PTFE-kest{0}}ja-toruvahetis võib toru-külgne vedelik teha ühe teekonna sisselaskeavast väljalaskeavani või seda saab mitu korda läbi kimbu edasi-tagasi suunata. Läbimiste arv mõjutab vedeliku kiirust, soojusülekande efektiivsust ja vajalikku pumpamisvõimsust. Kuna PTFE-l on oma olemuselt madal soojusjuhtivus (ligikaudu 0,25 W/m·K), on toru{6}}poolse soojusülekandeteguri maksimeerimine sageli esmatähtis. Kuid valik ühe-käigu ja mitme-käigu vahel ei ole lihtne,-see hõlmab tahtlikku kompromissi{11}}soojusülekande parandamise ja rõhulanguse trahvi vahel.
Tube passi korralduse mõistmine
Toru läbikäikude arv viitab sellele, mitu korda läbib torusid liikuv vedelik soojusvaheti pikkust. Läbipääsud luuakse vaheseinte (läbipääsu vaheseinte) paigaldamisega kanalisse või kapotisse soojusvaheti ühte või mõlemasse otsa. Need jaoturid sunnivad vedelikku voolama läbi vaid osa torudest, enne kui suuna muutmist ja teise torude komplekti sisenemist.
Ühe{0}}pääsme kujundus
Ühekäigulises -käigus (1-pass) soojusvahetis siseneb torupoolne vedelik kanalisse ühest otsast, voolab otse läbi kõigi torude paralleelselt ja väljub teisest otsast. Sisemisi jagajaid ei kasutata. See on lihtsaim voolukonfiguratsioon.
Mitme-pääsme kujundus (2-pass, 4-pass jne)
Mitme läbikäiguga konstruktsioonis läbib vedelik mitu korda läbi torukimbu. Näiteks 2-käigulise soojusvaheti puhul on sisselaskekanal jagatud kaheks osaks. Vedelik siseneb ühte sektsiooni, voolab läbi poolte torude kaugemasse otsa, pöörab tagasivoolu kapoti suunda, voolab tagasi läbi ülejäänud torude ja väljub sisselaskepoolse kanali teisest osast. 4-käigulises soojusvahetis kordub protsess kaks korda.
Läbimiste arv on alati ühtlane, et hoida sisse- ja väljalaskeotsikud soojusvaheti samas otsas, lihtsustades toruühendusi.
Peamised erinevused termilises{0}}hüdraulika jõudluses
Otsus vahel aühekäiguline vs mitmekäiguline PTFE soojusvahetidisain sõltub sellest, kuidas mõjutavad vedeliku kiirust, soojusülekandetegurit, rõhu langust ja logaritmilist temperatuuride erinevust (LMTD).
Vedeliku kiirus ja soojusülekande koefitsient
Antud toru{0}}poolse koguvoolukiiruse korral määrab igas torus oleva vedeliku kiirus igal läbimisel aktiivsete torude arvu järgi. Ühekäigulise-käiguga konstruktsioonis on kõik torud üheaegselt aktiivsed. Voolu jaoks saadaolev-ristlõikepindala on kõigi torude koguvoolupindala. Seetõttu on kiirus suhteliselt väike, välja arvatud juhul, kui koguvoolukiirus on suur.
Mitmekäigulise-käiguga konstruktsioonis surutakse sama koguvool läbi ainult murdosa torudest. Kahe -käigulise soojusvaheti puhul, millel on kaks võrdset torurühma, sisaldab iga läbimine pool torude koguarvust. Kiirus igas torus kahekordistub võrreldes ühekäigulise juhtumiga (sama koguvoolukiiruse korral). 4-käigulise konstruktsiooni puhul kiirus neljakordistub.
Suurem kiirus suurendab toru{0}}poolset Reynoldsi arvu, mis omakorda suurendab konvektiivset soojusülekandetegurit. Kuna PTFE-torudel on juba madal soojusjuhtivus, on soojusülekande piirav takistus sageli toru-külgmisel vedelikukilel (kui kesta-külgne vedelik on kondenseeruv aur või suure{4}}juhtivusega vedelik). Toru{6}}külgmise kiiruse suurendamine võib oluliselt parandada üldist soojusülekandetegurit.
Surve languse tagajärjed
Suurem kiirus maksab: rõhulangus suureneb kiiruse ruuduga (ligikaudne). 2-käigulise konstruktsiooni puhul on toru-külgmine rõhulang ligikaudu neli korda suurem kui ühekäigulise konstruktsiooni puhul (kahekordne kiirus, millele lisanduvad täiendavad kaod tagasivoolu kapotikaanes). 4-käigulise konstruktsiooni puhul võib rõhulang olla 16 korda suurem, millele lisanduvad märkimisväärsed kaod tagurduskambrites.
Praktikas piirab saadaolev pumpamisvõimsus või lubatud rõhulang protsessiliinis sageli kasutatavate käikude arvu. PTFE-soojusvahetite tavaline konfiguratsioon on 2-käik või 4-käik, kui toru-külgne vedelik on mõõduka viskoossusega vedelik ja pumbal on piisav kõrgus. Ühekäigulisi konstruktsioone eelistatakse siis, kui torupoolne vedelik on gaas (kus rõhulangus on kriitilisem) või kui voolukiirus on juba suur.
Log Mean Temperature Difference (LMTD) parandus
Oluline nüanss on see, et mitme läbikäiguga konstruktsioonid kalduvad kõrvale puhtast vastuvoolust, vähendades efektiivset temperatuuri liikumapanevat jõudu. Ühekäigulises -vastuvoolusüsteemiga soojusvahetis (toru-poolne vedelik kesta-poolsele vedelikule vastassuunas) on LMTD maksimaalne. Mitme läbipääsuga soojusvaheti puhul läheneb voolumuster sega- või ristvoolule, mis nõuab parandustegurit (tavaliselt tähistatud kui F), mis rakendatakse vastuvoolu LMTD-le.
2-käigulise soojusvaheti puhul on LMTD parandustegur enamiku töötingimuste puhul tavaliselt vahemikus 0,95–0,99 -väike vähenemine. 4-käiguga soojusvahetite puhul võib tegur langeda 0,90–0,95-ni. Kõrge temperatuuriga{11}}ristmikrakenduste puhul (kus sisse- ja väljalasketemperatuurid on väga lähedased) võib parandustegur olla oluliselt madalam, mis võib tühistada suurema kiiruse eelised. Seetõttu on mitmekäigulised konstruktsioonid kõige tõhusamad, kui temperatuurimuutus toru poolel on mõõdukas.
Asjakohasus PTFE soojusvahetite jaoks
Kuna PTFE-l on madal soojusjuhtivus, domineerib toru{0}}külgkile takistus sageli üldises soojusülekandes. Seetõttu on toru-poolse koefitsiendi suurendamine peamine disainieesmärk. Mitmekäigulised konstruktsioonid saavutavad selle ilma, et tehase pumbalt oleks vaja suuremat koguvoolukiirust, muutes need atraktiivseks moderniseerimiseks või rakendustes, kus voolukiirus on fikseeritud.
PTFE torud on aga mehaaniliselt pehmed ja suure voolukiiruse korral altid vibratsioonile. Liigne kiirus võib põhjustada toru laperdamist, mis põhjustab deflektorite või torulehtede kahjustusi. PTFE torude tüüpilised soovitatavad torude külgmised kiirused on vahemikus 0,5–2,0 m/s (1,6–6,6 jalga/s). Kasulik on mitme läbipääsuga konstruktsioon, mis tõstab kiiruse 0,5 m/s-lt 1,0 m/s-le; selle tõstmine 3,0 m/s-ni võib põhjustada mehaanilisi probleeme. Läbimiste arv tuleks valida nii, et kiirus püsiks tootja soovitatud vahemikus.
Samuti on oluline tasakaalustada soojusülekande kasu pumpamiskuludega. Paljude pinnaviimistlustööde puhul on paagi tsirkulatsiooni jaoks protsessipump juba olemas ja mitmekäigulise PTFE-vaheti lisarõhulangus võib olla vastuvõetav. Muudel juhtudel võib suurema kestaga (rohkem torusid paralleelselt) ühe läbipääsuga konstruktsioon saavutada sama ülesande väiksema rõhulangusega, ehkki suurema kapitalikuluga.
Võrdlustabel: ühe-käiguga vs. mitmekäigulised- PTFE soojusvahetid
Allolevas tabelis võrreldakse toru fikseeritud kogu{0}}külgvoolukiiruse ja fikseeritud soojusülekandeala tüüpilisi toimivusnäitajaid. Väärtused on illustratiivsed; tegelik jõudlus sõltub konkreetsetest mõõtmetest ja vedeliku omadustest.
| Torupääsude arv | Toru suhteline kiirus* | Suhteline toru{0}}külgmine soojusülekandetegur** | Suhtelise rõhu langus (toru pool) | LMTD parandusteguri vahemik | Tüüpilised rakendused |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (üksik-pääsme) | 1.0 (alustase) | 1.0 (alustase) | 1.0 (alustase) | 1.00 (võimalik puhas vastuvool) | Madala{0}}rõhu-languse süsteemid; gaasid; suure-voolukiirusega-vedelikud |
| 2 (kaks-pääset) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Levinuim vedelate PTFE soojusvahetite puhul; hea tasakaal |
| 4 (neli-pääset) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | suure viskoossusega vedelikud või kui vaja on väga kõrget U-väärtust; kontrollige pumpamiskulusid |
| 6 või 8 läbimine | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Harv; ainult madala{0}}viskoossusega vedelike ja kõrge lubatud ΔP-ga |
* Kiirus ühekordse-käigu konstruktsiooni suhtes sama torude arvu ja voolukiirusega.
** Hinnanguline turbulentse või üleminekuvoolu jaoks. Tegelik täiustamine sõltub Reynoldsi arvu eksponendist (tavaliselt h ~ v^0,8 turbulentse voolu korral).
Praktilised kaalutlused pinna viimistlemisel
Pinnaviimistluse rakendustes (plaadistamine, anodeerimine, peitsimine) on toru{0}}külgvedelik sageli protsessivann ise-happe- või leeliseline lahus hõljuvate tahkete ainete või lahustunud metallidega. Kehtivad järgmised praktilised juhised:
Ühepääsme{0}}kujundusedkasutatakse sageli siis, kui vannis ringletakse suure voolukiirusega paagis segamiseks või filtreerimiseks. Sellistel juhtudel võib kiirus olla juba piisav ja läbipääsude lisamine ainult suurendaks rõhulangust ilma proportsionaalse soojusülekande suurenemiseta.
Kaks-pääsmekujunduston PTFE-soojusvahetite kõige levinum konfiguratsioon mõõduka{0}}suurusega plaatimisliinides. Need annavad olulise tõuke soojusülekandele, hoides samal ajal rõhulanguse standardsete tsentrifugaalpumpade võimsuse piires (tavaliselt 1–3 baari kadu).
Neli-pääsmekujundustkasutatakse siis, kui saadaolev soojusülekandeala on piiratud (nt tagantjärele paigaldatud soojusvaheti, mis peab mahtuma olemasolevasse ruumi) ja pumbal on varupea. Neid kasutatakse ka viskoossete vedelike, näiteks kontsentreeritud fosforhappe või teatud orgaaniliste protsessivannide kuumutamiseks.
Väärib märkimist, et kesta{0}}külje paigutus mõjutab ka optimaalset torukäikude arvu. Kui kesta-külgne vedelik on kondenseeriv aur (millel on väga kõrge soojusülekandetegur), domineerib toru-külgtakistus ja mitmekäigulised konstruktsioonid on väga kasulikud. Kui kesta -külgne vedelik on madala koefitsiendiga jahutusvesi, ei pruugi toru poole parandamine üksi anda suurt üldist paranemist.
Disaini näide: Läbipääsude arvu valimine
Kaaluge PTFE-soojusvahetit, mis soojendab nikeldatud vanni 55 kraadilt 60 kraadini, kasutades korpuse küljel auru. Nõutav soojuskoormus on 100 kW. Olemasolev tsirkulatsioonipump varustab soojusvaheti kaudu 30 m³/h vannivedelikku. Esialgne ühekäiguline projekt, milles kasutatakse 200 toru läbimõõduga 6 mm, annab toru külgkiiruseks 0,5 m/s, rõhulanguks 0,3 baari ja arvutatud üldiseks soojusülekandeteguriks (U) 200 W/m²·K. Nõutav pind on 12 m².
Lülitudes 2-käigulisele konstruktsioonile (100 toru läbipääsu kohta), kahekordistub kiirus 1,0 m/s. Toru -küljekoefitsient suureneb ligikaudu 40%, tõstes U väärtuseni 260 W/m²·K. Vajalik pindala langeb 9,2 m²-ni (väiksem ja odavam soojusvaheti). Rõhulangus tõuseb umbes 1,2 baarini, mis jääb siiski pumba võimete piiridesse. Kahekäiguline disain on selgelt parem.
Kui võtta arvesse 4-käigulist konstruktsiooni (50 toru läbipääsu kohta), jõuab kiirus 2,0 m/s ja U suureneb ligikaudu 300 W/m²·K-ni. Vajalik pindala langeb 8 m²-ni. Rõhulangus tõuseb aga ligikaudu 5 baarini, mis võib ületada pumba rõhku või põhjustada liigset energiatarbimist. LMTD parandustegur langeb 0,93-ni, vähendades veidi tegelikku liikumapanevat jõudu. Sel juhul pakub 2-käiguline disain parimat tasakaalu.
Järeldus
Optimaalne torukäikude arv PTFE-soojusvahetis sõltub olemasolevast rõhulangust ja vajadusest suurendada soojusülekannet madala -juhtivusega PTFE-torudes. Ühekäigulised{2}}konstruktsioonid minimeerivad rõhukadu ja säilitavad täieliku vastuvoolu LMTD, muutes need sobilikuks piiratud pumpamisvõimsusega gaaside või süsteemide jaoks. Mitmekäigulised konstruktsioonid (tavaliselt 2-käiguga või 4-käiguga) suurendavad torupoolset kiirust, suurendades soojusülekandetegurit suurema rõhulanguse ja LMTD vähese vähenemise hinnaga. Enamiku vedelate pinnaviimistlusrakenduste puhul pakub kahekäiguline disain tõhusa kompromissi, pakkudes märkimisväärset jõudlust ilma liigsete pumpamisvajadusteta.
Termiline{0}}hüdrauliline optimeerimine on PTFE-soojusvaheti disaini standardne osa. Korrektne läbimiste arv määratakse tasakaalustades soojusülekande parandamist rõhulanguse piirangutega, järgides samal ajal PTFE kiiruspiiranguid, et vältida toru vibratsiooni. Õigesti määratletud läbipääsukorraldus tagab, et soojusvaheti täidab oma ülesandeid usaldusväärselt ja tõhusalt kogu kasutusaja jooksul.
