مبدل‌های حرارتی PTFE{0}}سبک سرنیزه چه تفاوتی با طرح‌های لوله ثابت معمولی دارند؟

اکثر مبدل های پوسته و لوله دارای لوله هایی هستند که در هر دو انتها متصل شده اند. یک مبدل سرنیزه این را روی سر خود می چرخاند: لوله ها فقط در یک انتها ثابت هستند، سر دیگر آزاد است تا درون یک غلاف بیرونی مهر و موم شده بلغزد. این طراحی ساده بر دو-نگرانی طولانی مدت، استرس گرمایی و دسترسی به تعمیر و نگهداری، غلبه می‌کند. چیدمان سرنیزه یک جایگزین وسوسه انگیز برای تکمیل سطوح و کاربردهای فرآیند شیمیایی که شامل مبدل های حرارتی PTFE است، جایی است که ضریب انبساط حرارتی بالای ماده (CTE) محلول های لوله ثابت را مشکل ساز می کند.

ساخت سرنیزه (توضیح داده شده)
نام مبدل حرارتی PTFE سبک سرنیزه ای از ظاهر یک لامپ سرنیزه-یا کوپلینگ لوله ای ناشی می شود که در آن یک قسمت در قسمت دیگر وارد شده و در یک نقطه ثابت می شود. لوله سرنیزه از دو لوله متحدالمرکز تشکیل شده است، لوله داخلی و لوله بیرونی که در انتهای آن در اصطلاح مبدل حرارتی مهر و موم شده است. مجموعه در یک پوسته (یا مستقیماً در یک مخزن) قرار می گیرد و فقط در انتهای ورودی/خروجی-معمولاً در یک صفحه لوله یا فلنج محکم می شود. انتهای دیگر میله آزاد است که از نظر حرارتی منبسط و منقبض شود.

با پیکربندی سرنیزه، مسیر سیال معمولاً به صورت زیر ساخته می شود:

مایع سرویس (بخار، آب گرم یا خنک کننده) از طریق لوله داخلی تامین می شود و به انتهای مهر و موم شده جریان می یابد.

سیال در انتهای مهر و موم شده به اطراف چرخانده می شود و در ناحیه حلقوی بین لوله های داخلی و خارجی جریان می یابد.

گرما از طریق دیواره لوله بیرونی به سیال فرآیند در سمت پوسته (یا سمت مخزن) منتقل می شود.

سپس مایع از فضای حلقوی خارج می شود، از همان انتهایی که وارد شده است.

کانال جریان "در-و-خروج" نشان می‌دهد که هر دو رابط ورودی و خروجی در یک انتهای مبدل قرار دارند. انتهای آزاد لوله سرنیزه به جز در مهر و موم آزاد است و آزاد است که به صورت محوری حرکت کند.

تفاوت های عمده با طرح های لوله ثابت سنتی
در یک مبدل حرارتی PTFE ورق لوله ثابت سنتی، لوله ها در هر دو انتها ثابت می شوند، با یک صفحه لوله در انتهای ورودی و دیگری در انتهای خروجی. دسته لوله بخشی جدایی ناپذیر از پوسته است و نازل های جانبی پوسته به پوسته جوش داده می شوند. رفتار مکانیکی و سهولت نگهداری کاملاً متفاوت است.

مسکن کرنش حرارتی
علاوه بر این، انبساط PTFE 10 تا 20 برابر بیشتر از فولاد است (120 تا 150 × 10-6 / درجه در مقابل 11 × 10-6 / درجه). در طراحی صفحه لوله ثابت، یک لوله PTFE به طول 2 متر که از 20 درجه تا 100 درجه گرم می شود، حدود 12 تا 15 میلی متر منبسط می شود. هر دو انتها ثابت هستند، بنابراین این انبساط نیروهای فشاری ایجاد می کند که می تواند لوله PTFE را کمانش کند یا به اتصالات ورق لوله آسیب برساند. برای جلوگیری از این امر، یک مبدل PTFE صفحه لوله ثابت به یکی از موارد زیر نیاز دارد:

سر شناور (که یک صفحه لوله را قادر به حرکت می کند)، یا

اتصال انبساط در پوسته؛ به طور متناوب،

طول لوله بسیار کوتاه (ظرفیت مبدل را محدود می کند)

هر یک از این گزینه ها هزینه، پیچیدگی و سایت های احتمالی نشت را اضافه می کند.

از طرف دیگر یک مبدل حرارتی PTFE سبک سرنیزه ای ذاتاً نسبت به انبساط حرارتی متحمل است. انتهای آزاد لوله سرنیزه به صورت محوری در پوسته یا غلاف بیرونی می لغزد زیرا PTFE منبسط و منقبض می شود. نیاز به اتصال انبساط، سر شناور یا تطبیق مواد منحصر به فرد از بین می رود. فرم سرنیزه مخصوصاً برای کاربردهایی که شامل نوسانات دمایی زیاد یا چرخه حرارتی مکرر هستند جذاب است.

دسترسی تعمیر و نگهداری و قابلیت حذف بسته‌ها
طرح سرنیزه دارای یک مزیت مکانیکی عمده است به این صورت که کل دسته لوله ممکن است بدون ایجاد اختلال در لوله‌کشی{0} جانبی از مبدل جدا شود. بسته نرم افزاری در یک انتها داخل پوسته قرار می گیرد و توسط یک فلنج یا صفحه لوله در جای خود ثابت می شود. برای برداشتن بسته نرم افزاری برای تمیز کردن، بازرسی یا تعویض:

لوله ورودی/خروجی به سمت لوله جدا شده است.

پیچ های فلنج بسته نرم افزاری را بردارید.

بسته نرم افزاری از پوسته در جهت محوری استخراج می شود.

پوسته در موقعیت خود قرار دارد و تمام لوله‌های جانبی{0} (شامل نازل‌ها، واشرها و رابط‌ها) دست نخورده است.

در طراحی صفحات لوله ثابت، حذف بسته نرم افزاری لوله بسیار پیچیده تر است. دو سر پوسته باید باز شود و ممکن است لازم باشد نازل های جانبی پوسته را جدا کرده یا کل مبدل را از خط خارج کنید. این ممکن است یک پروژه بزرگ برای مبدل های بزرگ در مکان های پرمشغله باشد.

برای خدماتی که تمیز کردن منظم آنها ضروری است (مثلاً رسوب-حمام‌های تکمیل سطح مستعد)، سهولت حذف بسته‌ها در مبدل‌های سرنیزه یک مزیت تعیین کننده است. یک بسته سرنیزه فقط چند ساعت طول می کشد تا برداشته شود، تمیز شود و دوباره در آن قرار داده شود. یک بسته لوله ثابت می تواند به معنای یک روز کامل یا بیشتر از توقف باشد.

مسائل حرارتی با عملکرد
طراحی سرنیزه دارای عملکرد حرارتی-خوب است. مسیر جریان حلقوی (سیالی که در لوله داخلی جریان می‌یابد و از طریق حلق به عقب می‌رود) اثر لوله‌ای مضاعف-می‌دهد. دو دلیل وجود دارد که چرا ضریب انتقال حرارت کلی تا حدودی کمتر از یک طراحی لوله ثابت جریان مخالف قابل مقایسه است:

کاهش اختلاف دمای مؤثر - الگوی جریان، جریان مخالف خالص نیست، بلکه مخلوطی از جریان مخالف و جریان موازی است که اختلاف میانگین دمایی (LMTD) را کاهش می‌دهد.

سرعت کمتر در سمت حلقوی - برای سرعت جریان کلی یکسان، شکاف حلقوی ممکن است سرعت کمتری نسبت به یک لوله داشته باشد و این بر ضریب فیلم تأثیر می‌گذارد.

با این حال، این کاهش اغلب کوچک است (10-20%) و اغلب با امکان استفاده از لوله‌های بلندتر (از آنجایی که انبساط حرارتی یک عامل محدودکننده نیست) و برای کار با سرعت‌های بیشتر در سمت پوسته مقابله می‌کند. در بسیاری از کاربردهای تکمیل سطح، مزایای سرویس دهی به میزان زیادی بیشتر از معایب کم کارایی است.

مواد و ساخت و ساز
مبدل های سرنیزه ای برای ساخت و ساز گرافیت و PTFE محبوب هستند، زیرا شکننده هستند یا تحت تنش خزش می کنند و این مواد دارای انبساط حرارتی قابل توجهی هستند. طراحی سرنیزه با کیفیت مواد کار می کند، نه بر خلاف آنها.

در مبدل‌های سرنیزه PTFE، لوله‌های داخلی و خارجی معمولاً از PTFE یا PFA (پرفلوروآلکوکسی) ساخته می‌شوند. انتهای مهر و موم شده با جوش یا حرارت دادن دو لوله به یکدیگر ساخته می شود. انتهای آزاد باز است و لوله داخلی از یک لوله یا فرول عبور می کند. لوله بیرونی توسط یک واشر PTFE یا حلقه O{3}} در برابر صفحه لوله مهر و موم شده است که امکان لغزش محوری را فراهم می کند و از نشتی جلوگیری می کند.

لازم به ذکر است که انتهای آزاد لوله سرنیزه باید نگه داشته شود تا از لرزش جلوگیری شود. در لوله‌های طویل سرنیزه‌ای (مثلاً{2}} متر) از حلقه‌های پشتیبانی میانی یا بافل‌ها در داخل پوسته برای هدایت لوله بیرونی بدون مهار حرکت محوری استفاده می‌شود. بدون این پشتیبانی، ارتعاشات ناشی از جریان-می‌تواند باعث ساییدگی و شکست زودرس شود.

جدول مقایسه: ویژگی مبدل PTFE سرنیزه در مقابل صفحه لوله ثابت.
انبساط حرارتی اسکان ذاتی – سرسره های انتهایی آزاد. بدون نیاز به اتصال انبساط به سر شناور، مفصل انبساط یا لوله های بسیار کوتاه نیاز دارد
قابلیت جابجایی بسته نرم افزاری با کشیدن آسان بسته نرم افزاری از یک انتها بدون ایجاد اختلال در لوله کشی پوسته.
نازل‌های موجود در ShellCan می‌توانند در حین برداشتن بسته نرم افزاری متصل بمانند. مبدل باید جدا یا جابجا شود
اتصالات سمت لوله ورودی و خروجی در انتهای یکسان ورودی و خروجی در انتهای مخالف (به طور کلی)
مسیر جریان به داخل و خارج از طریق لوله های متحدالمرکز (دو-اثر لوله) مستقیم از طریق (یک عبور) یا چند-گذر با درپوش برگشتی
راندمان حرارتی اندکی کاهش یافته (ضریب اصلاح LMTD 0.85-0.95) بالاتر (ممکن است جریان ضد واقعی داشته باشد)
میانگین حداکثر طول لوله کنترل و ارتعاش استرس حرارتی محدود محدود شده توسط انبساط حرارتی (معمولا 1.5-2.5 متر برای PTFE بدون اتصال انبساط)
تحمل رسوب خوب، بسته نرم افزاری برای تمیز کردن قابل جدا شدن است - تمیز کردن زمان بیشتری از کار می برد.
قیمت برای واحدهای کوچک. متوسط ​​- تک لوله، بدون اتصال انبساط پایین - مونتاژ آسان‌تر برای لوله‌های کوتاه
هزینه واحدهای بزرگ/طول کمتر – بدون نیاز به اتصالات انبساط پرهزینه بالاتر – سر شناور یا درز انبساط هزینه را افزایش می دهد
کاربردهای عملی مبدل های حرارتی PTFE سرنیزه
در پردازش شیمیایی و تکمیل سطح، طرح سرنیزه برای تعدادی از موارد تخصصی ترجیح داده می شود:

چرخه حرارتی شدید - رویه‌های دسته‌ای با چندین سیکل گرمایش و سرمایش مبدل هر روز. لوله‌های -سرنیزه کشویی آزاد این دوچرخه‌سواری را بدون ایجاد استرس امکان‌پذیر می‌سازد.

خدمات رسوب گیری - حمام هایی که رسوب، لجن یا پوشش های آلی را روی سطح انتقال حرارت بر جای می گذارند. مهم است که بتوانید بسته نرم افزاری را برای تمیز کردن مکانیکی یا شیمیایی به طور منظم بکشید.

محیط های اسیدی تهاجمی که به PTFE نیاز دارند - PTFE از نظر شیمیایی بی اثر است و برای اسیدهای تهاجمی (مانند کلریدریک، سولفوریک، هیدروفلوریک) مشخص شده است. طراحی سرنیزه تعداد مهر و موم ها و نقاط نشت احتمالی در سمت لوله را کاهش می دهد.

فضای دسترسی محدود - زمانی که مبدل باید در یک گودال، کنار دیوار یا در مکانی ساخته شود که دسترسی به هر دو انتهای آن امکان پذیر نباشد. مبدل سرنیزه فقط در یک انتها سرویس می شود.

تاسیسات مقاوم سازی - جایگزینی یک مبدل لوله ثابت موجود با مشکلات خستگی حرارتی علت اصلی این خرابی ها با طراحی سرنیزه حذف می شود.

در مقابل، سیستم های لوله ای ثابت هنوز برای موارد زیر رقابت می کنند:

مبدل های کوچک و کوتاه (طول لوله کمتر از 1.5 متر) زمانی که انبساط حرارتی مشکلی ندارد.

برنامه های کاربردی بدون چرخه حرارتی. مایعات بسیار خالص

هنگامی که جریان مخالف خالص برای به حداکثر رساندن LMTD ضروری است (به عنوان مثال بازیابی گرما با رویکرد دمای نزدیک).

پروژه هایی با محدودیت بودجه که کمترین هزینه اولیه عامل اصلی آن است.

ملاحظات نصب و بهره برداری
تعدادی از جنبه های عملی وجود دارد که باید در تعیین مبدل حرارتی PTFE سبک سرنیزه ای در نظر گرفته شود.

تکیه گاه انتهای آزاد انتهای آزاد لوله سرنیزه باید پشتیبانی شود، اما محکم ثابت نشود. از تماس فلزی-به-PTFE از طریق آستین های سایش PTFE یا حلقه های اصطکاک کم- جلوگیری می شود.

طراحی مهر و موم - مهر و موم کشویی برای ورود لوله بیرونی به صفحه لوله باید امکان حرکت محوری را بدون نشتی فراهم کند. درزگیرهای لب PTFE یا حلقه‌های O{2}} با انرژی‌دهنده فنری رایج هستند.

توزیع جریان - اطمینان حاصل کنید که شکاف حلقوی به اندازه کافی بزرگ است تا از کاهش بیش از حد فشار جلوگیری شود. شکاف به طور کلی 2-5 میلی متر است، بسته به قطر لوله و سرعت جریان.

لرزش لوله - بافل ها یا صفحات تکیه گاه باید در فواصل 0.5 تا 1.0 متری قرار گیرند تا از ارتعاشات ناشی از گرداب- جلوگیری شود. تکیه گاه ها باید امکان لغزش محوری را فراهم کنند.

همچنین توجه داشته باشید که مبدل های سرنیزه را می توان به تعداد زیادی در یک پوسته نصب کرد. طراحی چند{1}}سرنیزه ای از تعداد زیادی لوله سرنیزه پشت سر هم استفاده می کند که همگی در یک صفحه لوله بسته شده اند. این چیدمان فضای وسیعی را برای انتقال گرما و دسترسی برای نگهداری تنها از یک انتها فراهم می کند.

نتیجه گیری