Hur skiljer sig PTFE-värmeväxlare i bajonett-stil från konventionella konstruktioner med fasta rörplåtar?

De flesta skal- och rörväxlare har rör fästa i båda ändar. En bajonettväxlare vänder detta på huvudet: rören är endast fixerade i ena änden, den andra änden är fri att glida in i en förseglad yttre mantel. Den här enkla designen övervinner två långvariga-problem, värmestress och åtkomst till underhåll. Bajonettarrangemanget är ett frestande alternativ för krävande ytfinishing och kemiska processapplikationer som involverar PTFE-värmeväxlare där materialets höga värmeutvidgningskoefficient (CTE) gör fixerade rörplåtslösningar besvärliga.

Bajonettkonstruktionen (förklarad)
Namnet på en bajonettliknande PTFE-värmeväxlare härrör från utseendet på en glödlampa eller rörkoppling i bajonetttyp-, där en del sätts in i en annan och fästs vid en enda punkt. Bajonettröret är uppbyggt av två koncentriska rör, innerröret och ytterröret, tätade längst ut i värmeväxlarterminologi. Monteringen placeras i ett skal (eller rakt in i en tank) och är endast fäst vid inlopps-/utloppsänden -vanligtvis vid en rörplåt eller fläns. Den andra änden av stången är fri att expandera och dra ihop sig termiskt.

Med en bajonettkonfiguration är vätskevägen vanligtvis strukturerad som:

Servicevätskan (ånga, varmt vatten eller kylvätska) tillförs genom innerröret och strömmar till den förseglade änden.

Vätskan vrids runt i den förseglade änden och strömmar tillbaka i det ringformiga området mellan inner- och ytterrören.

Värmen levereras till processvätskan på skalsidan (eller tanksidan) genom den yttre rörväggen.

Vätskan lämnar sedan genom det ringformade utrymmet, ut i samma ände som den kom in.

"In-och-flödeskanalen indikerar att både inlopps- och utflödesanslutningarna är i samma ände av växlaren. Den fria änden av bajonettröret är fri utom vid tätningen och är fri att röra sig axiellt.

Stora skillnader med traditionella fasta rörplåtsdesigner
I en traditionell PTFE-värmeväxlare med fast rörplåt är rören fixerade i båda ändarna, med en rörplåt vid inloppsänden och den andra vid utgångsänden. Rörbunten är en integrerad del av skalet och skalets-sidomunstycken är svetsade till skalet. Det mekaniska beteendet och det enkla underhållet är helt olika.

Termisk belastning boende
Dessutom är expansionen av PTFE 10 till 20 gånger större än den för stål (120 till 150 × 10−6 / grad mot 11 × 10−6 / grad). I en fast tubplåtdesign expanderar ett PTFE-rör på 2 m längd uppvärmt från 20 grader till 100 grader ca 12–15 mm. Båda ändarna är fixerade, så denna expansion producerar tryckkrafter som kan buckla PTFE-röret eller skada rörplåtsfogarna. För att undvika detta behöver en fast PTFE-växlare för rörplåt antingen:

Flytande huvud (så att en tubplåt kan röra sig), eller

En expansionsfog i skalet; alternativt,

Mycket korta rörlängder (begränsar växlarens kapacitet)

Vart och ett av dessa alternativ tillför kostnader, komplexitet och möjliga läckageplatser.

Å andra sidan är en bajonettliknande PTFE värmeväxlare i sig tolerant mot termisk expansion. Den fria änden av bajonettröret glider axiellt i skalet eller det yttre höljet när PTFE expanderar och drar ihop sig. Behovet av expansionsfog, flytande huvud eller unik materialmatchning elimineras. Bajonettformen är särskilt attraktiv för applikationer som involverar stora temperatursvängningar eller frekventa termiska cykler.

Underhållsåtkomst och borttagbarhet av paket
Bajonettdesignen har en stor mekanisk fördel genom att hela rörbunten kan tas bort från växlaren utan att störa skalets -sidorörledning. Bunten sätts in i skalet i ena änden och hålls på plats av en enda fläns eller rörplåt. För att ta bort bunten för rengöring, inspektion eller byte:

Inlopps-/utloppsröret till rörsidan är bortkopplat.

Ta bort flänsbultarna på bunten.

Bunten dras ut från skalet i axiell riktning.

Skalet är på plats och alla skal-sidorörledningar (inklusive munstycken, packningar och kopplingar) är intakta.

I en fast tubplåtdesign är borttagningen av tubbunten mycket mer komplicerad. De två ändarna av skalet måste öppnas och det kan bli nödvändigt att koppla bort munstyckena på skalets sidodelar eller ta bort hela växlaren från ledningen. Detta kan vara ett stort projekt för stora växlare på livliga processplatser.

För tjänster där regelbunden rengöring är nödvändig (till exempel nedsmutsning av-benägna ytbehandlingsbad) är det enkla att ta bort buntar i en bajonettväxlare en avgörande fördel. En bajonettbunt tar bara timmar att dras ut, rengöras och sättas i igen; ett fast rörplåtspaket kan innebära en hel dag eller mer av driftstopp.

Termiska problem med prestanda
Bajonettdesignen har en avvägning för termisk prestanda-. Den ringformade flödesvägen (vätska som strömmar i innerröret och tillbaka genom ringen) ger en dubbel-röreffekt. Det finns två skäl till varför den totala värmeöverföringskoefficienten är något lägre än en jämförbar motströmskonstruktion med fast rörplåt:

Minskad effektiv temperaturskillnad - Flödesmönstret är inte rent motflöde, utan en blandning av motflöde och parallellflöde, vilket minskar logga medeltemperaturskillnaden (LMTD).

Lägre hastighet på ringsidan - För samma totala flödeshastighet kan det ringformiga gapet ha lägre hastighet än ett enda rör och detta påverkar filmkoefficienten.

Denna minskning är dock ofta liten (10-20%) och motverkas ofta av möjligheten att använda längre rör (eftersom termisk expansion inte är en begränsande faktor) och att arbeta med högre hastigheter på skalsidan. I många ytbehandlingsapplikationer uppväger servicefördelarna i hög grad den lilla effektivitetsnackdelen.

Material & Konstruktion
Bajonettväxlare är populära för grafit- och PTFE-konstruktioner eftersom de är spröda eller kryper under påfrestning och dessa material har en betydande termisk expansion. Bajonettdesignen arbetar med materialets kvaliteter, inte mot dem.

I PTFE-bajonettväxlare är de inre och yttre rören vanligtvis tillverkade av PTFE eller PFA (perfluoroalkoxi). Den förseglade änden är gjord genom svetsning eller värmesmältning av de två rören. Den fria änden är öppen och det inre röret passerar genom en tubplåt eller hylsa. Det yttre röret är tätat mot rörplåten med en PTFE-packning eller O--ring som tillåter axiell glidning och förhindrar läckage.

Det bör noteras att den fria änden av bajonettröret måste hållas för att undvika vibrationer. I långa bajonettrör (t.ex. . 3-5 m) används mellanliggande stödringar eller bafflar inuti skalet för att styra det yttre röret utan att förhindra axiell rörelse. Utan detta stöd kan flödesinducerade-vibrationer orsaka slitage och för tidigt fel.

Jämförelsetabell: Bajonett vs fast rörplåt PTFE-växlare Funktion Bajonettstil PTFE-växlare Fast rörplåt PTFE-växlare Fixering av rör Ena änden fast, andra änden fri att röra Båda ändarna fästa vid rörplåtar
Termisk expansion Inneboende – fria ändbilder; ingen expansionsfog behövs Kräver flytande huvud, expansionsfog eller extremt korta rör
Bunt Avtagbarhet Lätt att dra bunt från ena änden utan att störa skalröret. Svårt behov demontering av båda ändar Innebär ofta borttagning av växlare från ledningen
Munstycken i ShellKan sitta kvar under borttagning av bunt. Bytaren måste tas bort eller flyttas
Anslutningar på rörsidan Inlopp och utlopp i samma ände Inlopp och utlopp i motsatta ändar (vanligtvis)
Flödesväg in och ut via koncentriska rör (dubbel-röreffekt)Rakt genom (en passage) eller multi-passage med returhuv
Termisk effektivitet Något reducerad (LMTD-korrigeringsfaktor 0,85–0,95) Högre (kan få riktigt motflöde)
Genomsnittlig Max. Rörlängd Hanterings- och vibrationsbegränsad termisk spänning Begränsad av termisk expansion (vanligtvis 1,5–2,5 m för PTFE utan expansionsfog)
Nedsmutsningstolerans Bra, bunten är avtagbar för rengöring Rättvis – rengöring tar extra tid ur drift
Pris för små enheter. Moderat - enkelrörsplatta, ingen expansionsfog Nedre - Lättare montering för korta rör
Kostnad för stora/långa enheter Lägre – inget behov av dyra expansionsfogHögre – flytande huvud eller expansionsfog ökar kostnaden
Praktisk användning av bajonett PTFE värmeväxlare
Vid kemisk bearbetning och ytbehandling är bajonettdesign att föredra för ett antal specialiserade fall:

Svår termisk cykling - Batchprocedurer med flera uppvärmnings- och kylcykler av växlaren varje dag. De fria-glidbara bajonettrören tillåter denna cykling utan att bygga upp stress.

Nedsmutsningstjänster - Bad som lämnar avlagringar, slam eller organiska beläggningar på värmeöverföringsytan. Det är viktigt att kunna dra bunten för mekanisk eller kemisk rengöring på en regelbunden basis.

Aggressiva sura miljöer som kräver PTFE - PTFE är kemiskt inert och specificerat för aggressiva syror (t.ex. saltsyra, svavelsyra, fluorvätesyra). Bajonettdesign minskar antalet tätningar och potentiella läckage på rörsidan.

Begränsat åtkomstutrymme - När växlaren behöver byggas i en grop, mot en vägg eller på en plats där åtkomst till båda ändarna inte kan uppnås. En bajonettväxlare servas endast i ena änden.

Eftermontering av installationer - Byte av en befintlig fast rörplåtsväxlare med termiska utmattningsproblem. Grundorsaken till dessa fel avlägsnas av bajonettkonstruktionen.

Däremot konkurrerar fasta rörplåtssystem fortfarande om:

Små, korta växlare (rörlängd < 1,5 m) när värmeexpansion inte är ett problem.

Applikationer utan termisk cykling. Mycket rena vätskor.

När rent motflöde är nödvändigt för att maximera LMTD (t.ex. värmeåtervinning med nära temperaturinriktning).

Projekt med budgetbegränsningar där den lägsta förskottskostnaden är den främsta drivkraften.

Installations- och driftöverväganden
Det finns ett antal praktiska aspekter att ta hänsyn till vid specificering av en bajonettliknande PTFE-värmeväxlare.

Stöd för den fria änden Den fria änden av bajonettröret ska stödjas, men inte hårt fixerad. Metall-till-PTFE-kontakt förhindras via PTFE-slithylsor eller låg-friktionsringar.

Tätningsdesign - Den glidande tätningen för införande av det yttre röret i rörplåten ska tillåta axiell rörelse utan läckage. Vanliga är PTFE-läpptätningar eller O-ringar med fjäderaggregat.

Flödesfördelning - Se till att det ringformiga gapet är tillräckligt stort för att undvika en överdriven tryckminskning. Spalten är vanligtvis 2-5 mm, beroende på rördiameter och flödeshastighet.

Rörvibrationer - Bafflar eller stödplattor bör placeras med 0,5–1,0 meters intervall för att undvika virvelvibrationer-. Stöden ska tillåta axiell glidning.

Observera också att bajonettväxlare kan installeras i många antal i ett enda skal. Multi-bajonettdesignen använder ett stort antal bajonettrör i tandem, alla fästa vid samma rörplåt. Detta arrangemang ger en stor yta för värmeöverföring och åtkomst för underhåll endast från ena änden.

Slutsats