Jaké jsou relativní přednosti jednoprůchodových a víceprůchodových PTFE výměníků tepla?

V trubkovém-a{1}}trubkovém výměníku z PTFE může tekutina na straně trubek-procházet ze vstupu na výstup jednou nebo může být několikrát recirkulována svazkem. Počet průchodů určuje rychlost tekutiny, účinnost přenosu tepla a požadovaný čerpací výkon. Často se zaměřujeme na maximalizaci součinitele prostupu tepla na straně trubice, protože PTFE má skutečně nízkou tepelnou vodivost (asi 0,25 W/m·K). Výběr jednoprůchodového nebo víceprůchodového designu však není triviální,{11}}jedná se o vědomý kompromis- mezi zvýšením přenosu tepla a penalizací poklesu tlaku.

Vysvětlení uspořádání průchodu tubusem
Počet průchodů trubek je počet, kolikrát tekutina procházející trubkami proteče po délce výměníku. Průchody se vyrábějí umístěním přepážek (přepážek průchozích) do kanálu nebo víka na jednom nebo obou koncích výměníku. Tyto přepážky umožňují tekutině protékat pouze některými trubicemi, než se obrátí a proudí do druhé sady trubek.

Konstrukce s jedním-průjezdem
V jednom-průchodovém (1{2}}průchodovém) výměníku tekutina na straně trubky vstupuje do kanálu na jednom konci, prochází přímo všemi trubkami paralelně a vystupuje na opačném konci. Nejsou zde žádné vnitřní stěny. Toto je nejjednodušší návrh toku.

Více{0}}průchodový design (2 průchody, 4 průchody atd.)
Při více{0}}průchodovém uspořádání prochází tekutina svazkem trubek několikrát. Například u 2-průchodového výměníku je přítokový kanál rozdělen na dvě části. Kapalina je přiváděna do jedné části, prochází polovinou trubek ke vzdálenému konci, mění směr ve vratném víku, prochází zpět zbývajícími trubkami a odchází z druhé části kanálu na vstupní straně. Ve 4průchodovém výměníku se tato operace opakuje dvakrát.

Počet průchodů je vždy sudé číslo, takže sací a výstupní trysky jsou na stejném konci výměníku, což zjednodušuje připojení potrubí.

Hlavní rozdíly v tepelném-hydraulickém chování
Výběr jednoprůchodového nebo víceprůchodového PTFE tepelného výměníku je ovlivněn dopadem na rychlost tekutiny, koeficient přestupu tepla, tlakovou ztrátu a logaritmický rozdíl střední teploty (LMTD).

Koeficient přenosu tepla a rychlost kapaliny
Rychlost tekutiny v každé trubici je funkcí počtu trubek používaných pro každý průchod pro konkrétní celkový průtok na straně trubky. V jednoprůchodovém provedení jsou všechny trubky aktivní současně. Dostupná průtoková plocha je součtem průtokových ploch všech trubic. Proto je rychlost spíše malá, pokud celkový průtok není velký.

Ve více{0}}průchodovém provedení je stejný celkový průtok protlačen na jeden průchod s použitím pouze zlomku trubek. Ve 2-průchodovém výměníku se dvěma identickými skupinami trubek obsahuje každý průchod polovinu celkového počtu trubek. Rychlost v každé trubici je dvojnásobná oproti scénáři s jedním průchodem (při stejném celkovém průtoku). Rychlost je čtyřnásobná při konfiguraci se 4 průchody.

Součinitel prostupu tepla konvekcí se zvyšuje se zvýšením Reynoldsova čísla na straně trubky v důsledku zvýšení rychlosti. Omezující překážkou pro přenos tepla je často-tekutý film na straně trubice (ať už je kapalina na straně-skořápky kondenzující pára nebo kapalina s vysokou-vodivostí). Vzhledem k tomu, že PTFE trubice již mají špatnou tepelnou vodivost, zvýšení boční rychlosti trubice může výrazně zvýšit celkový koeficient přenosu tepla.

Účinky poklesu tlaku
Vyšší náklady na rychlost: Pokles tlaku se zvyšuje s druhou mocninou rychlosti (zhruba). U 2-průchodové konstrukce je pokles tlaku na straně trubky přibližně 4krát větší než u jednoprůchodové konstrukce (rychlost je dvojnásobná + dodatečné ztráty ve zpětné kapotě). U 4tahové konstrukce může být tlaková ztráta 16krát větší, plus velké ztráty v reverzních komorách.

V praxi je počet použitých průchodů obecně omezen dostupným čerpacím výkonem nebo přípustnou tlakovou ztrátou v procesní lince. Obvyklé uspořádání výměníků tepla z PTFE je 2-průchodové nebo 4-průchodové. Pokud je kapalina na straně trubky kapalina střední viskozity a čerpadlo má dostatečnou dopravní výšku, jsou upřednostňovány jednoprůchodové konstrukce s kapalinou na straně trubky s plynem (kde je tlaková ztráta důležitější) nebo s již vysokým průtokem.

Korekce rozdílu průměrné teploty (LMTD)
Jedním z hlavních rozdílů je, že více{0}}průchodové systémy nejsou čistě protiproudé, což snižuje efektivní hnací sílu teploty. LMTD je nejvyšší u jednoprůchodového výměníku s protiproudým uspořádáním (kapalina na straně trubky opačný směr než tekutina na straně pláště). Ve víceprůchodovém výměníku se profil proudění blíží smíšenému nebo křížovému proudění a na protiproudý LMTD je aplikován korekční faktor (někdy nazývaný F).

U 2-průchodového výměníku je korekční faktor LMTD běžně v rozsahu 0,95 až 0,99 pro většinu provozních situací - malé snížení. U 4-tahových výměníků může být faktor až 0,90-0,95. Pro vysokoteplotní křížové aplikace (kde jsou vstupní a výstupní teploty velmi blízké) může být korekční faktor podstatně nižší než 1, protože výhody vyšší rychlosti mohou být negovány. Proto jsou víceprůchodové konstrukce nejúspěšnější pro mírné změny teploty na straně trubky.

Význam PTFE výměníku tepla
Vzhledem k tomu, že PTFE má nízkou tepelnou vodivost, je pro celkový přenos tepla často dominantní odpor fólie-na straně trubky. Jedním z důležitých cílů návrhu je tedy zlepšit boční-koeficient trubky. Více{4}}průchodové konstrukce toho dosahují, aniž by vyžadovaly větší celkový průtok z čerpadla závodu, což je činí žádoucími pro dodatečné vybavení nebo tam, kde je průtok fixní.

PTFE hadičky jsou však mechanicky měkké a mohou vibrovat při vysokých rychlostech proudění. Nadměrná rychlost může způsobit chvění trubek a způsobit tření o přepážky nebo poškození trubkovnice. Pro PTFE hadičky jsou typické doporučené boční rychlosti hadičky 0,5 až 2,0 m/s (1,6 až 6,6 ft/s). Víceprůchodový design, který zvyšuje rychlost z 0,5 m/s na 1,0 m/s, je dobrý, ale zvýšení na 3,0 m/s může způsobit mechanické problémy. Počet průchodů by měl být zvolen tak, aby rychlost byla v rozmezí stanoveném výrobcem.

Také výhody přenosu tepla by měly být v rovnováze s náklady na čerpání. Pro cirkulaci nádrže je již k dispozici procesní čerpadlo. Tlaková ztráta víceprůchodového PTFE výměníku může být přijatelná v mnoha procesech povrchové úpravy. Alternativně může jednoprůchodový design s větším pláštěm (více trubek paralelně) plnit stejnou funkci při nižším poklesu tlaku, ale vyšších investičních nákladech.

Srovnávací tabulka: Jednoprůchodové a víceprůchodové PTFE výměníky tepla
V následující tabulce jsou uvedeny typické statistiky výkonu pro pevný celkový-postranní průtok trubky a pevnou oblast přenosu tepla. Hodnoty jsou reprezentativní; skutečný výkon bude záviset na detailech velikosti a charakteristik kapaliny.

Počet průchodů trubice Relativní rychlost trubky* Relativní trubka-Koeficient bočního přenosu tepla** Relativní pokles tlaku (strana trubky) Rozsah korekčního faktoru LMTD Typické aplikace
1 (jednotlivý-průchod) 1,0 (základní hodnota) 1,0 (základní hodnota) 1,0 (základní hodnota) 1,00 (myslitelný čistý protiproud) kapaliny s vysokým průtokem; plyny; systémy s nízkou tlakovou ztrátou
2 (dva-průchodové) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Dobrá rovnováha Nejběžnější u PTFE kapalinových výměníků
4 (čtyř-průchodové) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 kapaliny s vysokou viskozitou nebo extrémně vysoká hodnota U-; zkontrolovat náklady na čerpání
6 nebo 8 průchod 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Vzácné; pouze s kapalinami s nízkou viskozitou a vysokou povolenou rychlostí ΔP vzhledem k jednoprůchodové konstrukci se stejným počtem trubek a průtokem. Odhaduje se pro turbulentní nebo přechodové proudění. Skutečné zlepšení závisí na exponentu Reynoldsova čísla (obvykle h ~ v^0,8 pro turbulentní proudění).

Praktické aspekty povrchové úpravy
V mnoha aplikacích povrchové úpravy (pokovování, eloxování, moření) je tekutinou na straně trubky často samotná procesní lázeň, kyselý nebo alkalický roztok obsahující suspendované částice nebo rozpuštěné kovy. Platí následující praktické pokyny:

Cirkulace lázně s vysokým průtokem pro míchání v nádrži nebo filtraci často vyžadují jednoprůchodové provedení. Za takových okolností může být rychlost již dostatečná a více průchodů by pouze zvýšilo pokles tlaku bez odpovídajícího zvýšení přenosu tepla.

Dvouprůchodový design je nejpoužívanějším provedením výměníku tepla z PTFE pro pokovovací linky malých rozměrů. Přenos tepla je výrazně zvýšen, přičemž tlaková ztráta je udržována v mezích běžných odstředivých čerpadel (běžně ztráta 1–3 bar).

Čtyřtahová provedení se používají, když je dostupná plocha pro přenos tepla omezená (například dodatečně namontovaný výměník, který se musí vejít do stávajícího prostoru) a čerpadlo má náhradní hlavu. Používají se také pro ohřev viskózních kapalin, jako je koncentrovaná kyselina fosforečná nebo jiné chemické procesní lázně.

Je také zmíněno, že optimální počet průchodů trubky je ovlivněn-rozvržením strany pláště. Pokud je tekutinou na straně pláště-kondenzace páry (která má velmi vysoký koeficient přestupu tepla), dominuje -odpor na straně trubky a více-průchodové konstrukce jsou velmi výhodné. Pokud je tekutinou na straně pláště chladicí voda s nízkým koeficientem, pak zlepšení pouze strany trubky nemusí poskytnout podstatný celkový přínos.

Příklad návrhu: Kolik průchodů vybrat
Uvažujme PTFE tepelný výměník ohřívající niklovací lázeň z 55 °C na 60 °C pomocí páry na straně pláště. Potřebný tepelný výkon je 100 kW. Oběhové čerpadlo může přes výměník cirkulovat lázeň o objemu 30 m3/h. Předběžná konstrukce s jedním průchodem s 200 trubkami o vnitřním průměru 6 mm má za následek boční rychlost trubky 0,5 m/s, tlakovou ztrátu 0,3 bar a vypočtený celkový součinitel prostupu tepla (U) 200 W/m2.K. Potřebná plocha je 12 m².

Dvouprůchodový design (100 trubic/průchod) zdvojnásobuje rychlost na 1,0 m/s. Koeficient strany trubky se zvýšil o téměř 40 %, což dává U 260 W/m2K. požadovaná plocha je zmenšena na 9,2 m2 (menší, levnější výměník). Tlaková ztráta se zvýší na zhruba 1,2 bar, což je stále v rámci kapacity čerpadla. Dvouprůchodový design je určitě lepší.

Pro konfiguraci se 4 průchody (každý průchod 50 trubek) je rychlost 2,0 m/s a U se zvýší na přibližně 300 W/m2.K. Potřebná plocha 8 m2 Tlaková ztráta však bude asi 5 barů, což může být větší než výška čerpadla nebo vést k vysoké spotřebě energie. Faktor nastavení pro LMTD je 0,93, což poněkud snižuje skutečnou hnací sílu. V tomto scénáři je ideálním kompromisem dvouprůchodový design.

Závěrečná slova