Vilka är de relativa fördelarna med PTFE-värmeväxlare med enkel-pass och flerpass-?

I en PTFE-skal-och-rörväxlare kan rör-sidvätskan passera från inlopp till utgång en gång eller så kan den åter-cirkuleras genom bunten flera gånger. Antalet passager bestämmer vätskehastigheten, värmeöverföringseffektiviteten och pumpeffekten som krävs. Ett fokus är ofta att maximera värmeöverföringskoefficienten på rörets-sida, eftersom PTFE har en i sig själv låg värmeledningsförmåga (ca 0,25 W/m·K). Valet av en enkel-pass eller multi{10}}passdesign är dock inte trivialt-det är en medveten avvägning-mellan värmeöverföringsökning och tryckfallsstraff.

Arrangemang för rörpass förklaras
Antalet rörpassager är antalet gånger vätskan som passerar genom rören strömmar över värmeväxlarens längd. Genomgångar produceras genom att placera avdelare (passpartitioner) i kanalen eller huven i en eller båda ändarna av växlaren. Dessa avdelare tillåter vätskan att flöda genom endast några av rören, innan de backar och strömmar in i den andra uppsättningen av rör.

Enstaka-passkonstruktion
I en enkel-passage (1-pass) växlare kommer vätskan på rörsidan in i kanalen i ena änden, löper direkt genom alla rör parallellt och går ut i den motsatta änden. Det finns inga innerväggar. Detta är den enklaste flödesdesignen.

Multi-passdesign (2 pass, 4 pass, etc.)
I ett arrangemang med flera-pass passerar vätskan genom rörbunten flera gånger. Till exempel, med en 2-passväxlare är inflödeskanalen separerad i två delar. Vätska införs i en del, passerar genom halva rören till den bortre änden, ändrar riktning i en returhuv, passerar tillbaka genom de återstående rören och lämnar den andra delen av kanalen på inloppssidan. I en 4-pass växlare upprepas denna operation två gånger.

Antalet passager är alltid ett jämnt antal så att insugnings- och utloppsmunstyckena är på samma ände av växlaren, vilket förenklar röranslutningarna.

Huvudsakliga skillnader i termiskt-hydrauliskt beteende
Valet av en PTFE-värmeväxlardesign med engång eller flerpassage påverkas av påverkan på vätskehastighet, värmeöverföringskoefficient, tryckfall och logga medeltemperaturskillnad (LMTD).

Värmeöverföringskoefficient och vätskehastighet
Hastigheten hos fluiden i varje rör är en funktion av antalet rör som används för varje passage för en speciell total rörsidoflödeshastighet. I en enda passdesign är alla rören aktiva samtidigt. Den tillgängliga flödesarean är summan av flödesareorna för alla rör. Därför är hastigheten ganska liten om inte den totala flödeshastigheten är stor.

I en multi-passkonstruktion drivs samma totala flöde igenom per passage med endast en bråkdel av rören. I en 2-passväxlare med två identiska rörgrupper innehåller varje passage hälften av de totala rören. Hastigheten i varje rör fördubblas med avseende på enkelpassage-scenariot (för samma totala flödeshastighet). Hastigheten är fyrdubblad med en 4 pass konfiguration.

Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten ökar med ökningen av Reynolds tal på rörsidan på grund av ökningen av hastigheten. Det begränsande hindret för värmeöverföring är ofta rörets -sidovätska (oavsett om vätskan på skalets -sida är en kondenserande ånga eller hög-ledningsvätska). Eftersom PTFE-rör redan har dålig värmeledningsförmåga, kan en ökning av rörets sidohastighet kraftigt förbättra den totala värmeöverföringskoefficienten.

Effekter av tryckfall
Högre hastighetskostnader: Tryckfallet ökar med kvadraten på hastigheten (ungefär). För en konstruktion med 2-passager är tryckfallet på rörsidan cirka 4 gånger det för en enkelpassagekonstruktion (hastighet två gånger + ytterligare förluster i returhuven). För en konstruktion med 4 pass kan tryckfallet vara 16 gånger större, plus stora förluster i vändkamrarna.

I praktiken är antalet använda passager i allmänhet begränsat av den tillgängliga pumpeffekten eller tillåten tryckförlust i processledningen. Det vanliga arrangemanget för PTFE-värmeväxlare är 2-pass eller 4-pass. Om vätskan på rörsidan är en vätska med måttlig viskositet och pumpen har tillräckligt med tryckhöjd, gynnas enkelpassage med en vätska på gasrörsidan (där tryckfallet blir viktigare) eller med redan hög flödeshastighet.

Korrigering av logga medeltemperaturskillnad (LMTD)
En stor skillnad är att multi-passsystem inte är rent motflöde, vilket minskar den effektiva temperaturdrivkraften. LMTD är högst i en enkelpassageväxlare med motströmsarrangemang (rörsidans vätska i motsatt riktning mot vätskan på mantelsidan). I en flergångsväxlare är flödesmönstret nära blandat eller tvärflöde och en korrektionsfaktor (ibland kallad F) appliceras på motströms LMTD.

För en 2-pass växlare ligger LMTD-korrigeringsfaktorn normalt i intervallet 0,95 till 0,99 för de flesta driftssituationer - en liten minskning. För 4-pass växlare kan faktorn vara så låg som 0,90-0,95. För korsningsapplikationer med hög temperatur (där insugnings- och utgångstemperaturerna är mycket nära) kan korrigeringsfaktorn vara avsevärt lägre än 1 eftersom fördelarna med högre hastighet kan förnekas. Flerpassagekonstruktioner är således mest framgångsrika för blygsamma temperaturförändringar på rörsidan.

Betydelsen av PTFE värmeväxlare
Eftersom PTFE har låg värmeledningsförmåga är filmresistansen på rörets -sida ofta den dominerande för den totala värmeöverföringen. Därför är ett av de viktiga designmålen att förbättra rörets-sidokoefficient. Fler-passdesigner åstadkommer detta utan att kräva en större total flödeshastighet från anläggningspumpen, vilket gör dem önskvärda för eftermontering eller där flödeshastigheten är fast.

PTFE-slangar är dock mekaniskt mjuka och kan vibrera vid höga flödeshastigheter. Överdriven hastighet kan producera rörfladder och resultera i att det blir nötande mot bafflar eller skador på rörplåten. För PTFE-slangar är typiska föreslagna rörsidohastigheter 0,5 till 2,0 m/sek (1,6 till 6,6 fot/sek). En design med flera -pass som ökar hastigheten från 0,5 m/s till 1,0 m/s är bra, men att öka den till 3,0 m/s kan orsaka mekaniska problem. Antalet passager bör väljas för att hålla hastigheten inom det intervall som anges av tillverkaren.

Dessutom bör fördelarna med värmeöverföring balanseras mot pumpkostnaden. En processpump finns redan tillgänglig för tankcirkulation. Tryckfallet för en PTFE-växlare med flera-passager kan vara acceptabelt i många ytbehandlingsprocesser. Alternativt kan en engångskonstruktion med ett större skal (fler rör parallellt) åstadkomma samma funktion vid lägre tryckfall men högre kapitalkostnad.

Jämförelsetabell: Single-Pass kontra Multi-Pass PTFE värmeväxlare
Följande tabell visar typisk prestandastatistik för ett fast totalt rör-sidoflöde och fast värmeöverföringsyta. Värdena är representativa; faktiska prestanda kommer att förlita sig på detaljer om storlek och flytande egenskaper.

Antal rörpassager Relativ rörhastighet* Relativ rör-Sidovärmeöverföringskoefficient** Relativt tryckfall (rörsida) LMTD-korrigeringsfaktorintervall Typiska tillämpningar
1 (Single-Pass) 1,0 (baslinje) 1,0 (baslinje) 1,0 (baslinje) 1,00 (rent motström tänkbart) Vätskor med hög flödeshastighet; gaser; lågtrycksfallssystem
2 (Två-Godkänd) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Bra balans Mest utbredd för PTFE-vätskeväxlare
4 (fyra-Pass) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Vätskor med hög viskositet eller extremt högt U--värde krävs; kontrollera pumpkostnaden
6 eller 8 Pass 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Sällsynt; endast med vätskor med låg viskositet och hög tillåten ΔP-hastighet i förhållande till enkelpassagedesign med samma antal rör och flödeshastighet. Beräknad för turbulent eller övergångsflöde. Verklig förbättring beror på Reynolds talexponent (vanligtvis h ~ v^0,8 för turbulent flöde).

Praktiska överväganden vid ytfinishing
I många ytbehandlingsapplikationer (plätering, anodisering, betning) är vätskan på tubsidan ofta själva processbadet, en syra eller alkalisk lösning som innehåller suspenderade partiklar eller lösta metaller. Följande praktiska riktlinjer är tillämpliga:

Cirkulationer av badet med hög flödeshastighet för tankblandning eller filtrering orsakar ofta enstaka -passdesigner. Under sådana omständigheter kan hastigheten redan vara tillräcklig och fler passager skulle bara öka tryckfallet utan en motsvarande ökning av värmeöverföringen.

Tvåpassagedesignen är den mest använda PTFE-värmeväxlardesignen för plätering av blygsamma storlekar. Värmeöverföringen förbättras avsevärt samtidigt som tryckfallet hålls inom gränserna för de vanliga centrifugalpumparna (normalt 1–3 bars förlust).

Fyra -passdesigner används när den tillgängliga värmeöverföringsytan är begränsad (till exempel en eftermonterad växlare som måste passa i befintligt utrymme) och pumpen har ett reservhuvud. De används också för uppvärmning av trögflytande vätskor som koncentrerad fosforsyra eller andra kemiska processbad.

Det nämns också att det optimala antalet rörpassager påverkas av skalets -sidelayout. Om skalets -sidevätska är kondensation av ånga (som har en mycket hög värmeöverföringskoefficient) dominerar rörets -sidomotstånd och fler-passkonstruktioner är mycket fördelaktiga. Om vätskan på skalsidan är ett kylvatten med låg koefficient, kan det hända att förbättring av endast rörsidan inte ger någon väsentlig total fördel.

Designexempel: Hur många pass att välja
Överväg en PTFE-värmeväxlare som värmer ett nickelpläteringsbad från 55 grader C till 60 grader C med ånga på skalsidan. Värmeeffekten som krävs är 100 kW. Cirkulationspumpen kan cirkulera en badvätska på 30 m3/h via värmeväxlaren. Preliminär enkelpassagekonstruktion med 200 rör med 6 mm ID resulterar i en rörsidohastighet på 0,5 m/s, tryckfall på 0,3 bar och en beräknad total värmeöverföringskoefficient (U) på 200 W/m2.K. Den nödvändiga ytan är 12 m².

2-passdesignen (100 rör/pass) fördubblar hastigheten till 1,0 m/s. Rörsidans koefficient ökar med nästan 40 %, vilket ger ett U på 260 W/m2K. ytan som krävs minskas till 9,2 m2 (mindre, billigare växlare). Tryckförlusten ökar till ungefär 1,2 bar vilket fortfarande är inom pumpens kapacitet. 2-passdesignen är verkligen bättre.

För en 4-pass konfiguration (50 rör varje passage) är hastigheten 2,0 m/s och U ökas till ca 300 W/m2.K. Erforderlig yta 8 m2 Tryckfallet blir dock ca 5 bar, vilket kan vara större än pumphuvudet eller leda till hög energianvändning. Justeringsfaktorn för LMTD är 0,93, vilket minskar den faktiska drivkraften något. I det här scenariot är den idealiska kompromissen 2-passdesignen.

Slutord