Ưu điểm tương đối của thiết kế bộ trao đổi nhiệt PTFE một{0}}đèo và nhiều{1}}đèo là gì?

Trong bộ trao đổi ống-và-vỏ PTFE, chất lỏng bên ống-có thể thực hiện một hành trình duy nhất từ ​​đầu vào đến đầu ra hoặc có thể được định tuyến qua lại qua bó nhiều lần. Số lượng đường truyền ảnh hưởng đến vận tốc chất lỏng, hiệu suất truyền nhiệt và công suất bơm cần thiết. Do PTFE vốn có độ dẫn nhiệt thấp (khoảng 0,25 W/m·K), nên việc tối đa hóa hệ số truyền nhiệt bên ống-thường được ưu tiên. Tuy nhiên, việc lựa chọn giữa thiết kế một đường chuyền-và nhiều đường chuyền-không hề đơn giản-nó liên quan đến sự cân bằng-có chủ ý giữa việc tăng cường truyền nhiệt và hình phạt giảm áp suất.

Hiểu cách sắp xếp đường ống

Số lần đi qua ống đề cập đến số lần chất lỏng di chuyển qua các ống đi qua chiều dài của bộ trao đổi. Pass được tạo bằng cách lắp đặt các bộ chia (phân vùng pass) trong kênh hoặc nắp ca-pô ở một hoặc cả hai đầu của bộ trao đổi. Những bộ chia này buộc chất lỏng chỉ chảy qua một phần ống trước khi đảo ngược hướng và đi vào một bộ ống khác.

Thiết kế một lần{0}}

Trong bộ trao đổi-đường chuyền (1{2}}đường chuyền), chất lỏng bên ống đi vào kênh ở một đầu, chảy thẳng qua tất cả các ống song song và thoát ra ở đầu đối diện. Không có bộ chia nội bộ được sử dụng. Đây là cấu hình luồng đơn giản nhất.

Thiết kế nhiều đường chuyền-(2 đường chuyền, 4 đường chuyền, v.v.)

Trong thiết kế nhiều{0}}đường truyền, chất lỏng thực hiện nhiều đường truyền qua bó ống. Ví dụ: trong bộ trao đổi thông lượng 2-, kênh đầu vào được chia thành hai phần. Chất lỏng đi vào một phần, chảy qua một nửa ống đến đầu xa, đảo ngược hướng trong nắp ca-pô quay trở lại, chảy ngược lại qua các ống còn lại và thoát ra từ phần thứ hai của kênh phía đầu vào. Trong bộ trao đổi 4 bước, quá trình lặp lại hai lần.

Số lượng đường dẫn luôn bằng nhau để giữ cho đầu vào và đầu ra ở cùng một đầu của bộ trao đổi nhiệt, đơn giản hóa việc kết nối đường ống.

Sự khác biệt chính về hiệu suất thủy lực{0}}thủy lực

Quyết định giữa mộtbộ trao đổi nhiệt PTFE một lượt và nhiều lượtthiết kế xoay quanh tốc độ chất lỏng, hệ số truyền nhiệt, độ giảm áp suất và chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD) bị ảnh hưởng như thế nào.

Vận tốc chất lỏng và hệ số truyền nhiệt

Đối với tổng tốc độ dòng chảy bên ống-cho trước, vận tốc của chất lỏng trong mỗi ống được xác định bởi số lượng ống hoạt động trong mỗi lần truyền. Trong thiết kế-một lần, tất cả các ống đều hoạt động đồng thời. Diện tích mặt cắt ngang có sẵn cho dòng chảy là tổng diện tích dòng chảy của tất cả các ống. Do đó, vận tốc tương đối thấp trừ khi tổng tốc độ dòng chảy cao.

Trong thiết kế nhiều{0}}đường chuyền, tổng lưu lượng tương tự chỉ được truyền qua một phần nhỏ số ống trong mỗi đường chuyền. Đối với bộ trao đổi 2{4}}đường chuyền có hai nhóm ống bằng nhau, mỗi đường chuyền chứa một nửa tổng số ống. Vận tốc trong mỗi ống tăng gấp đôi so với trường hợp truyền đơn (với cùng tốc độ dòng chảy). Đối với thiết kế 4 bước, vận tốc tăng gấp bốn lần.

Vận tốc cao hơn làm tăng số Reynolds phía ống-, từ đó làm tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu. Bởi vì các ống PTFE vốn đã có độ dẫn nhiệt thấp nên khả năng cản trở truyền nhiệt hạn chế thường nằm ở màng chất lỏng-phía ống (nếu chất lỏng phía vỏ-là hơi ngưng tụ hoặc chất lỏng có độ dẫn-cao). Việc tăng vận tốc bên ống-có thể cải thiện đáng kể hệ số truyền nhiệt tổng thể.

Hậu quả sụt áp

Vận tốc cao hơn phải trả giá: độ giảm áp suất tăng theo bình phương vận tốc (xấp xỉ). Đối với thiết kế 2-lượt qua, độ giảm áp suất bên ống-gần gấp bốn lần so với thiết kế một lượt (tốc độ tăng gấp đôi, cộng thêm tổn thất trong nắp ca-pô hồi). Đối với thiết kế 4 bước, độ giảm áp suất có thể cao hơn 16 lần, cộng với tổn thất đáng kể trong buồng đảo chiều.

Trong thực tế, công suất bơm sẵn có hoặc độ giảm áp suất cho phép trong dây chuyền xử lý thường hạn chế số lượng đường chuyền có thể được sử dụng. Cấu hình phổ biến cho bộ trao đổi nhiệt PTFE là 2-pass hoặc 4-pass khi chất lỏng bên ống-là chất lỏng có độ nhớt vừa phải và máy bơm có đủ cột áp. Thiết kế một đường được ưa chuộng khi chất lỏng phía ống là chất khí (khi áp suất giảm nghiêm trọng hơn) hoặc khi tốc độ dòng chảy đã cao.

Ghi nhật ký hiệu chỉnh chênh lệch nhiệt độ trung bình (LMTD)

Một điểm tinh tế quan trọng là thiết kế nhiều đường truyền khác với dòng chảy ngược thuần túy, làm giảm lực truyền động nhiệt độ hiệu quả. Trong một-bộ trao đổi thông lượng đơn có bố trí dòng chảy ngược (chất lỏng phía ống-ngược hướng với chất lỏng phía vỏ-), LMTD ở mức tối đa. Trong bộ trao đổi nhiều{6}}thông, mô hình luồng tiếp cận luồng hỗn hợp hoặc luồng chéo, yêu cầu hệ số hiệu chỉnh (thường được ký hiệu là F) áp dụng cho LMTD ngược dòng.

Đối với bộ trao đổi 2-pass, hệ số hiệu chỉnh LMTD thường nằm trong khoảng từ 0,95 đến 0,99 đối với hầu hết các điều kiện hoạt động-một mức giảm nhỏ. Đối với 4-bộ trao đổi thẻ, hệ số có thể giảm xuống 0,90–0,95. Đối với các ứng dụng có nhiệt độ cao (trong đó nhiệt độ đầu vào và đầu ra rất gần nhau), hệ số hiệu chỉnh có thể thấp hơn đáng kể, có khả năng làm mất đi lợi ích của vận tốc cao hơn. Do đó, thiết kế multi-pass có hiệu quả nhất khi nhiệt độ thay đổi ở phía ống ở mức vừa phải.

Sự liên quan đến bộ trao đổi nhiệt PTFE

Vì PTFE có độ dẫn nhiệt thấp nên điện trở-của màng bên ống thường chiếm ưu thế trong quá trình truyền nhiệt tổng thể. Do đó, việc tăng cường hệ số bên của ống-là mục tiêu thiết kế chính. Thiết kế nhiều{4}}đạt được điều này mà không yêu cầu tổng tốc độ dòng chảy cao hơn từ máy bơm của nhà máy, khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với các trang bị bổ sung hoặc các ứng dụng có tốc độ dòng chảy cố định.

Tuy nhiên, ống PTFE mềm về mặt cơ học và dễ bị rung ở vận tốc dòng chảy cao. Vận tốc quá mức có thể gây ra hiện tượng rung ống, dẫn đến hiện tượng lo lắng ở các vách ngăn hoặc hư hỏng thành ống. Vận tốc bên ống-được khuyến nghị điển hình cho ống PTFE nằm trong khoảng từ 0,5 đến 2,0 m/s (1,6 đến 6,6 ft/s). Thiết kế nhiều đường chuyền giúp tăng vận tốc từ 0,5 m/s lên 1,0 m/s là có lợi; nâng nó lên 3,0 m/s có thể gây ra sự cố cơ học. Số lượng đường chuyền phải được chọn để giữ vận tốc trong phạm vi khuyến nghị của nhà sản xuất.

Điều quan trọng nữa là phải cân bằng giữa lợi ích truyền nhiệt và chi phí bơm. Trong nhiều hoạt động hoàn thiện bề mặt, bơm xử lý đã sẵn có để tuần hoàn bể và việc giảm áp suất bổ sung từ bộ trao đổi PTFE nhiều{1}}có thể được chấp nhận. Trong các trường hợp khác, thiết kế-một đường chuyền có vỏ lớn hơn (nhiều ống song song hơn) có thể đạt được nhiệm vụ tương tự với mức giảm áp suất thấp hơn, mặc dù chi phí vốn cao hơn.

Bảng so sánh: Bộ trao đổi nhiệt PTFE-Đơn và Đa-Đạt

Bảng bên dưới so sánh các đặc tính hiệu suất điển hình của tổng tốc độ dòng chảy bên ống-cố định và diện tích truyền nhiệt cố định. Các giá trị mang tính minh họa; hiệu suất thực tế phụ thuộc vào kích thước cụ thể và tính chất chất lỏng.

* Vận tốc tương ứng với thiết kế-một đường chuyền có cùng số lượng ống và tốc độ dòng chảy.
** Ước tính cho dòng chảy rối hoặc chuyển tiếp. Sự tăng cường thực tế phụ thuộc vào số mũ Reynolds (thường là h ~ v^0,8 đối với dòng chảy rối).

Những cân nhắc thực tế cho việc hoàn thiện bề mặt

Trong các ứng dụng hoàn thiện bề mặt (mạ, anốt hóa, tẩy rửa), chất lỏng-bên ống thường là quá trình tắm-một dung dịch axit hoặc kiềm với chất rắn lơ lửng hoặc kim loại hòa tan. Các hướng dẫn thực tế sau đây được áp dụng:

Thiết kế một lượt-thường được sử dụng khi bể được tuần hoàn ở tốc độ dòng chảy cao để trộn hoặc lọc bể. Trong những trường hợp như vậy, vận tốc có thể đã đủ và việc thêm các đường dẫn sẽ chỉ làm tăng độ giảm áp suất mà không tăng tỷ lệ truyền nhiệt.

Hai-thiết kế vượt qualà cấu hình phổ biến nhất cho bộ trao đổi nhiệt PTFE trong dây chuyền mạ có kích thước-vừa phải. Chúng mang lại sự tăng cường đáng kể cho việc truyền nhiệt trong khi vẫn giữ mức giảm áp suất trong phạm vi công suất của máy bơm ly tâm tiêu chuẩn (thường mất 1–3 bar).

Bốn-thiết kế vượt quađược sử dụng khi diện tích truyền nhiệt sẵn có bị hạn chế (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt được trang bị thêm phải vừa với không gian hiện có) và máy bơm có đầu dự phòng. Chúng cũng được sử dụng để đun nóng chất lỏng nhớt như axit photphoric đậm đặc hoặc các bể xử lý hữu cơ nhất định.

Điều đáng lưu ý là cách sắp xếp-bên của vỏ cũng ảnh hưởng đến số lượng ống đi qua tối ưu. Nếu chất lỏng bên -vỏ là hơi nước ngưng tụ (có hệ số truyền nhiệt rất cao), thì điện trở bên-ống chiếm ưu thế và thiết kế nhiều{4}}đường chuyền rất có lợi. Nếu chất lỏng bên-vỏ là nước làm mát có hệ số thấp thì chỉ cải thiện bên ống có thể không mang lại sự cải thiện tổng thể lớn.

Ví dụ thiết kế: Chọn số lần đi

Hãy xem xét một bộ trao đổi nhiệt PTFE làm nóng bể mạ niken từ 55 độ đến 60 độ bằng cách sử dụng hơi nước ở phía vỏ. Công suất nhiệt yêu cầu là 100 kW. Bơm tuần hoàn có sẵn cung cấp 30 m³/h dung dịch tắm thông qua bộ trao đổi nhiệt. Thiết kế một đường truyền sơ bộ sử dụng 200 ống có đường kính 6 mm mang lại vận tốc cạnh ống là 0,5 m/s, mức giảm áp suất là 0,3 bar và hệ số truyền nhiệt tổng thể được tính toán (U) là 200 W/m²·K. Diện tích yêu cầu là 12m2.

Bằng cách chuyển sang thiết kế 2-đường chuyền (100 ống mỗi đường chuyền), vận tốc tăng gấp đôi lên 1,0 m/s. Hệ số bên ống-tăng khoảng 40%, nâng U lên 260 W/m²·K. Diện tích cần thiết giảm xuống còn 9,2 m2 (thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ hơn, chi phí thấp hơn). Áp suất giảm tăng lên khoảng 1,2 bar, vẫn nằm trong khả năng của máy bơm. Thiết kế 2-pass rõ ràng là vượt trội.

Nếu xem xét thiết kế 4 lượt (50 ống mỗi lượt), vận tốc đạt 2,0 m/s và U tăng lên khoảng 300 W/m2·K. Diện tích yêu cầu giảm xuống còn 8 mét vuông. Tuy nhiên, áp suất giảm tăng lên khoảng 5 bar, có thể vượt quá cột áp của máy bơm hoặc gây tiêu hao năng lượng quá mức. Hệ số hiệu chỉnh LMTD giảm xuống 0,93, làm giảm nhẹ lực dẫn động thực tế. Trong trường hợp này, thiết kế 2 đường mang lại sự cân bằng tốt nhất.

Phần kết luận

Số lượng ống đi qua tối ưu trong bộ trao đổi nhiệt PTFE phụ thuộc vào mức giảm áp suất sẵn có và nhu cầu tăng cường truyền nhiệt bên trong các ống PTFE có độ dẫn-thấp. Thiết kế-một lần giảm thiểu sự sụt giảm áp suất và duy trì LMTD ngược dòng hoàn toàn, khiến chúng phù hợp với các loại khí hoặc hệ thống có công suất bơm hạn chế. Thiết kế nhiều-đường chuyền (thường là 2-đường chuyền hoặc 4-đường chuyền) tăng vận tốc bên ống, tăng hệ số truyền nhiệt nhưng phải trả giá bằng việc giảm áp suất cao hơn và giảm LMTD một chút. Đối với hầu hết các ứng dụng hoàn thiện bề mặt chất lỏng, thiết kế hai bước mang lại sự thỏa hiệp hiệu quả, mang lại hiệu suất tăng đáng kể mà không cần bơm quá mức.

Tối ưu hóa nhiệt{0}}thủy lực là một phần tiêu chuẩn của thiết kế bộ trao đổi nhiệt PTFE. Số lượng đường truyền chính xác được xác định bằng cách cân bằng việc tăng cường truyền nhiệt với các hạn chế giảm áp suất, đồng thời tôn trọng giới hạn vận tốc của PTFE để tránh rung ống. Khi được chỉ định đúng cách, cách sắp xếp đường chuyền được chọn sẽ đảm bảo rằng bộ trao đổi nhiệt đáp ứng nhiệm vụ của nó một cách đáng tin cậy và hiệu quả trong suốt thời gian sử dụng của nó.