy toku nejsou v celém svazku v přímé linii. Kapalina na straně-skořápky je nucena procházet mezi trubicemi a neustále měnit směr.

Klíčové vlastnosti:

Více trubek na jednotku průřezu pláště-(vyšší hustota trubek)

Větší turbulence v proudění

Zvýšený pokles tlaku-na straně pláště

Mnohem větší koeficient prostupu tepla

Čtvercová (inline) rozteč
Trubky jsou ve čtvercovém rozteči, uspořádané do řad a sloupců a tvoří přímé koridory nebo pruhy ve směru bočního proudění-skořepiny. Kapalina může těmito průchody procházet prakticky bez překážek.

Klíčové vlastnosti:

Nižší hustota trubek (méně trubek pro stejný průměr pláště)

Turbulence se sníženým průtokem

pokles tlaku na spodní straně pláště

Nižší koeficient prostupu tepla (pro podobný hmotnostní průtok)

Dráhy pro mechanické čištění s přímým přístupem

Boční proudění-skořepiny a přenos tepla
Trojúhelníkový rozteč rozteče ničí laminární hraniční vrstvy a vyvolává nepřetržité míchání brázdy. Kapalina neproudí hladkými proudy, ale naráží, odděluje se a znovu se připojuje k trubicím. Takový chaotický pohyb zvyšuje přenos tepla konvekcí na površích trubek. Při daném průtoku na straně pláště může být koeficient přenosu tepla trojúhelníkového -roztečného svazku o 20–30 % vyšší než u stejnoměrného čtvercového- svazku.

Negativem je pokles tlaku. Turbulence, která zvyšuje přenos tepla, také využívá energii čerpání. V mnoha aplikacích PTFE výměníků, kde jsou kapalinami na straně pláště obvykle voda, pára nebo čistá chladicí média, je však mírné zvýšení tlakové ztráty přijatelné.

Lineární uspořádání zachovává čisté průtokové pruhy ve čtvercové rozteči. Tekutina na straně pláště se také zrychluje v úzkých mezerách mezi trubkami, ale proudění je více laminární nebo přechodné s menším příčným -mícháním. V důsledku toho se snižuje koeficient prostupu tepla. Pro stejnou tepelnou odolnost může svazek čtvercového -rozteče vyžadovat větší průměr pláště nebo delší délku trubky.

Porovnání hustoty trubek
Při trojúhelníkovém rozteči můžete mít asi o 15 % více trubek ve stejném průměru pláště jako u čtvercového rozteče. Je to důsledek efektivity balení. U PTFE výměníků jsou stěny trubek často poměrně silné a mají nízkou tepelnou vodivost (ve srovnání s kovovými trubkami), proto je často žádoucí maximalizovat počet trubek, aby se kompenzoval vlastní tepelný odpor PTFE. Trojúhelníkové uspořádání zvětšuje teplosměnnou plochu bez zvětšení velikosti pláště.

Přístup k mechanickému čištění, hlavní dlouhodobý problém
Velkým dlouhodobým hlediskem je přístup pro čištění. Kapacita pro odstranění znečišťujících usazenin ze strany pláště výměníku určí, zda lze jednotku po měsících nebo letech používání obnovit na předchozí výkon.

V trojúhelníkové rozteči přesazená geometrie neumožňuje přímý, ničím nerušený pohled v celém svazku. Mechanické čisticí nástroje, jako jsou spřádací nástavce, vysokotlaké vodní trysky nebo drátěné kartáče, nemohou být vedeny mezi trubicemi. U trojúhelníkového-rozteče je jediným způsobem čištění chemické čištění (cirkulující kyseliny, rozpouštědla nebo detergenty). Chemické čištění je účinné při odstraňování mnoha typů znečištění (vodní kámen, organické usazeniny, lehký kal), ale tvrdé trvalé usazeniny nebo ty, které se nerozpustí v bezpečných chemikáliích, mohou být méně úspěšně ošetřeny.

Čtvercové rozteč umožňuje volný přístup s rovnými chodbami mezi řadami trubek. Mechanická čisticí tryska může být vedena skrz stranu pláště, obvykle od odnímatelného konce kanálu, pro otryskávání nebo kartáčování usazenin z trubek. Čtvercová rozteč je výchozí volbou, když je známo, že kapalina na straně pláště- silně znečišťuje-, například nečistá chladicí voda, proudy polymeračních procesů nebo kapaliny obsahující suspendované částice, které se připečou na povrchy.

Aplikace ve výměnících tepla-z PTFE
Pro korozivní provoz na straně trubek (kapalina uvnitř trubek) jsou nejčastěji specifikovány výměníky tepla z PTFE. PTFE trubky odolávají poškození silnými kyselinami, zásadami a organickými rozpouštědly. V mnoha závodech strana pláště přepravuje čistou užitkovou tekutinu, jako je chladicí voda, pára nebo teplonosný olej. Znečištění je nízké, protože kapaliny na straně-skořepiny jsou obecně čisté. Výsledkem je, že u PTFE výměníků převládá trojúhelníkové stoupání. Přímo zlepšuje výkon s vyšším koeficientem prostupu tepla a zvýšenou hustotou trubice bez sankcí za čištění.

Jiný problém však nastává, když korozivní nebo znečišťující kapalina musí být na straně pláště. K tomu dochází v některých procesních uspořádáních - – např. tam, kde je třeba otevřít stranu pláště pro kontrolu, nebo kde je strana trubky vyhrazena pro čistou tekutinu, aby se snížil pokles tlaku. Pokud se kapalina na straně pláště zanese, pak je silně preferována čtvercová rozteč. Ztráta tepelného výkonu je kompenzována schopností mechanického čištění vnějšku PTFE trubek během ročních odstávek údržby.

Kompromis v kostce
Trojúhelníkový rozteč FeaturePitch Square
Hustota trubek Vyšší (~15 % více trubek) Dolů.
Boční turbulence skořepiny Vysoká (proudění střídavě) Nízká až střední (paralelní pruhy)
Součinitel přenosu teplaVyšší Nižší
Pokles tlaku na straně pláštěVyšší Dolní
Přístup k mechanickému čištění. Žádný (pouze chemické čištění) Dobrý (přímý přístup)
Obvyklé použití PTFE výměníků teplaČištěná kapalina (voda, pára, olej) na straně pláště Zanešení Shell-Side Fluid
Ve skutečnosti je volba mezi trojúhelníkovým a čtvercovým roztečím pro uspořádání trubek výměníku PTFE trojúhelníkový čtverec jen zřídka záležitostí čisté nadřazenosti. Je to kompromis mezi výkonem a udržovatelností. Trojúhelníkový tvar poskytuje kompaktnější a efektivnější výměník pro čisté boční-provozy. Čtvercový vzor kompromituje malý tepelný výkon, aby získal možnost obnovit výkon pomocí trysky nebo kartáče pro znečištění.

Vliv uspořádání na náklady životního cyklu výměníků PTFE
Kromě okamžitých tepelných a hydraulických problémů ovlivňuje celkové náklady na vlastnictví také uspořádání trubek. Trojúhelníkový-výměník může mít levnější první náklady (menší plášť pro stejnou plochu) a nižší provozní energii (lepší účinnost přenosu tepla), ale pokud se strana pláště znečistí a chemické čištění neobnoví výkon, může být nutné jednotku předčasně vyměnit. Naproti tomu výměník se čtvercovým-roztečím může mít větší plášť a vyšší počáteční cenu, ale lze jej opakovaně mechanicky čistit a prodlužovat tak životnost do nekonečna.