Í PTFE skel-og-röraskiptum getur rör-hliðarvökvinn farið eina ferð frá inntaki til úttaks, eða það er hægt að beina honum fram og til baka í gegnum búntinn mörgum sinnum. Fjöldi umferða hefur áhrif á hraða vökva, skilvirkni varmaflutnings og dæluaflið sem þarf. Vegna þess að PTFE hefur í eðli sínu lága hitaleiðni (u.þ.b. 0,25 W/m·K), er það oft forgangsverkefni að hámarka hitaflutningsstuðul rörsins -hliðar. Samt er valið á milli einnar-passunar og margfaldrar-passahönnunar ekki einfalt-það felur í sér vísvitandi skiptingu-á milli aukins hitaflutnings og þrýstingsfalls.
Að skilja fyrirkomulag tube Pass
Fjöldi rörganga vísar til þess hversu oft vökvinn sem fer í gegnum rörin fer yfir lengd skiptis. Passar eru búnar til með því að setja upp skilrúm (passageir) í rás eða vélarhlíf í öðrum eða báðum endum skiptisins. Þessar skiptingar þvinga vökvann til að flæða aðeins í gegnum hluta röranna áður en hann snýr stefnu og fer inn í annað sett af rörum.
Einstök-passahönnun
Í einum-gangi (1-passa) skipti, fer vökvinn á slönguhliðinni inn í rásina í öðrum endanum, rennur beint í gegnum öll rör samhliða og fer út á hinum endanum. Engin innri skilrúm eru notuð. Þetta er einfaldasta flæðisstillingin.
Multi-Pass hönnun (2-Pass, 4-Pass, osfrv.)
Í fjöl-hönnun fer vökvinn margvíslega yfir slöngubúntið. Til dæmis, í 2-ganga skipti, er inntaksrásinni skipt í tvo hluta. Vökvi fer inn í einn hluta, rennur í gegnum hálf rör til ystu enda, snýr stefnu í afturhlíf, rennur aftur í gegnum rörin sem eftir eru og fer út úr öðrum hluta inntakshliðarrásarinnar. Í 4 passa skipti endurtekur ferlið sig tvisvar.
Fjöldi umferða er alltaf jafn til að halda inntaks- og úttakstútum á sama enda skiptisins, sem einfaldar lagnatengingar.
Lykilmunur á hitauppstreymi-vökvaafköstum
Ákvörðun milli aeinn pass vs multi pass PTFE varmaskiptihönnun fer eftir því hvernig vökvahraði, hitaflutningsstuðull, þrýstingsfall og log meðalhitamunur (LMTD) hafa áhrif.
Vökvahraði og varmaflutningsstuðull
Fyrir tiltekið heildarrör-hliðarflæðishraða er hraði vökvans innan hvers rörs ákvarðaður af fjölda röra sem eru virkir í hverri umferð. Í einni -passahönnun eru öll rör virk samtímis. Þversniðsflatarmálið sem er tiltækt fyrir flæði er heildarflæðisflatarmál allra röra. Þess vegna er hraðinn tiltölulega lítill nema heildarrennslishraði sé hátt.
Í fjöl-hönnun er sama heildarflæði þvingað í gegnum aðeins brot af rörunum í hverri umferð. Fyrir 2-passa skipti með tveimur jöfnum slönguhópum, inniheldur hver flutningur helmingur alls röranna. Hraðinn í hverri túpu tvöfaldast samanborið við eingangshraðann (fyrir sama heildarrennslishraða). Fyrir 4-passa hönnun fjórfaldast hraðinn.
Hærri hraði eykur Reynoldstölu -hliðar rörsins, sem aftur hækkar varmaflutningsstuðulinn. Vegna þess að PTFE slöngur hafa þegar litla hitaleiðni, er takmarkandi viðnám varmaflutnings oft á rörinu-hliðarvökvafilmu (ef skel-hliðarvökvinn er þéttandi gufa eða vökvi með mikla-leiðni). Með því að auka -hliðarhraða rörsins getur það bætt heildarvarmaflutningsstuðulinn verulega.
Afleiðingar þrýstingsfalls
Hærri hraði kostar sitt: þrýstingsfall eykst með veldi hraðans (u.þ.b.). Fyrir 2-passahönnun er þrýstingsfallið á rörinu-u.þ.b. fjórfalt meira en í einni umferðarhönnun (tvöfaldur hraði, auk viðbótartaps í afturhlífinni). Fyrir 4-passa hönnun getur þrýstingsfallið verið 16 sinnum hærra, auk verulegs taps í bakhólfunum.
Í reynd takmarkar tiltækt dæluafl eða leyfilegt þrýstingsfall í vinnslulínunni oft hversu margar sendingar má nota. Algeng uppsetning fyrir PTFE-varmaskipta er 2-gangur eða 4-gangur þegar rör-hliðarvökvinn er vökvi með miðlungs seigju og dælan hefur nægjanlegt höfuð. Eingangshönnun er ákjósanleg þegar vökvinn á slöngunni er gas (þar sem þrýstingsfall er mikilvægara) eða þegar flæðihraði er þegar hátt.
Leiðrétting á meðalhitastigi (LMTD).
Mikilvægur fínleiki er að fjöl-passahönnun víkur frá hreinu mótstreymi, sem dregur úr virkan hitadrifkraft. Í einni-gangskiptingu með mótstreymisfyrirkomulagi (rör-hliðarvökvi í gagnstæða átt við skel-hliðarvökva), er LMTD í hámarki. Í fjöl-skiptiskipti nálgast flæðimynstrið blandað eða krossflæði, sem krefst þess að leiðréttingarstuðull (venjulega táknaður sem F) er notaður á mótstraums LMTD.
Fyrir 2-passa skipti er LMTD leiðréttingarstuðullinn venjulega á milli 0,95 og 0,99 fyrir flestar notkunaraðstæður-lítil lækkun. Fyrir 4-passa skiptara getur stuðullinn lækkað í 0,90–0,95. Fyrir háan-þverandi hitastig (þar sem inntaks- og úttakshitastig eru mjög nálægt) getur leiðréttingarstuðullinn verið umtalsvert lægri, sem hugsanlega útilokar ávinninginn af hærri hraða. Þess vegna er fjölrásahönnun áhrifaríkust þegar hitabreytingin á rörhliðinni er í meðallagi.
Mikilvægi fyrir PTFE varmaskiptara
Vegna þess að PTFE hefur litla hitaleiðni, ræður viðnám rörsins-hliðarfilmu oft heildarhitaflutninginn. Það er því aðal hönnunarmarkmiðið að auka hliðarstuðulinn fyrir rörið-. Fjöl-hönnun nær þessu án þess að krefjast hærri heildarrennslis frá plöntudælunni, sem gerir þær aðlaðandi fyrir endurbætur eða notkun þar sem flæðishraðinn er fastur.
Hins vegar eru PTFE rör vélrænt mjúk og viðkvæm fyrir titringi við mikinn flæðishraða. Of mikill hraði getur valdið slönguflökti, sem leiðir til þess að hnoðað sé gegn skífum eða skemmdum á slönguplötu. Dæmigert ráðlagður rör-hliðarhraði fyrir PTFE rör er á bilinu 0,5 til 2,0 m/s (1,6 til 6,6 fet/s). Fjöl-hönnun sem hækkar hraðann úr 0,5 m/s í 1,0 m/s er gagnleg; ef það er hækkað í 3,0 m/s getur það valdið vélrænum vandamálum. Fjöldi umferða ætti að velja til að halda hraðanum innan ráðlagðs sviðs framleiðanda.
Það er einnig mikilvægt að jafna hitaflutningsávinninginn á móti dælukostnaðinum. Í mörgum yfirborðsfrágangsaðgerðum er vinnsludælan þegar til fyrir tankflæði og viðbótarþrýstingsfall frá fjöl-PTFE skipti getur verið ásættanlegt. Í öðrum tilfellum getur ein -passahönnun með stærri skel (fleiri rör samhliða) náð sömu skyldu með minna þrýstingsfalli, þó með hærri fjármagnskostnaði.
Samanburðartafla: Einfaldir-Pass vs. Multi-Pass PTFE varmaskipti
Taflan hér að neðan ber saman dæmigerða frammistöðueiginleika fyrir fast heildarrör-hliðarflæði og fast hitaflutningssvæði. Gildin eru lýsandi; Raunveruleg frammistaða fer eftir sérstökum stærðum og vökvaeiginleikum.
| Fjöldi Tube Passa | Hlutfallslegur rörhraði* | Hlutfallslegur rör-Hliðarhitaflutningsstuðull** | Hlutfallslegt þrýstingsfall (rör hlið) | LMTD Correction Factor Range | Dæmigert forrit |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Einn-passi) | 1.0 (grunnlína) | 1.0 (grunnlína) | 1.0 (grunnlína) | 1.00 (hreint mótstreymi mögulegt) | Lág-þrýstingsfallskerfi-; lofttegundir; háan-flæðishraða-vökva |
| 2 (Tveir-Passar) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Algengast fyrir fljótandi PTFE skipti; gott jafnvægi |
| 4 (Fjórir-Passar) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Vökvar með mikilli-seigju eða þegar þörf er á mjög háu U-gildi; athugaðu dælukostnað |
| 6 eða 8 Pass | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Sjaldgæft; aðeins með vökva með lítilli-seigju og hátt leyfilegt ΔP |
* Hraði miðað við einnar-passahönnun með sama rörafjölda og flæðishraða.
** Áætlað fyrir ókyrrð eða umbreytingarflæði. Raunveruleg aukning fer eftir Reynolds talnaveldi (venjulega h ~ v^0.8 fyrir ókyrrt flæði).
Hagnýt atriði varðandi yfirborðsfrágang
Í yfirborðsfrágangi (húðun, anodizing, súrsun) er rör-hliðarvökvinn oft vinnslubaðið sjálft-sýr eða basísk lausn með sviflausnum eða uppleystum málmum. Eftirfarandi hagnýtar leiðbeiningar gilda:
Einfaldar-passahönnuneru oft notuð þegar baðið er dreift með miklum flæðishraða fyrir tankblöndun eða síun. Í slíkum tilfellum gæti hraðinn nú þegar verið nægur og að bæta við göngum myndi aðeins auka þrýstingsfall án hlutfallslegs ávinnings í hitaflutningi.
Tvær-passahönnuneru algengustu uppsetningarnar fyrir PTFE-varmaskipti í meðallagi-húðunarlínum. Þær veita þýðingarmikla aukningu á hitaflutningi en halda þrýstingsfalli innan getu hefðbundinna miðflóttadæla (venjulega 1–3 bör tap).
Fjórar-passahönnuneru notaðir þegar tiltækt varmaflutningssvæði er takmarkað (td endurbyggður skiptibúnaður sem verður að passa innan núverandi rýmis) og dælan er með aukahaus. Þau eru einnig notuð til að hita seigfljótandi vökva eins og óblandaða fosfórsýru eða ákveðin lífræn vinnsluböð.
Það er athyglisvert að skeljar-hliðarskipan hefur einnig áhrif á ákjósanlegan fjölda slönguganga. Ef skel-hliðarvökvinn er að þétta gufu (sem hefur mjög háan hitaflutningsstuðul) ræður viðnám rörsins-hliðar og fjöl-hönnun er mjög gagnleg. Ef skel-hliðarvökvinn er kælivatn með lágan stuðul, getur það ekki skilað stórum heildarbata að bæta rörhliðina ein og sér.
Hönnunardæmi: Velja fjölda passa
Íhugaðu að PTFE varmaskipti hiti nikkelhúðunarbað frá 55 gráður til 60 gráður með því að nota gufu á skelhliðinni. Nauðsynleg hitaskylda er 100 kW. Tiltæka hringrásardælan gefur 30 m³/klst. af baðvökva í gegnum skiptiskipti. Bráðabirgðahönnun með einni -ganga sem notar 200 rör með 6 mm ID skilar 0,5 m/s rörhraða -hliðarhraða, 0,3 bör þrýstingsfall og útreiknaðan heildarvarmaflutningsstuðul (U) 200 W/m²·K. Áskilið svæði er 12 m².
Með því að skipta yfir í 2-passahönnun (100 rör í hverri umferð) tvöfaldast hraðinn í 1,0 m/s. Hliðarstuðull rörsins- eykst um u.þ.b. 40% og hækkar U upp í 260 W/m²·K. Nauðsynlegt svæði fellur niður í 9,2 m² (minni, ódýrari skipti). Þrýstifallið fer upp í um 1,2 bör, sem er enn innan getu dælunnar. 2-passa hönnunin er greinilega betri.
Ef litið er á 4-passa hönnun (50 rör í hverri umferð) nær hraðinn 2,0 m/s og U eykst í um það bil 300 W/m²·K. Nauðsynlegt svæði fer niður í 8 m². Hins vegar fer þrýstingsfall upp í um það bil 5 bör, sem getur farið yfir höfuð dælunnar eða valdið of mikilli orkunotkun. LMTD leiðréttingarstuðullinn lækkar í 0,93, sem dregur lítillega úr raunverulegum drifkrafti. Í þessu tilviki býður 2-passa hönnunin upp á besta jafnvægið.
Niðurstaða
Ákjósanlegur fjöldi slönguganga í PTFE-varmaskipti fer eftir tiltæku þrýstingsfalli og þörfinni á að auka varmaflutning innan PTFE-röranna með litla-leiðni. Einfaldar-hönnun lágmarkar þrýstingsfall og viðheldur fullum mótstraums LMTD, sem gerir þær hentugar fyrir lofttegundir eða kerfi með takmarkaða dælingargetu. Multi-passahönnun (venjulega 2-pass eða 4-pass) eykur hraða á slönguhlið, eykur varmaflutningsstuðulinn á kostnað hærra þrýstingsfalls og lítillar lækkunar á LMTD. Fyrir flest fljótandi yfirborðsfrágang, veitir tveggja passa hönnun skilvirka málamiðlun sem skilar þýðingarmiklum árangri án þess að dæla of mikið.
Varma-vökvafínstilling er staðalbúnaður í hönnun PTFE varmaskipta. Réttur fjöldi umferða er ákvarðaður með því að jafna aukningu varmaflutnings á móti þvingunum á þrýstingsfalli, á sama tíma og hraðamörk PTFE eru virt til að forðast titring í rörum. Þegar rétt er tilgreint tryggir valið fyrirkomulag að skiptibúnaðurinn uppfylli skyldur sínar á áreiðanlegan og skilvirkan hátt yfir endingartíma hans.
