Cum influențează structura tubului (triunghiular versus pătrat) fluxul lateral-și transferul de căldură într-un schimbător de PTFE?

Când fluidul lateral-caroiului trece peste un mănunchi de tuburi PTFE, modelul tuburilor – numit model „pas” – influențează dacă fluxul este în zig-zag turbulent sau curge cu mai puțină rezistență. Selectarea aspectului este o decizie operațională de bază-de lungă durată. Inginerii care dezvoltă sau specifică un schimbător de căldură din PTFE trebuie să aprecieze compromisurile-entre modelele cu pas triunghiular și pătrat pentru a echilibra performanța transferului de căldură cu mentenabilitatea-pe termen lung.

Geometria aranjamentelor tuburilor
Modelele de aranjare a tubului sunt descrise ca poziția centrelor tubului în raport cu direcția curgerii pe partea carcasei. Cele mai populare aranjamente sunt pasul triunghiular (inclusiv triunghiul rotit) și pasul pătrat (inclusiv pătratul rotit). În toate împrejurările, pasul tubului--distanța de la centru la centru dintre tuburile adiacente - este de obicei de 1,25 până la 1,5 ori diametrul exterior al tubului. Distanța este proiectată pentru a oferi o rezistență mecanică adecvată, pentru a preveni contactul tuburilor și pentru a permite fluidului să curgă prin fascicul din partea carcasei.

Pas (Eșalonat) Triunghiular
Într-un pas triunghiular, fiecare tub din al doilea rând este eșalonat cu jumătate de pas față de primul rând. Acest lucru duce la un aspect eșalonat, astfel încât rutele de flux să nu fie în linie dreaptă în întregul pachet. Fluidul lateral-cochiliei este forțat să se șerpuiască între tuburi, schimbând continuu direcția.

Caracteristici cheie:

Mai multe tuburi pe unitate de secțiune transversală{0}}coaja (densitate mai mare a tubului)

Turbulențe mai mari în flux

Creșterea presiunii-pe marginea carcasei

Coeficient de transfer de căldură mult mai mare

Pas pătrat (în linie).
Tuburile sunt într-un pas pătrat, aranjate în rânduri și coloane, formând coridoare sau benzi drepte în direcția curgerii-laterale. Fluidul poate trece prin aceste pasaje practic fără piedici.

Caracteristici cheie:

Densitate mai mică a tubului (mai puține tuburi pentru același diametru al carcasei)

Turbulențe cu debit redus

căderea de presiune pe partea inferioară a carcasei

Coeficient de transfer de căldură mai mic (pentru un debit de masă similar)

Benzi pentru curatare mecanica cu acces direct

Efectul învelișului-fluxului lateral și transferului de căldură
Eșalonarea pasului triunghiular distruge straturile limită laminare și induce amestecarea continuă. Fluidul nu se deplasează în fluxuri netede, ci lovește, se separă și se atașează din nou la tuburi. O astfel de mișcare haotică crește transmiterea căldurii prin convecție la suprafețele tubului. Pentru un debit dat în partea de înveliș, coeficientul de transfer de căldură al unui mănunchi cu pas triunghiular-poate fi cu 20–30% mai mare decât cel al unui mănunchi cu pas pătrat-cu pătrat egal.

Negativ este căderea de presiune. Turbulența care mărește transmiterea căldurii folosește și energie de pompare. Cu toate acestea, în multe aplicații ale schimbătoarelor PTFE în care fluidele laterale-învelișului sunt de obicei apă, abur sau medii de răcire curate, o ușoară creștere a pierderii de presiune este acceptabilă.

Dispunerea liniară menține benzi de curgere curate într-un pas pătrat. Fluidul de pe partea învelișului accelerează, de asemenea, în golurile înguste dintre tuburi, dar fluxul este mai laminar sau mai tranzițional, cu mai puțin-amestecare transversală. Ca urmare, coeficientul de transmisie a căldurii este scăzut. Pentru aceeași sarcină termică, un pachet cu pas pătrat-ar putea avea nevoie de un diametru de carcasă mai mare sau de o lungime mai mare a tubului.

Comparația densității tubului
La un pas triunghiular puteți avea aproximativ 15% mai multe tuburi cu același diametru de carcasă ca și la un pas pătrat. Aceasta este o consecință a eficienței ambalării. Pentru schimbătoarele de PTFE, pereții tubului sunt adesea destul de groși și au conductivitate termică scăzută (comparativ cu tuburile metalice), prin urmare maximizarea numărului de tuburi este adesea de dorit pentru a compensa rezistența termică inerentă a PTFE. Dispunerea triunghiulară mărește suprafața de transfer de căldură fără a crește dimensiunea carcasei.

Accesul la curățare mecanică, o problemă majoră pe termen lung
Principala considerație pe termen lung este accesul pentru curățare. Capacitatea de a îndepărta depunerile murdare de pe partea carcasei unui schimbător va determina dacă unitatea poate fi restabilită la performanța anterioară după luni sau ani de utilizare.

În pasul triunghiular, geometria eșalonată nu permite linii de vedere directe, neobstrucționate în întregul pachet. Instrumentele mecanice de curățare, cum ar fi lăncile de filare, jeturile de apă de înaltă presiune sau periile de sârmă nu pot fi introduse între tuburi. Pentru un pachet cu pas triunghiular-, singura modalitate de curățare este curățarea chimică (acizi în circulație, solvenți sau detergenți). Curatarea chimica este eficienta in indepartarea multor tipuri de murdarie (calamar, depozite organice, namol usor), dar depozitele dure persistente sau cele care nu se vor dizolva in substante chimice sigure pot fi tratate cu mai putin succes.

Un pas pătrat oferă un acces liber, cu coridoare drepte între rândurile de tuburi. O lance de curățare mecanică poate fi trecută prin partea carcasei, de obicei de la capătul canalului detașabil, pentru a sabla sau a îndepărta depunerile din tuburi. Pasul pătrat este alegerea prestabilită atunci când se știe că fluidul-lateral de înveliș se murdărește puternic-de exemplu, apă de răcire necurată, fluxuri de proces de polimerizare sau fluide care conțin particule în suspensie care se coc pe suprafețe.

Aplicare în schimbătoare-de căldură din PTFE
Pentru servicii corozive pe partea tubului (fluid în interiorul tuburilor), schimbătoarele de căldură din PTFE sunt de obicei specificate. Tuburile PTFE rezistă deteriorării cauzate de acizi puternici, alcalii și solvenți organici. În multe instalații, partea învelișului transportă un fluid utilitar curat, cum ar fi apa de răcire, abur sau ulei de transfer de căldură. Murdărirea este scăzută, deoarece fluidele laterale-cochiliei sunt în general curate. Ca rezultat, pasul triunghiular este predominant în schimbătoarele de PTFE. Îmbunătățește direct performanța cu un coeficient de transfer de căldură mai mare și o densitate crescută a tubului, fără penalizare de curățare.

Cu toate acestea, există o problemă diferită atunci când fluidul corosiv sau murdar trebuie să fie pe partea carcasei. Acest lucru se întâmplă în unele aranjamente de proces - - de exemplu, în cazul în care partea carcasă trebuie deschisă pentru inspecție sau în cazul în care partea tubului este rezervată pentru un fluid curat pentru a reduce căderea de presiune. Dacă fluidul de pe marginea carcasei greșește, atunci este de preferat un pas pătrat. Pierderea de performanță termică este compensată de capacitatea de a curăța mecanic exteriorul tuburilor PTFE în timpul întreruperilor anuale de întreținere.

Schimbul pe scurt
Pasul triunghiular FeaturePitch Square
Densitatea tubului Mai mare (~15% mai multe tuburi) Jos.
Turbulență pe marginea carcasei Ridicată (debit eșalonat) Scăzut până la moderat (benzi paralele)
Coeficient de transfer de căldură Mai mare Inferioară
Căderea presiunii pe partea carcasei Mai mare Inferioară
Acces la curățare mecanică. Niciunul (numai curățare chimică) Bun (culori de acces direct)
Utilizarea obișnuită a schimbătoarelor de căldură PTFELichid curățat (apă, abur, ulei) pe partea carcasei. Murdărirea fluidului lateral-
De fapt, alegerea între triunghi și pas pătrat pentru un model de aranjare a tubului de schimbător PTFE pătrat triunghiular este rareori o chestiune de supremație pură. Este un compromis între performanță și întreținere. Forma triunghiulară oferă un schimbător mai compact și mai eficient pentru o utilizare laterală curată a carcasei-. Modelul pătrat compromite puțină performanță termică pentru a câștiga posibilitatea de a restabili performanța folosind o lance sau o perie pentru un serviciu de murdărire.

Efectul amenajării asupra costului ciclului de viață al schimbătoarelor de PTFE
Pe lângă problemele termice și hidraulice imediate, modelul de dispunere a tubului influențează costul total de proprietate. Un schimbător cu pas triunghiular poate avea un prim cost mai ieftin (carcasa mai mică pentru aceeași suprafață) și o energie de funcționare mai mică (eficiență mai bună a transferului de căldură), dar dacă partea carcasă se dărâmă și curățarea chimică nu restabilește performanța, este posibil ca unitatea să fie nevoie să fie înlocuită prematur. Un schimbător cu pas pătrat, pe de altă parte, poate avea o carcasă mai mare și un cost inițial mai mare, dar poate fi curățat mecanic în mod repetat, prelungind astfel durata de viață la infinit.