Khi định cỡ bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ-và-ống, việc tính toán cạnh ống- rất đơn giản. Tuy nhiên,-phía vỏ có sự phức tạp với cách sắp xếp vách ngăn và dòng rò rỉ có thể làm thay đổi đáng kể hiệu suất dự đoán. Đối với các kỹ sư làm việc với thiết bị fluoropolymer, thách thức càng trở nên phức tạp hơn khi cố gắng tính hệ số truyền nhiệt phía vỏ trong các hệ thống sử dụng ống PTFE.
Tại sao Shell- lại là vấn đề phụ
Hệ số truyền nhiệt phía vỏ-thể hiện khả năng chất lỏng chảy qua bên ngoài ống để trao đổi nhiệt với thành ống. Hệ số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số truyền nhiệt tổng thể (giá trị U{2}}), hệ số này chi phối tổng hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt.
Trong bộ trao đổi nhiệt PTFE, thông số này trở nên đặc biệt quan trọng. PTFE có độ dẫn nhiệt thấp khoảng 0,25 W/m·K, tạo ra điện trở đáng kể bên trong thành ống. Do đó, cả hệ số màng bên -bên ống và bên vỏ{4}}phải được đánh giá cẩn thận vì không bên nào có thể bù đắp hoàn toàn cho sự truyền nhiệt kém ở bên kia.
Người ta thường quan sát thấy rằng ngay cả khi hiệu suất bên ống-được tối ưu hóa, việc truyền nhiệt bên vỏ-không đủ có thể hạn chế hiệu suất tổng thể.
Tổng quan về phương pháp Kern
Một phương pháp phổ biến được sử dụng trong thiết kế sơ bộ là phương pháp Kern. Phương pháp này cung cấp một phương pháp thực tế để ước tính hệ số truyền nhiệt phía vỏ{0}}cho các bộ trao đổi nhiệt có vách ngăn phân đoạn. Phương pháp này đặc biệt có thể áp dụng khi mức cắt vách ngăn khoảng 25%, một cấu hình tiêu chuẩn trong nhiều kiểu dáng công nghiệp.
Phương pháp Kern đơn giản hóa các mô hình dòng chảy phức tạp ở phía vỏ bằng cách xử lý chất lỏng như chảy qua một bó ống theo kiểu dòng chảy ngang. Mặc dù nó không nắm bắt được tất cả các hiệu ứng rò rỉ và bỏ qua nhưng nó cung cấp giá trị gần đúng hợp lý cho các tính toán ở giai đoạn đầu-.
Để tính hệ số truyền nhiệt phía vỏ bằng phương pháp Kern, cần có một số tham số chính:
Đường kính vỏ
Bố trí và cao độ bó ống
Khoảng cách và cắt vách ngăn
Tính chất chất lỏng (mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt)
Tốc độ dòng chảy lớn
Từ những đầu vào này, đường kính tương đương được xác định, theo sau là số Reynolds và số Prandtl cho chất lỏng bên-vỏ. Những con số không thứ nguyên này sau đó được sử dụng trong các mối tương quan thực nghiệm để ước tính hệ số truyền nhiệt đối lưu.
Trong thực tế, phương pháp này mang lại các giá trị đủ chính xác cho việc định cỡ ban đầu, đặc biệt khi không có sẵn các công cụ tính toán chi tiết.
Ví dụ khái niệm
Hãy xem xét trường hợp đơn giản hóa trong đó nước được làm nóng ở phía vỏ trong khi hơi nước có áp suất thấp- ngưng tụ bên trong ống PTFE. Giả sử như sau:
Chất lỏng bên -vỏ: nước ở nhiệt độ vừa phải
Chế độ dòng chảy: dòng chảy hỗn loạn
Số Reynolds ước tính: ~10.000
Sử dụng hệ số tương quan Kern tiêu chuẩn, hệ số truyền nhiệt bên-vỏ có thể nằm trong khoảng 800–1500 W/m²·K đối với loại dịch vụ này.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng giá trị này chỉ biểu thị điện trở bên{0}}chất lỏng. Khi kết hợp với độ dẫn điện tương đối thấp của PTFE, giá trị U{2}} tổng thể sẽ thấp hơn đáng kể so với giá trị của bộ trao đổi kim loại tương đương.
Điều chỉnh cho PTFE
Tác động của độ dẫn nhiệt thấp
PTFE giới thiệu một thách thức độc đáo trong thiết kế nhiệt. Ngay cả khi hệ số bên của vỏ-tương đối cao, điện trở của thành ống PTFE có thể chi phối quá trình truyền nhiệt tổng thể.
Điều này có nghĩa là chỉ cải thiện nhiễu loạn bên{0}}vỏ có thể không mang lại mức tăng hiệu suất tương ứng.
Cân nhắc sửa chữa
Khi áp dụng phương pháp Kern cho bộ trao đổi nhiệt PTFE, việc hiệu chỉnh hoặc điều chỉnh thường được xem xét trong quá trình đánh giá thiết kế. Mặc dù bản thân các mối tương quan Kern vẫn có giá trị đối với dòng chất lỏng, nhưng hệ số kết quả phải được giải thích trong bối cảnh mạng điện trở nhiệt đầy đủ.
Một cách tiếp cận phổ biến bao gồm:
Đánh giá riêng điện trở của tường dựa trên độ dày của PTFE
Kết hợp nó với các hệ số bên-bên vỏ và bên ống-
Đánh giá xem việc tăng tốc độ dòng chảy hay giảm độ dày thành ống có mang lại sự cải thiện có ý nghĩa hay không
Kinh nghiệm hiện trường cho thấy rằng việc chỉ dựa vào các mối tương quan tiêu chuẩn mà không tính đến các đặc tính của PTFE có thể dẫn đến đánh giá quá cao hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt.
Quan sát thực tế
Trong thực tế, người ta thường thấy rằng các bộ trao đổi nhiệt PTFE yêu cầu diện tích bề mặt lớn hơn so với các bộ trao đổi nhiệt bằng kim loại để đạt được cùng một nhiệm vụ. Đây là hệ quả trực tiếp của đặc tính cách điện của vật liệu.
Ngoài ra, những nỗ lực quá mức nhằm tăng-hệ số bên của vỏ-chẳng hạn như bằng cách giảm khoảng cách giữa các vách ngăn-có thể gây ra mức giảm áp suất cao hơn mà không mang lại lợi ích về nhiệt tương ứng.
Lớp vỏ điển hình-Phạm vi hệ số truyền nhiệt bên
| Loại dịch vụ | Vỏ điển hình-Hệ số cạnh (W/m²·K) |
|---|---|
| Chất lỏng–Chất lỏng | 500–1500 |
| Khí-lỏng | 100–500 |
| Hơi ngưng tụ | 1500–5000 |
Các phạm vi này cung cấp tham chiếu chung để đánh giá các giá trị được tính toán. Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào hình học, điều kiện dòng chảy và tính chất chất lỏng.
Phần kết luận
Khả năng tính toán hệ số truyền nhiệt phía vỏ là cần thiết để thiết kế hiệu quả các bộ trao đổi nhiệt PTFE. Phương pháp Kern đưa ra một cách tiếp cận thực tế và được chấp nhận rộng rãi để ước tính tham số này trong các hệ thống có vách ngăn phân đoạn, đặc biệt là trong quá trình định cỡ sơ bộ.
Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp của PTFE tạo ra điện trở bổ sung cần phải được tính toán cẩn thận. Mặc dù hệ số bên{1}}vỏ vẫn là một yếu tố quan trọng nhưng hiệu suất tổng thể phụ thuộc vào hiệu ứng kết hợp của màng chất lỏng và độ dẫn điện của tường.
Để xác nhận thiết kế cuối cùng, việc dựa vào dữ liệu của nhà sản xuất hoặc mô hình nâng cao thường có lợi, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến hóa chất mạnh hoặc biên độ nhiệt chặt chẽ. Định cỡ nhiệt chính xác đảm bảo rằng bộ trao đổi đáp ứng các yêu cầu của quy trình mà không có diện tích bề mặt quá mức hoặc chi phí không cần thiết.
