مزایای نسبی طرح‌های مبدل حرارتی PTFE تک-و چند پاسی- چیست؟

در یک مبدل پوسته PTFE-و-مبدل لوله، سیال کناری لوله می‌تواند یک بار از ورودی به خروجی عبور کند یا چندین بار مجدداً-در بسته به گردش درآید. تعداد پاس ها سرعت سیال، راندمان انتقال حرارت و قدرت پمپاژ مورد نیاز را تعیین می کند. تمرکز اغلب برای به حداکثر رساندن ضریب انتقال حرارت جانبی لوله است، زیرا PTFE ذاتاً هدایت حرارتی پایینی دارد (حدود 0.25 W/m·K). با این حال، انتخاب یک طرح-یک پاس یا چند{10}}بی اهمیت نیست-این یک تجارت آگاهانه-بین افزایش انتقال حرارت و جریمه افت فشار است.

ترتیبات عبور لوله توضیح داده شده است
تعداد عبور لوله تعداد دفعاتی است که سیال عبوری از لوله ها در طول مبدل جریان می یابد. پاس ها با قرار دادن تقسیم کننده ها (پارتیشن های عبور) در کانال یا کلاه در یک یا هر دو انتهای مبدل تولید می شوند. این تقسیم‌کننده‌ها به سیال اجازه می‌دهند که فقط در برخی از لوله‌ها جریان یابد، قبل از اینکه معکوس شود و به مجموعه لوله‌های دیگر جریان یابد.

ساخت و ساز تک-گذر
در یک مبدل یک-گذر (1-گذر)، سیال سمت لوله در یک انتها وارد کانال می‌شود، مستقیماً از تمام لوله‌ها به صورت موازی عبور می‌کند و از انتهای مخالف خارج می‌شود. هیچ دیوار داخلی وجود ندارد. این ساده ترین طراحی جریان است.

طراحی چندگانه-(۲ پاس، ۴ پاس، و غیره)
در آرایش چند گذری، سیال چندین بار از بسته لوله عبور می کند. به عنوان مثال، با یک مبدل 2{4}} کانال ورودی به دو قسمت تقسیم می شود. سیال به یک قسمت وارد می شود، از نیمی از لوله ها به انتهای آن می گذرد، در یک کلاه برگشتی تغییر جهت می دهد، از لوله های باقی مانده به عقب می گذرد و از قسمت دوم کانال سمت ورودی خارج می شود. در مبدل 4 پاس این عمل دو بار تکرار می شود.

تعداد پاس ها همیشه یک عدد زوج است به طوری که نازل های ورودی و خروجی در یک انتهای مبدل قرار می گیرند که اتصال لوله ها را ساده می کند.

تفاوت های اصلی در رفتار حرارتی{0}}هیدرولیک
انتخاب طرح مبدل حرارتی PTFE تک پاسی یا چند پاسی تحت تأثیر تأثیر روی سرعت سیال، ضریب انتقال حرارت، افت فشار و اختلاف دمای میانگین لگاریتم (LMTD) قرار دارد.

ضریب انتقال حرارت و سرعت سیال
سرعت سیال در هر لوله تابعی از تعداد لوله های مورد استفاده برای هر عبور برای یک نرخ جریان کل سمت لوله خاص است. در طراحی یک پاس، همه لوله ها به طور همزمان فعال هستند. مساحت جریان موجود مجموع نواحی جریان تمام لوله ها است. بنابراین، سرعت نسبتاً کوچک است مگر اینکه دبی کل زیاد باشد.

در طراحی چند گذری، جریان کل یکسانی در هر گذر تنها با استفاده از بخشی از لوله‌ها انجام می‌شود. در یک مبدل 2- با دو گروه لوله یکسان، هر گذر شامل نیمی از کل لوله ها است. سرعت در هر لوله با توجه به سناریوی تک گذر دو برابر می شود (برای جریان کل یکسان). سرعت با پیکربندی 4 پاس چهار برابر می شود.

ضریب انتقال حرارت همرفتی با افزایش عدد رینولدز سمت لوله به دلیل افزایش سرعت افزایش می یابد. مانع محدود کننده انتقال گرما اغلب لایه سیال جانبی لوله است (خواه سیال پوسته-بخار متراکم شونده باشد یا مایع با رسانایی بالا-). از آنجایی که لوله های PTFE از نظر هدایت حرارتی ضعیف هستند، افزایش سرعت سمت لوله می تواند ضریب انتقال حرارت کلی را تا حد زیادی افزایش دهد.

اثرات افت فشار
هزینه های سرعت بالاتر: افت فشار با مجذور سرعت افزایش می یابد (تقریبا). برای طراحی 2-گذر، افت فشار سمت لوله حدوداً 4 برابر طراحی یک پاس است (سرعت دو برابر + تلفات اضافی در کاپوت برگشتی). برای طراحی 4 پاس، افت فشار می تواند 16 برابر بیشتر باشد، به علاوه تلفات زیاد در محفظه های معکوس.

در عمل، تعداد گذرهای به کار رفته به طور کلی توسط قدرت پمپاژ موجود یا افت فشار مجاز در خط فرآیند محدود می‌شود. ترتیب معمول مبدل های حرارتی PTFE 2-گذر یا 4-گذر است. اگر سیال سمت لوله، مایعی با ویسکوزیته متوسط ​​باشد و پمپ دارای سر کافی باشد، طرح های تک پاسی با سیال سمت لوله گاز (جایی که افت فشار اهمیت بیشتری پیدا می کند) یا با دبی بالا ترجیح داده می شود.

تصحیح اختلاف میانگین دمای لاگ (LMTD)
یکی از تمایزات اصلی این است که سیستم‌های چند گذر{0} جریان متقابل خالص نیستند، که نیروی محرکه دمای مؤثر را کاهش می‌دهد. LMTD در یک مبدل تک پاس با ترتیب جریان مخالف (سیال سمت لوله در جهت مخالف سیال سمت پوسته) بالاترین میزان است. در مبدل‌های چند گذری، الگوی جریان نزدیک به جریان مختلط یا متقاطع است و یک ضریب تصحیح (گاهی اوقات F نامیده می‌شود) به LMTD جریان مخالف اعمال می‌شود.

برای یک مبدل 2{3}} ضریب تصحیح LMTD معمولاً در محدوده 0.95 تا 0.99 برای اکثر موقعیت‌های عملیاتی قرار دارد - یک کاهش کوچک. برای مبدل های 4 پاس این ضریب ممکن است 0.90-0.95 باشد. برای کاربردهای متقاطع دمای بالا (جایی که دماهای ورودی و خروجی بسیار نزدیک هستند) ضریب تصحیح می تواند به طور قابل ملاحظه ای کمتر از 1 باشد زیرا مزایای سرعت بالاتر را می توان نفی کرد. بنابراین، طرح‌های چند پاسی برای تغییر دمای متوسط ​​در سمت لوله موفق‌ترین هستند.

اهمیت مبدل حرارتی PTFE
از آنجایی که PTFE رسانایی حرارتی پایینی دارد، مقاومت لایه جانبی لوله اغلب برای انتقال حرارت کلی غالب است. از این رو، یکی از اهداف مهم طراحی، بهبود ضریب سمت لوله است. طرح‌های چند{4}}گذری این کار را بدون نیاز به دبی کلی بیشتر از پمپ کارخانه انجام می‌دهند و آنها را برای مقاوم‌سازی یا جاهایی که نرخ جریان ثابت است مطلوب می‌سازد.

با این حال، لوله PTFE از نظر مکانیکی نرم است و می تواند در سرعت های جریان بالا ارتعاش کند. سرعت بیش از حد می تواند باعث بال زدن لوله شود و منجر به ایجاد ناراحتی در برابر بافل یا آسیب صفحه لوله شود. برای لوله‌های PTFE، سرعت‌های پیشنهادی معمول سمت لوله 0.5 تا 2.0 متر بر ثانیه (1.6 تا 6.6 فوت در ثانیه) است. طراحی چند گذری که سرعت را از 0.5 متر بر ثانیه به 1.0 متر بر ثانیه افزایش می دهد خوب است، اما افزایش آن به 3.0 متر بر ثانیه می تواند باعث مشکلات مکانیکی شود. تعداد پاس ها باید طوری انتخاب شود که سرعت در محدوده مشخص شده توسط سازنده حفظ شود.

همچنین، مزایای انتقال حرارت باید با هزینه پمپاژ متعادل شود. یک پمپ فرآیند در حال حاضر برای گردش مخزن موجود است. افت فشار یک مبدل PTFE چند گذری ممکن است در بسیاری از فرآیندهای تکمیل سطح قابل قبول باشد. روش دیگر، یک طرح تک پاس با پوسته بزرگتر (لوله های بیشتر به صورت موازی) می تواند همان عملکرد را با افت فشار کمتر اما هزینه سرمایه بالاتر انجام دهد.

جدول مقایسه: مبدل‌های حرارتی PTFE تک عبوری-در مقابل چند گذری-
جدول زیر آمار عملکرد معمولی را برای سرعت جریان مجموع لوله ثابت-و ناحیه انتقال حرارت ثابت نشان می‌دهد. ارزش ها نماینده هستند. عملکرد واقعی به جزئیات اندازه و ویژگی های سیال بستگی دارد.

تعداد عبور لوله سرعت نسبی لوله* لوله نسبی-ضریب انتقال حرارت جانبی** افت فشار نسبی (سمت لوله) محدوده ضریب تصحیح LMTD کاربردهای معمولی
1 (تک-گذر) 1.0 (خط پایه) 1.0 (خط پایه) 1.0 (خط پایه) 1.00 (مقابل جریان خالص قابل تصور) مایعات با دبی بالا. گازها؛ سیستم های افت فشار کم
2 (دو-گذر) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99تعادل خوب بیشتر برای مبدل های مایع PTFE رایج است
4 (چهار-گذر) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0.95 مایعات با ویسکوزیته بالا یا مقدار U- بسیار بالا لازم است. بررسی هزینه پمپاژ
6 یا 8 پاس 6 - 8 1.9 - 2.3 > 30 < 0.90 نادر; فقط با سیالات با ویسکوزیته کم و سرعت ΔP مجاز بالا نسبت به طرح تک پاس با تعداد لوله و دبی یکسان. برای جریان متلاطم یا انتقالی تخمین زده شده است. بهبود واقعی به توان عدد رینولدز بستگی دارد (معمولا h ~ v^0.8 برای جریان آشفته).

ملاحظات عملی در تکمیل سطح
در بسیاری از کاربردهای تکمیل سطح (آبکاری، آنودایز، ترشی) سیال سمت لوله اغلب خود حمام فرآیند است، محلول اسیدی یا قلیایی حاوی ذرات معلق یا فلزات محلول. دستورالعمل های عملی زیر قابل اجرا هستند:

گردش‌های با سرعت جریان بالا در حمام برای مخلوط کردن مخزن یا فیلتر کردن، اغلب به طرح‌های یک‌گذر-می‌رسد. در چنین شرایطی ممکن است سرعت از قبل کافی باشد و عبورهای بیشتر فقط افت فشار را بدون افزایش متناظر در انتقال حرارت افزایش دهد.

طرح دو پاسی پر استفاده ترین طرح مبدل حرارتی PTFE برای خطوط آبکاری با اندازه متوسط ​​است. انتقال حرارت به طور قابل توجهی افزایش می یابد در حالی که افت فشار در محدوده پمپ های گریز از مرکز معمولی حفظ می شود (معمولاً 1-3 بار تلفات).

زمانی که ناحیه انتقال حرارت در دسترس محدود باشد (مثلاً یک مبدل مقاوم که باید در فضای موجود جا شود) و پمپ دارای سر اضافی باشد، از چهار طرح عبور استفاده می‌شود. آنها همچنین برای گرم کردن مایعات چسبناک مانند اسید فسفریک غلیظ یا دیگر حمام های فرآیند شیمیایی استفاده می شوند.

همچنین ذکر شده است که تعداد بهینه گذرهای لوله تحت تأثیر پوسته-طراحی جانبی است. اگر پوسته{2}}سیال جانبی چگالش بخار باشد (که دارای ضریب انتقال حرارت بسیار بالایی است)، مقاومت جانبی لوله غالب است و طرح‌های چند-گذری بسیار سودمند هستند. اگر سیال سمت پوسته یک آب خنک کننده با ضریب پایین باشد، بهبود تنها سمت لوله ممکن است مزیت کلی قابل توجهی نداشته باشد.

مثال طراحی: چند پاس برای انتخاب
یک مبدل حرارتی PTFE را در نظر بگیرید که حمام آبکاری نیکل را از 55 درجه سانتیگراد تا 60 درجه سانتیگراد با استفاده از بخار در سمت پوسته گرم می کند. وظیفه حرارتی مورد نیاز 100 کیلو وات است. پمپ گردش می تواند مایع حمام 30 متر مکعب در ساعت را از طریق مبدل به گردش درآورد. طراحی اولیه تک پاس با 200 لوله ID 6 میلی متری منجر به سرعت سمت لوله 0.5 متر بر ثانیه، افت فشار 0.3 بار و ضریب انتقال حرارت کل محاسبه شده (U) 200 W/m2.K می شود. مساحت لازم 12 متر مربع است.

طراحی 2 پاس (100 لوله / پاس) سرعت را دو برابر می کند و به 1.0 متر بر ثانیه می رساند. ضریب سمت لوله تقریباً 40٪ افزایش می یابد، U260 W/m2K را می دهد. مساحت مورد نیاز به 9.2 متر مربع کاهش می یابد (مبدل کوچکتر و ارزان تر). افت فشار به حدود 1.2 بار افزایش می یابد که هنوز در ظرفیت پمپ است. طراحی 2 پاس مطمئنا بهتر است.

برای پیکربندی 4 پاس (50 لوله در هر عبور)، سرعت 2.0 متر بر ثانیه است و U به حدود 300 W/m2.K افزایش یافته است. مساحت مورد نیاز 8 متر مربع با این حال، افت فشار حدود 5 بار می شود که ممکن است بزرگتر از سر پمپ باشد یا منجر به مصرف انرژی بالا شود. ضریب تنظیم برای LMTD 0.93 است که تا حدودی نیروی محرکه واقعی را کاهش می دهد. در این سناریو، سازش ایده آل، طراحی 2 پاس است.

سخنان پایانی