Bir PTFE kabuk-ve-boru değiştiricide, boru-yanındaki sıvı girişten çıkışa tek bir yolculuk yapabilir veya demet boyunca birçok kez ileri geri yönlendirilebilir. Geçiş sayısı akışkan hızını, ısı transfer verimliliğini ve gerekli pompalama gücünü etkiler. PTFE'nin doğası gereği düşük ısı iletkenliği (yaklaşık 0,25 W/m·K) olduğundan, boru- tarafındaki ısı aktarım katsayısının maksimuma çıkarılması genellikle bir önceliktir. Ancak tek-geçişli ve çok-geçişli tasarım arasındaki seçim basit değildir-bu, ısı transferini iyileştirme ile basınç düşüşü cezası arasında bilinçli bir{11}}değişim gerektirir.
Tüp Geçiş Düzenlemelerini Anlamak
Boru geçiş sayısı, borulardan geçen akışkanın eşanjör uzunluğunu kaç kez geçtiğini ifade eder. Geçişler, eşanjörün bir veya her iki ucundaki kanala veya kaportaya bölücüler (geçiş bölmeleri) takılarak oluşturulur. Bu bölücüler, yönü tersine çevirip başka bir tüp grubuna girmeden önce sıvının tüplerin yalnızca bir kısmından akmasını sağlar.
Tek-Geçişli Tasarım
Tek-geçişli (1-geçişli) bir eşanjörde, boru tarafındaki sıvı kanala bir uçtan girer, paralel olarak tüm boruların içinden düz bir şekilde akar ve karşı uçtan çıkar. Hiçbir iç bölücü kullanılmaz. Bu en basit akış konfigürasyonudur.
Çoklu-Geçişli Tasarım (2 Geçişli, 4 Geçişli vb.)
Çok geçişli bir tasarımda sıvı, tüp demeti boyunca birden fazla geçiş yapar. Örneğin, 2-geçişli bir eşanjörde giriş kanalı iki bölüme ayrılmıştır. Sıvı bir bölüme girer, tüplerin yarısından uzak uca doğru akar, dönüş kapağında yönü tersine çevirir, kalan tüplerin içinden geri akar ve giriş tarafındaki kanalın ikinci bölümünden çıkar. 4 geçişli eşanjörde işlem iki kez tekrarlanır.
Giriş ve çıkış nozüllerini eşanjörün aynı ucunda tutmak için geçiş sayısı her zaman eşit olup boru bağlantılarını basitleştirir.
Termal-Hidrolik Performanstaki Temel Farklılıklar
Bir kişi arasındaki karartek geçişli ve çok geçişli PTFE ısı eşanjörütasarım, akışkan hızının, ısı transfer katsayısının, basınç düşüşünün ve log ortalama sıcaklık farkının (LMTD) nasıl etkilendiğine bağlıdır.
Akışkan Hızı ve Isı Transfer Katsayısı
Belirli bir toplam tüp-tarafı akış hızı için, her bir tüp içindeki sıvının hızı, her geçişte aktif olan tüplerin sayısına göre belirlenir. Tek-geçişli tasarımda tüm tüpler aynı anda aktiftir. Akış için mevcut olan çapraz-kesit alanı, tüm tüplerin toplam akış alanıdır. Bu nedenle, toplam akış hızı yüksek olmadığı sürece hız nispeten düşüktür.
Çok-geçişli bir tasarımda, aynı toplam akış, geçiş başına tüplerin yalnızca bir kısmından geçmeye zorlanır. İki eşit tüp grubuna sahip 2-geçişli bir değiştirici için, her geçişte toplam tüplerin yarısı bulunur. Her bir tüpteki hız, tek geçişli duruma kıyasla iki katına çıkar (aynı toplam akış hızı için). 4 geçişli bir tasarım için hız dört katına çıkar.
Daha yüksek hız, boru-yanındaki Reynolds sayısını artırır, bu da konvektif ısı transfer katsayısını yükseltir. PTFE tüpleri zaten düşük termal iletkenliğe sahip olduğundan, ısı transferine karşı sınırlayıcı direnç genellikle tüp-yan sıvı filmindedir (kabuk{-yanındaki sıvı yoğunlaşan bir buhar veya yüksek-iletkenlik sıvısıysa). Borunun-yan hızının arttırılması, genel ısı transfer katsayısını önemli ölçüde iyileştirebilir.
Basınç Düşüşünün Sonuçları
Daha yüksek hızın bir bedeli vardır: basınç düşüşü hızın karesiyle (yaklaşık olarak) artar. 2-geçişli bir tasarım için, boru-yanındaki basınç düşüşü, tek geçişli bir tasarıma göre kabaca dört kat daha fazladır (iki katına çıkan hız artı dönüş kapağındaki ek kayıplar). 4 geçişli bir tasarım için basınç düşüşü 16 kat daha fazla olabilir ve ayrıca ters çevirme odalarında önemli kayıplar olabilir.
Uygulamada, mevcut pompalama gücü veya proses hattındaki izin verilen basınç düşüşü genellikle kaç geçişin kullanılabileceğini sınırlar. PTFE ısı eşanjörleri için yaygın bir konfigürasyon, tüp tarafındaki sıvının orta viskoziteli bir sıvı olduğu ve pompanın yeterli yüksekliğe sahip olduğu durumlarda 2-geçişli veya 4-geçişlidir. Tek geçişli tasarımlar, boru tarafındaki akışkan gaz olduğunda (basınç düşüşünün daha kritik olduğu durumlarda) veya akış hızının zaten yüksek olduğu durumlarda tercih edilir.
Günlük Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD) Düzeltmesi
Önemli bir incelik, çoklu-geçişli tasarımların saf karşı akıştan saparak etkili sıcaklık itici gücünü azaltmasıdır. Karşı akış düzenlemesine sahip tek-geçişli bir eşanjörde (boru-tarafındaki akışkan, kabuk-tarafındaki akışkana zıt yöndedir), LMTD maksimumdadır. Çok geçişli bir değiştiricide, akış düzeni karışık veya çapraz akışa yaklaşır ve karşı akım LMTD'ye uygulanan bir düzeltme faktörünü (tipik olarak F olarak gösterilir) gerektirir.
2-geçişli bir değiştirici için, LMTD düzeltme faktörü çoğu çalışma koşulu için genellikle 0,95 ile 0,99 arasındadır-küçük bir azalma. 4-geçişli değiştiriciler için faktör 0,90–0,95'e düşebilir. Çapraz sıcaklığın yüksek olduğu uygulamalarda (giriş ve çıkış sıcaklıklarının çok yakın olduğu yerlerde), düzeltme faktörü önemli ölçüde daha düşük olabilir, bu da potansiyel olarak daha yüksek hızın avantajlarını ortadan kaldırabilir. Bu nedenle, çok geçişli tasarımlar, boru tarafındaki sıcaklık değişiminin orta düzeyde olduğu durumlarda en etkilidir.
PTFE Isı Eşanjörleriyle İlgisi
PTFE'nin ısı iletkenliği düşük olduğundan, tüpün-yan film direnci genellikle genel ısı transferine hakim olur. Bu nedenle boru-yan katsayısının arttırılması birincil tasarım hedeflerinden biridir. Çok geçişli tasarımlar, bunu tesis pompasından daha yüksek bir toplam akış hızı gerektirmeden gerçekleştirir; bu da onları, akış hızının sabit olduğu yenilemeler veya uygulamalar için çekici kılar.
Ancak PTFE tüpler mekanik olarak yumuşaktır ve yüksek akış hızlarında titreşime eğilimlidir. Aşırı hız, borunun titremesine neden olabilir, bu da saptırma plakalarının aşınmasına veya boru levhasının hasar görmesine neden olabilir. PTFE tüpler için önerilen tipik tüp-yan hızları 0,5 ila 2,0 m/s (1,6 ila 6,6 ft/s) arasındadır. Hızı 0,5 m/s'den 1,0 m/s'ye çıkaran çok geçişli bir tasarım faydalıdır; 3,0 m/s'ye yükseltmek mekanik sorunlara neden olabilir. Geçiş sayısı, hızı üreticinin tavsiye ettiği aralıkta tutacak şekilde seçilmelidir.
Isı transferi kazanımlarını pompalama maliyetine göre dengelemek de önemlidir. Birçok yüzey bitirme işleminde, tank sirkülasyonu için proses pompası zaten mevcuttur ve çok geçişli bir PTFE değiştiriciden kaynaklanan ek basınç düşüşü kabul edilebilir olabilir. Diğer durumlarda, daha büyük kabuklu (paralel olarak daha fazla tüp) tek geçişli bir tasarım (paralel olarak daha fazla tüp), daha yüksek sermaye maliyetiyle de olsa aynı görevi daha düşük basınç kaybıyla gerçekleştirebilir.
Karşılaştırma Tablosu: Tek-Geçişli ve Çoklu-Geçişli PTFE Isı Eşanjörleri
Aşağıdaki tablo, sabit bir toplam boru-yan akış hızı ve sabit ısı transfer alanı için tipik performans özelliklerini karşılaştırmaktadır. Değerler örnek niteliğindedir; gerçek performans belirli boyutlara ve akışkan özelliklerine bağlıdır.
| Tüp Geçiş Sayısı | Bağıl Tüp Hızı* | Göreceli Boru-Yan Isı Transfer Katsayısı** | Bağıl Basınç Düşüşü (Boru Tarafı) | LMTD Düzeltme Faktörü Aralığı | Tipik Uygulamalar |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Tek-Geçiş) | 1,0 (temel) | 1,0 (temel) | 1,0 (temel) | 1,00 (saf ters akış mümkün) | Düşük-basınç-düşüş sistemleri; gazlar; yüksek-akış-hızlı sıvılar |
| 2 (İki-Geçiş) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Sıvı PTFE değiştiriciler için en yaygın olanı; iyi denge |
| 4 (Dört-Geçiş) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Yüksek-viskoziteli sıvılar veya çok yüksek U-değeri gerektiğinde; pompalama maliyetini kontrol edin |
| 6 veya 8 Geçiş | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Nadir; yalnızca düşük-viskoziteli sıvılar ve izin verilen yüksek ΔP ile |
* Hız, aynı tüp sayısı ve akış hızıyla tek-geçişli tasarıma göredir.
** Türbülanslı veya geçiş akışı için tahmin edilmiştir. Gerçek iyileştirme Reynolds sayısı üssüne bağlıdır (tipik olarak türbülanslı akış için h ~ v^0,8).
Yüzey İşleminde Pratik Hususlar
Yüzey bitirme uygulamalarında (kaplama, anotlama, asitleme), borunun-yan sıvısı genellikle proses banyosunun kendisidir-askıda katı maddeler veya çözünmüş metaller içeren bir asit veya alkalin çözelti. Aşağıdaki pratik kurallar geçerlidir:
Tek-geçişli tasarımlarBanyo, tankta karıştırma veya filtreleme için yüksek akış hızında sirküle edildiğinde sıklıkla kullanılır. Bu gibi durumlarda, hız zaten yeterli olabilir ve geçişlerin eklenmesi, ısı transferinde orantılı bir kazanç olmadan yalnızca basınç düşüşünü artıracaktır.
İki-geçiş tasarımıorta-boyutlu kaplama hatlarında PTFE ısı eşanjörleri için en yaygın konfigürasyondur. Basınç düşüşünü standart santrifüj pompaların kapasitesi dahilinde tutarken (tipik olarak 1-3 bar kayıp) ısı transferinde anlamlı bir artış sağlarlar.
Dört-geçişli tasarımmevcut ısı transfer alanının sınırlı olduğu durumlarda (örneğin, mevcut alana sığması gereken sonradan takılan bir eşanjör) ve pompanın yedek kafaya sahip olduğu durumlarda kullanılır. Ayrıca konsantre fosforik asit veya bazı organik proses banyoları gibi viskoz sıvıları ısıtmak için de kullanılırlar.
Kabuk tarafı düzenlemesinin aynı zamanda optimum tüp geçiş sayısını da etkilediğini belirtmekte fayda var. Kabuk-yanındaki sıvı, (çok yüksek bir ısı transfer katsayısına sahip olan) yoğunlaşan buhar ise, tüp-yan direnci baskın olur ve çok-geçişli tasarımlar oldukça faydalıdır. Kabuk-yanındaki sıvı düşük katsayılı bir soğutma suyuysa, tek başına tüp yanını iyileştirmek büyük bir genel iyileşme sağlamayabilir.
Tasarım Örneği: Geçiş Sayısını Seçme
Kabuk tarafındaki buharı kullanarak nikel kaplama banyosunu 55 dereceden 60 dereceye ısıtan bir PTFE ısı eşanjörünü düşünün. Gerekli ısıl yük 100 kW'tır. Mevcut sirkülasyon pompası eşanjör aracılığıyla 30 m³/saat banyo sıvısı sağlar. 6 mm iç çapa sahip 200 tüp kullanan bir ön tek-geçiş tasarımı, 0,5 m/s'lik bir tüp yan hızı, 0,3 bar'lık bir basınç düşüşü ve 200 W/m²·K'lik hesaplanmış bir genel ısı transfer katsayısı (U) sağlar. Gerekli alan 12 m²'dir.
2-geçişli tasarıma (geçiş başına 100 tüp) geçildiğinde hız iki katına çıkarak 1,0 m/s'ye çıkar. Boru-yan katsayısı yaklaşık %40 artarak U'yu 260 W/m²·K'ye yükseltir. Gerekli alan 9,2 m²'ye düşer (daha küçük, daha düşük maliyetli bir eşanjör). Basınç düşüşü yaklaşık 1,2 bar'a yükselir ve bu hala pompanın kapasitesi dahilindedir. 2 geçişli tasarım açıkça üstündür.
4 geçişli bir tasarım düşünülürse (geçiş başına 50 tüp), hız 2,0 m/s'ye ulaşır ve U yaklaşık 300 W/m²·K'ye yükselir. Gerekli alan 8 m²'ye düşer. Ancak basınç düşüşü yaklaşık 5 bar'a kadar çıkar ve bu durum pompanın basma yüksekliğini aşabilir veya aşırı enerji tüketimine neden olabilir. LMTD düzeltme faktörü 0,93'e düşerek gerçek itici gücü biraz azaltır. Bu durumda 2 geçişli tasarım en iyi dengeyi sunar.
Çözüm
Bir PTFE ısı eşanjöründeki optimum tüp geçişi sayısı, mevcut basınç düşüşüne ve düşük-iletkenlik PTFE tüpleri içindeki ısı transferini geliştirme ihtiyacına bağlıdır. Tek geçişli tasarımlar basınç düşüşünü en aza indirir ve tam ters akım LMTD'sini korur; bu da onları gazlar veya sınırlı pompalama kapasitesine sahip sistemler için uygun hale getirir. Çok-geçişli tasarımlar (tipik olarak 2-geçişli veya 4{-geçişli) boru tarafı hızını artırır, daha yüksek basınç düşüşü ve LMTD'de küçük bir azalma pahasına ısı transfer katsayısını artırır. Çoğu sıvı yüzey bitirme uygulaması için iki geçişli tasarım, etkili bir uzlaşma sağlayarak aşırı pompalama talepleri olmadan anlamlı performans kazanımları sağlar.
Termal-hidrolik optimizasyonu, PTFE ısı eşanjörü tasarımının standart bir parçasıdır. Doğru geçiş sayısı, ısı transferi iyileştirmesinin basınç düşüşü kısıtlamalarına karşı dengelenmesi ve aynı zamanda tüp titreşimini önlemek için PTFE'nin hız sınırlarına uyulması ile belirlenir. Doğru şekilde belirlendiğinde seçilen geçiş düzeni, eşanjörün hizmet ömrü boyunca görevini güvenilir ve verimli bir şekilde yerine getirmesini sağlar.
