A sebesség, amely meghatározza a film együtthatóját
Egy 1,5 m/s cső{0}}oldalsebességű PTFE hőcserélőt üzemeltető vegyipari feldolgozó létesítmény 250 W/m²·K általános hőátbocsátási tényezőt jelent. A folyamat-oldali fólia együtthatója hozzávetőlegesen 1200 W/m²·K, a csőfal ellenállása hozzávetőlegesen 0,0032 m²·K/W, az oldalsó fólia együtthatója pedig körülbelül 3000 W/m²·K.
A teljes együttható a hőellenállások összegének reciproka. A folyamat-oldalfilm ellenállása 1/1,200=0.00083 m²·K/W. A csőfal ellenállása 0,0032 m²·K/W. A szerviz-oldalfólia ellenállása 1/3,000=0.00033 m²·K/W. A teljes ellenállás 0,00436 m²·K/W, a teljes együttható 229 W/m²·K.
A folyamatoldali fólia ellenállása a teljes ellenállás körülbelül 19%-a. A csőfal ellenállása a teljes ellenállás körülbelül 73%-a. A szervizoldali fólia ellenállása a teljes érték körülbelül 8%-a.
Ha a sebességet 1,5 m/s-ról 0,75 m/s-ra csökkentjük, a folyamatoldali film együtthatója körülbelül 690 W/m²·K-ra csökken, és a film ellenállása 0,00145 m²·K/W-ra nő. A teljes ellenállás 0,0050 m²·K/W-ra nő, a teljes együttható pedig 200 W/m²·K-ra csökken. A teljes együttható 13%-kal csökken, bár a sebesség felére csökkent.
Miért kisebb a hatás a vártnál?
A sebességnek a teljes együtthatóra gyakorolt hatása kisebb, mint a film együtthatójára gyakorolt hatása, mivel a filmellenállás csak töredéke a teljes ellenállásnak. A PTFE hőcserélőben a csőfal ellenállása dominál, és a filmellenállás másodlagos tényező.
Ez eltér a fém hőcserélőtől, ahol a csőfal ellenállása elhanyagolható, és a filmellenállás dominál. Fém hőcserélőben a sebesség 50%-os csökkentése körülbelül 43%-kal csökkenti a teljes együtthatót. A PTFE hőcserélőben ugyanaz a sebességcsökkentés mindössze 10-15%-kal csökkenti a teljes együtthatót.
A kisebb hatás azt jelenti, hogy a sebesség kevésbé kritikus a teljes teljesítmény szempontjából egy PTFE hőcserélőben, mint egy fém hőcserélőben. A sebesség azonban továbbra is fontos egyéb okok miatt, beleértve a szennyeződés szabályozását, az áramláselosztást és a csőrezgést.
Sebességhatás különböző falvastagságoknál
A sebességhatás a teljes együtthatóra a cső falvastagságától függ. A vékonyabb fal falellenállása kisebb, ami azt jelenti, hogy a filmellenállás a teljes ellenállás nagyobb hányadát teszi ki, és a sebességhatás is nagyobb.
Egy 0,5 mm-es falú és 0,25 W/m·K hővezető képességű PTFE cső esetén a falellenállás 0,0020 m²·K/W. A teljes ellenállás 1200 W/m²·K technológiai-oldalfólia-együtthatóval és 3000 W/m²·K üzemi-oldalfólia-együtthatóval 0,00316 m²·K/W, a teljes együttható pedig 316 W/m²·K. A folyamatoldali fólia ellenállása a teljes ellenállás 26%-a.
Ha a sebességet felére csökkentjük, a folyamat{0}}oldali film együtthatója 690 W/m²·K-ra csökken, és a film ellenállása 0,00145 m²·K/W-ra nő. A teljes ellenállás 0,00378 m²·K/W-ra nő, a teljes együttható pedig 265 W/m²·K-ra csökken. A teljes együttható 16%-kal csökken, szemben a 0,8 mm-es fal 13%-ával.
Vékonyabb falaknál nagyobb a sebességhatás, mert a falellenállás kisebb hányada a teljes ellenállásnak.
Sebességhatás különböző csőátmérőknél
A film együtthatóra gyakorolt sebességhatás a cső átmérőjétől függ. Egy kisebb átmérőjű csőnek nagyobb a film együtthatója azonos sebesség mellett, mivel az áramlás turbulensebb és a határréteg vékonyabb.
Egy 6 mm-es csőnél 1,5 m/s sebességnél a Reynolds-szám körülbelül 9000, ami az átmeneti áramlási módban van. A film együtthatója körülbelül 1000 W/m²·K.
Egy 12 mm-es csőnél 1,5 m/s-nál a Reynolds-szám körülbelül 18 000, ami turbulens áramlási üzemmódban van. A film együtthatója körülbelül 1500 W/m²·K.
A nagyobb átmérőjű csőnek nagyobb a film együtthatója azonos sebesség mellett, mivel a Reynolds-szám magasabb. A nagyobb átmérőjű csőnek azonban kisebb az egységnyi térfogatra jutó felülete is, ami csökkenti az adott hőcserélő térfogatához tartozó teljes hőátadási területet.
A teljes együtthatóra gyakorolt sebesség-hatás számszerűsítése
A következő táblázat összefoglalja a teljes hőátbocsátási tényezőt különböző cső{0}}oldalsebességek mellett egy 0,8 mm-es falú, 9,5 mm-es csőátmérőjű és 3000 W/m²·K üzemi-oldali fólia-együtthatójú PTFE hőcserélő esetén.
| Cső{0}}oldali sebesség | Reynolds szám | Folyamat-Oldalfilm együttható | Folyamat-Oldalfilm ellenállás | Teljes ellenállás | Teljes együttható | Változás az alapvonalhoz képest |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Alapvonal |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
A teljes együttható értékek 0,8 mm-es PTFE falat feltételeznek, 0,25 W/m·K hővezető képességgel és 3000 W/m²·K szervizoldali fólia együtthatóval. A folyamat-oldali film együtthatóját a Dittus-Boelter-korrelációból számítják ki a turbulens áramlásra.
A PTFE hőcserélők gyakorlati sebességtartománya
A PTFE-hőcserélők gyakorlati sebességtartományát a hőátadási előny és a nyomásesés közötti kompromisszum{0}}határozza meg. A nagyobb sebesség növeli a film együtthatóját, de növeli a nyomásesést is, ami növeli a szivattyúzási energiát.
A legtöbb PTFE hőcserélő alkalmazásnál a gyakorlati sebességtartomány 1,0–2,0 m/s. 1,0 m/s alatt a film együtthatója alacsony és a szennyeződési arány magas. 2,0 m/s felett gyorsan növekszik a nyomásesés és a szivattyúzási energia, valamint nő a csőrezgés és erózió veszélye.
Az optimális sebesség az adott alkalmazástól függ. Alacsony szennyeződési potenciállal rendelkező tiszta üzemhez 1,0-1,5 m/s sebesség megfelelő. Elszennyeződés esetén 1,5-2,0 m/s sebesség javasolt a szennyeződési sebesség csökkentése érdekében.
A sebesség hatása a szennyeződésre
A sebesség nemcsak a film együtthatóját, hanem a szennyeződési sebességet is befolyásolja. A nagyobb sebesség növeli a nyírófeszültséget a cső falánál, ami csökkenti a lerakódások tapadását és a szennyeződés mértékét.
A nyírófeszültség arányos a sebesség négyzetével. A sebesség megkétszerezése megnégyszerezi a nyírófeszültséget. A nagyobb nyírófeszültség eltávolítja a lerakódásokat a cső faláról, és megakadályozza azok felhalmozódását.
Elszennyeződés esetén a szennyeződési sebességre gyakorolt sebesség hatás fontosabb lehet, mint a sebességhatás a film együtthatójára. A nagyobb sebesség csökkenti a tisztítási gyakoriságot és a karbantartási költségeket, még akkor is, ha a film együtthatója szerény.
A sebesség hatása a csővibrációra
A nagyobb sebesség növeli a cső vibrációjának kockázatát, különösen a keresztirányú áramlási irányban. A vibráció kifáradási repedéseket okozhat a csőtámaszoknál és a csőlemez illesztéseknél.
A rezgésveszély a cső sajátfrekvenciájától, a támasztávolságtól és az áramlási sebességtől függ. A PTFE csövek sajátfrekvenciája alacsonyabb, mint a fémcsöveknél, az alacsonyabb rugalmassági modulus miatt. A vibráció kockázata nagyobb a PTFE csövek esetében azonos sebesség mellett.
A PTFE csövek gyakorlati sebességhatára jellemzően 2,0-2,5 m/s, amely felett a rezgésveszély jelentőssé válik. A határérték a támasztótávolságtól és a csőátmérőtől függ.
Tervezési jellemzők, amelyek fokozzák a sebességhatást
Számos tervezési jellemző javítja a sebesség hatását a film együtthatójára.
Kisebb csőátmérő.Egy kisebb átmérőjű csőnek nagyobb a film együtthatója azonos sebesség mellett, mivel a Reynolds-szám magasabb.
Továbbfejlesztett csőfelület.A bordákkal vagy hornyokkal ellátott csőfelület növeli a film együtthatóját azáltal, hogy növeli a felületet és elősegíti a turbulenciát.
Áramláselosztás fejléce.Az áramláselosztó fejrész egyenletes áramlást biztosít a csőkötegben, ami megakadályozza a kis{0}}sebességű zónák kialakulását.
Változófrekvenciás hajtás.A szivattyú változtatható frekvenciájú hajtása lehetővé teszi az áramlási sebesség beállítását a folyamatigényhez, ami a sebességet az optimális értéken tartja.
Specifikációs paraméterek az optimális sebességhez
A PTFE hőcserélőt meghatározó berendezésmérnököknek meg kell erősíteniük a következő paramétereket a szállítóval.
Tervezési sebesség.Adja meg a tervezett cső -oldalsebességét. A legtöbb alkalmazáshoz 1,0–2,0 m/s sebesség javasolt.
Áramlási sebesség.Adja meg a tervezett áramlási sebességet és a várható tartományt.
Cső átmérője.Adja meg a cső átmérőjét az áramlási sebesség és a sebesség alapján.
Nyomáscsökkenés.Adja meg a megengedett legnagyobb nyomásesést.
Elszennyeződési lehetőség.Adja meg a technológiai folyadék szennyeződési potenciálját. Nagyobb sebesség javasolt a szennyeződésmentesítéshez.
Rezgésveszély.Adja meg a csőtámasz távolságát és a rezgéselemzési követelményeket.
Szivattyúvezérlés.Adja meg a szivattyú vezérlési módját. Az optimális sebességszabályozás érdekében változtatható frekvenciájú hajtás javasolt.
Hőmérséklet figyelés.Adja meg a hőmérséklet-érzékelőket és a megfigyelési módszert a hőátadási teljesítmény nyomon követésére.
A sebesség és a hőátadási és elszennyeződési követelmények összehangolása
A PTFE hőcserélő csöveken belüli áramlási sebesség hatványtörvény összefüggésen keresztül befolyásolja a film hőátbocsátási tényezőjét, körülbelül 0,8 kitevővel. A teljes együtthatóra gyakorolt hatás kisebb, mivel a PTFE hőcserélőkben a csőfal ellenállása dominál. A sebesség azonban továbbra is fontos a szennyeződés szabályozása, az áramlás elosztása és a csőrezgés szempontjából.
A sebességet a hőátadási igény, a szennyeződési potenciál és a nyomásesési határ alapján kell megválasztani. A legtöbb alkalmazáshoz 1,0–2,0 m/s sebesség javasolt. Nagyobb sebesség javasolt a szennyeződés eltávolításához, és alacsonyabb sebesség elfogadható tiszta karbantartáshoz.
A PTFE hőcserélő opciókat értékelő vegyipari feldolgozó létesítményeknél a sebességet a közbeszerzési dokumentumokban kell megadni, és az üzembe helyezéskor ellenőrizni kell. Előfordulhat, hogy a gyártó által megadott alapértelmezett konfiguráció a tömörségre van optimalizálva, nem pedig a hőátadási teljesítményre, és előfordulhat, hogy a kapott sebesség nem felel meg a tényleges folyamatkövetelményeknek.
Azok a berendezésmérnökök és beszerzési szakértők, akik értékelik a PTFE hőcserélő specifikációit vegyi feldolgozáshoz vagy más hőátadási szolgáltatáshoz, tervezési felülvizsgálatot kérhetnek, amely kiterjed a tervezési sebességre, áramlási sebességre, csőátmérőre, nyomásesésre, szennyeződési potenciálra és vibrációs kockázatra, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az egység megfelel-e a tényleges folyamatkövetelményeknek és a létesítmény költségszerkezetének.
