En un intercanviador de-i-tubs de PTFE, el fluid-del costat del tub pot fer un sol viatge des de l'entrada a la sortida, o es pot dirigir d'anada i tornada a través del paquet diverses vegades. El nombre de passades influeix en la velocitat del fluid, l'eficiència de transferència de calor i la potència de bombeig requerida. Com que el PTFE té una conductivitat tèrmica inherentment baixa (aproximadament 0,25 W/m·K), la maximització del coeficient de transferència de calor lateral del tub-és sovint una prioritat. No obstant això, l'elecció entre un disseny d'una sola-passa i un de múltiples-passes no és senzilla-involucra un intercanvi-deliberat entre la millora de la transferència de calor i la penalització de la caiguda de pressió.
Comprensió dels arranjaments de passades de tub
El nombre de passades del tub fa referència a quantes vegades el fluid que viatja pels tubs creua la longitud de l'intercanviador. Els passos es creen instal·lant divisors (particions de pas) al canal o al capó en un o ambdós extrems de l'intercanviador. Aquests divisors obliguen el fluid a fluir només a través d'una part dels tubs abans d'invertir la direcció i entrar en un altre conjunt de tubs.
Disseny de-passa única
En un intercanviador d'una -passada (1-passada), el fluid del costat del tub entra al canal per un extrem, flueix directament a través de tots els tubs en paral·lel i surt per l'extrem oposat. No s'utilitzen separadors interns. Aquesta és la configuració de flux més senzilla.
Disseny de múltiples-passes (2 passades, 4 passades, etc.)
En un disseny de múltiples-passes, el fluid fa múltiples recorreguts pel feix de tubs. Per exemple, en un intercanviador de 2-passes, el canal d'entrada es divideix en dues seccions. El fluid entra en una secció, flueix per la meitat dels tubs fins a l'extrem més llunyà, inverteix la direcció en un capó de retorn, torna a fluir pels tubs restants i surt de la segona secció del canal d'entrada. En un intercanviador de 4 passades, el procés es repeteix dues vegades.
El nombre de passades és sempre igual per mantenir els broquets d'entrada i sortida al mateix extrem de l'intercanviador, simplificant les connexions de canonades.
Diferències clau en el rendiment tèrmic-hidràulic
La decisió entre aIntercanviador de calor de PTFE d'una sola passada vsEl disseny depèn de com es veuen afectats la velocitat del fluid, el coeficient de transferència de calor, la caiguda de pressió i la diferència de temperatura mitjana (LMTD).
Velocitat del fluid i coeficient de transferència de calor
Per a un cabal-del costat del tub total donat, la velocitat del fluid dins de cada tub està determinada pel nombre de tubs actius a cada passada. En un disseny de-passa única, tots els tubs estan actius simultàniament. L'àrea de la-secció transversal disponible per al flux és l'àrea de flux total de tots els tubs. Per tant, la velocitat és relativament baixa tret que el cabal total sigui alt.
En un disseny de múltiples-passes, el mateix flux total només es força a través d'una fracció dels tubs per passada. Per a un intercanviador de 2-passades amb dos grups de tubs iguals, cada passada conté la meitat del total de tubs. La velocitat de cada tub es duplica en comparació amb el cas d'una sola passada (per al mateix cabal total). Per a un disseny de 4 passades, la velocitat es quadruplica.
Una velocitat més alta augmenta el nombre de Reynolds-del tub, que al seu torn augmenta el coeficient de transferència de calor convectiva. Com que els tubs de PTFE ja tenen una conductivitat tèrmica baixa, la resistència limitant a la transferència de calor es troba sovint a la pel·lícula del fluid del costat-del tub (si el fluid del costat-de la closca és un vapor de condensació o un líquid d'alta-conductivitat). Augmentar la velocitat lateral-del tub pot millorar substancialment el coeficient global de transferència de calor.
Conseqüències de la caiguda de pressió
Una velocitat més alta té un cost: la caiguda de pressió augmenta amb el quadrat de la velocitat (aproximadament). Per a un disseny de 2-passes, la caiguda de pressió lateral-del tub és aproximadament quatre vegades superior a la d'un disseny d'una sola passada (velocitat duplicada, més pèrdues addicionals a la tapa de retorn). Per a un disseny de 4 passades, la caiguda de pressió pot ser 16 vegades més gran, a més de pèrdues significatives a les cambres inversores.
A la pràctica, la potència de bombeig disponible o la caiguda de pressió permesa a la línia de procés sovint limiten quantes passades es poden utilitzar. Una configuració habitual per als intercanviadors de calor de PTFE és 2-passes o 4-passes quan el fluid del costat-del tub és un líquid amb una viscositat moderada i la bomba té prou capçalera. Els dissenys d'una sola passada s'afavoreixen quan el fluid del costat del tub és un gas (on la caiguda de pressió és més crítica) o quan el cabal ja és elevat.
Correcció de la diferència de temperatura mitjana (LMTD).
Una subtilesa important és que els dissenys de múltiples-passes es desvien del pur contracorrent, reduint la força motriu efectiva de la temperatura. En un intercanviador d'un sol-passe amb disposició a contracorrent (fluid del costat del tub-en sentit oposat al fluid del costat-de la closca), el LMTD és al màxim. En un intercanviador de múltiples-passes, el patró de flux s'aproxima al flux mixt o creuat, i requereix un factor de correcció (normalment indicat com F) aplicat al LMTD a contracorrent.
Per a un intercanviador de 2-passes, el factor de correcció LMTD sol estar entre 0,95 i 0,99 per a la majoria de condicions de funcionament-una reducció menor. Per als intercanviadors de 4-passes, el factor pot baixar a 0,90–0,95. Per a aplicacions d'alta-temperatura creuada (on les temperatures d'entrada i sortida són molt properes), el factor de correcció pot ser significativament més baix, cosa que pot anul·lar els beneficis d'una velocitat més alta. Per tant, els dissenys multipass són més efectius quan el canvi de temperatura al costat del tub és moderat.
Rellevància per als intercanviadors de calor de PTFE
Com que el PTFE té una conductivitat tèrmica baixa, la resistència de la pel·lícula lateral del tub{0}} sovint domina la transferència general de calor. Per tant, millorar el coeficient lateral del tub-és un objectiu principal del disseny. Els dissenys de múltiples-passes ho aconsegueixen sense requerir un cabal total més elevat de la bomba de la planta, cosa que els fa atractius per a reacondicionaments o aplicacions on el cabal és fix.
Tanmateix, els tubs de PTFE són mecànicament suaus i propensos a vibrar a velocitats de flux elevades. Una velocitat excessiva pot provocar l'aleteig dels tubs, provocant un desgast contra els deflectors o danys a la làmina de tubs. Les velocitats laterals-típiques recomanades dels tubs de PTFE oscil·len entre 0,5 i 2,0 m/s (1,6 a 6,6 peus/s). Un disseny de múltiples-passes que augmenti la velocitat de 0,5 m/s a 1,0 m/s és beneficiós; elevar-lo a 3,0 m/s pot causar problemes mecànics. S'ha de seleccionar el nombre de passades per mantenir la velocitat dins del rang recomanat pel fabricant.
També és important equilibrar els guanys de transferència de calor amb el cost de bombeig. En moltes operacions d'acabat de superfícies, la bomba de procés ja existeix per a la circulació del dipòsit i la caiguda de pressió addicional d'un intercanviador de PTFE de múltiples-passes pot ser acceptable. En altres casos, un disseny d'una sola-passada amb una carcassa més gran (més tubs en paral·lel) pot aconseguir el mateix deure amb una caiguda de pressió menor, encara que amb un cost de capital més elevat.
Taula de comparació: bescanviadors de calor de PTFE d'una-passada versus-passada múltiple
La taula següent compara les característiques de rendiment típiques d'un cabal fix-de tub total i una àrea fixa de transferència de calor. Els valors són il·lustratius; El rendiment real depèn de dimensions específiques i propietats del fluid.
| Nombre de passades de tub | Velocitat relativa del tub* | Tub relatiu-Coeficient de transferència de calor lateral** | Caiguda de pressió relativa (costat del tub) | Interval del factor de correcció LMTD | Aplicacions típiques |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (-Passa única) | 1.0 (línia de base) | 1.0 (línia de base) | 1.0 (línia de base) | 1,00 (possible contracorrent pur) | Sistemes de baixa-pressió-; gasos; líquids de -flux- alt |
| 2 (Dos-Passa) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Més comú per als intercanviadors de PTFE líquid; bon equilibri |
| 4 (Quatre-Passa) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Líquids d'alta-viscositat o quan es necessita un valor U-molt alt; comprovar el cost de bombeig |
| Passat 6 o 8 | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | rar; només amb fluids de baixa-viscositat i alt ΔP admissible |
* Velocitat relativa al disseny de-passada única amb el mateix recompte de tubs i el mateix cabal.
** Estimat per a flux turbulent o de transició. La millora real depèn de l'exponent del nombre de Reynolds (normalment h ~ v^0,8 per al flux turbulent).
Consideracions pràctiques per a l'acabat superficial
En aplicacions d'acabat de superfícies (revestiment, anodització, decapat), el fluid-del costat del tub és sovint el mateix bany de procés-una solució àcida o alcalina amb sòlids en suspensió o metalls dissolts. S'apliquen les següents directrius pràctiques:
Dissenys{0}}de passadas'utilitzen freqüentment quan el bany es fa circular a un cabal elevat per a la barreja o filtració del dipòsit. En aquests casos, pot ser que la velocitat ja sigui suficient, i afegir passades només augmentaria la caiguda de pressió sense un guany proporcional en la transferència de calor.
Dos-dissenys de passadasón la configuració més comuna per als intercanviadors de calor de PTFE en línies de revestiment de mida-moderada. Proporcionen un impuls significatiu a la transferència de calor alhora que mantenen la caiguda de pressió dins de la capacitat de les bombes centrífugues estàndard (normalment una pèrdua d'1 a 3 bar).
Quatre-dissenys de passadas'utilitzen quan l'àrea de transferència de calor disponible és limitada (p. ex., un intercanviador adaptat que ha d'encaixar dins de l'espai existent) i la bomba té cap de recanvi. També s'utilitzen per escalfar fluids viscosos com l'àcid fosfòric concentrat o certs banys de procés orgànic.
Val la pena assenyalar que la disposició lateral-de la closca també influeix en el nombre òptim de passades del tub. Si el fluid del costat-de la closca és vapor de condensació (que té un coeficient de transferència de calor molt elevat), domina la resistència del costat-del tub, i els dissenys de múltiples-passes són molt beneficiosos. Si el fluid del costat-de la closca és una aigua de refrigeració amb un coeficient baix, la millora del costat del tub per si sola no pot donar lloc a una gran millora general.
Exemple de disseny: selecció del nombre de passades
Penseu en un intercanviador de calor de PTFE que escalfa un bany de níquel de 55 a 60 graus amb vapor al costat de la closca. El servei de calor requerit és de 100 kW. La bomba de circulació disponible proporciona 30 m³/h de líquid de bany a través de l'intercanviador. Un disseny preliminar d'una sola passada que utilitza 200 tubs de 6 mm de diàmetre interior proporciona una velocitat lateral del tub de 0,5 m/s, una caiguda de pressió de 0,3 bar i un coeficient global de transferència de calor (U) calculat de 200 W/m²·K. La superfície requerida és de 12 m².
En canviar a un disseny de 2-passades (100 tubs per passada), la velocitat es duplica fins a 1,0 m/s. El coeficient del costat-del tub augmenta aproximadament un 40%, augmentant U a 260 W/m²·K. L'àrea requerida baixa a 9,2 m² (un intercanviador més petit i de menor cost). La caiguda de pressió augmenta a uns 1,2 bar, que encara es troba dins de la capacitat de la bomba. El disseny de 2 passades és clarament superior.
Si es considera un disseny de 4 passades (50 tubs per passada), la velocitat arriba als 2,0 m/s i la U augmenta fins a aproximadament 300 W/m²·K. La superfície requerida baixa a 8 m². No obstant això, la caiguda de pressió s'eleva a uns 5 bar, cosa que pot superar la capçalera de la bomba o provocar un consum excessiu d'energia. El factor de correcció LMTD cau a 0,93, reduint lleugerament la força motriu real. En aquest cas, el disseny de 2 passades ofereix el millor equilibri.
Conclusió
El nombre òptim de passades de tubs en un intercanviador de calor de PTFE depèn de la caiguda de pressió disponible i de la necessitat de millorar la transferència de calor als tubs de PTFE de baixa-conductivitat. Els dissenys d'una-passa minimitzen la caiguda de pressió i mantenen el LMTD a contracorrent total, el que els fa adequats per a gasos o sistemes amb capacitat de bombeig limitada. Els dissenys de múltiples-passes (normalment 2-passes o 4-passes) augmenten la velocitat del costat del tub, augmentant el coeficient de transferència de calor a costa d'una caiguda de pressió més alta i una petita reducció de la LMTD. Per a la majoria de les aplicacions d'acabat de superfícies líquides, un disseny de dues passades proporciona un compromís eficaç, proporcionant guanys de rendiment significatius sense exigències de bombeig excessives.
L'optimització tèrmica-hidràulica és una part estàndard del disseny de l'intercanviador de calor de PTFE. El nombre correcte de passades es determina equilibrant la millora de la transferència de calor amb les limitacions de la caiguda de pressió, alhora que respectant els límits de velocitat del PTFE per evitar la vibració del tub. Quan s'especifica correctament, la disposició de pas seleccionada garanteix que l'intercanviador compleixi les seves obligacions de manera fiable i eficient durant la seva vida útil.
