อะไรคือข้อดีสัมพัทธ์ของการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบ-แบบผ่านเดียวและหลาย-ผ่าน

ในเปลือก PTFE-และ-ตัวแลกเปลี่ยนท่อ ของเหลวด้านข้างของท่อ-สามารถผ่านจากทางเข้าไปยังทางออกได้เพียงครั้งเดียว หรือสามารถ-หมุนเวียนซ้ำผ่านมัดหลายครั้ง จำนวนรอบจะกำหนดความเร็วของของไหล ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน และกำลังสูบที่ต้องการ มักจะเน้นไปที่การเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของท่อ-ให้สูงสุด เนื่องจาก PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำอย่างแท้จริง (ประมาณ 0.25 W/m·K) อย่างไรก็ตาม การเลือกการออกแบบ-บัตรผ่านเดียวหรือหลาย-บัตรผ่านไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย-แต่เป็นการแลกเปลี่ยนอย่างมีสติ-ระหว่างการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและค่าปรับแรงดันตกคร่อม

อธิบายการเตรียม Tube Pass
จำนวนท่อที่ไหลผ่านคือจำนวนครั้งที่ของไหลไหลผ่านท่อตามความยาวของตัวแลกเปลี่ยน บัตรผ่านถูกสร้างขึ้นโดยการวางตัวแบ่ง (ฉากกั้นบัตร) ในช่องหรือฝากระโปรงที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของเครื่องแลกเปลี่ยน ตัวแบ่งเหล่านี้ยอมให้ของไหลไหลผ่านท่อเพียงบางส่วนเท่านั้น ก่อนที่จะไหลกลับและไหลลงสู่ท่ออีกชุดหนึ่ง

โครงสร้างทางเดียว-
ในตัวแลกเปลี่ยน-ทางเดียว (1-ทาง) ของไหลด้านท่อจะเข้าสู่ช่องที่ปลายด้านหนึ่ง และไหลผ่านท่อทั้งหมดแบบขนานโดยตรง และออกที่ปลายด้านตรงข้าม ไม่มีผนังภายใน นี่คือการออกแบบโฟลว์ที่ง่ายที่สุด

การออกแบบหลายช่อง (2 รอบ, 4 รอบ ฯลฯ)
ในการจัดเรียงหลาย-ของเหลวจะไหลผ่านมัดท่อหลายครั้ง ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ตัวแลกเปลี่ยน 2- ช่องการไหลเข้าจะถูกแยกออกเป็นสองส่วน ของไหลถูกป้อนเข้าไปในส่วนเดียว ไหลผ่านครึ่งท่อไปยังปลายสุด เปลี่ยนทิศทางในฝากระโปรงหน้า ส่งกลับผ่านท่อที่เหลือ และออกจากส่วนที่สองของช่องฝั่งขาเข้า ในตัวแลกเปลี่ยน 4 รอบ การดำเนินการนี้จะทำซ้ำสองครั้ง

จำนวนรอบที่ผ่านจะเป็นเลขคู่เสมอ โดยที่หัวฉีดไอดีและเอาต์พุตจะอยู่ที่ปลายด้านเดียวกันของเครื่องแลกเปลี่ยน ซึ่งช่วยให้การเชื่อมต่อท่อทำได้ง่ายขึ้น

ความแตกต่างหลักในพฤติกรรมทางความร้อน-ของไฮดรอลิก
ทางเลือกของการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบผ่านครั้งเดียวหรือหลายรอบได้รับอิทธิพลจากผลกระทบต่อความเร็วของของไหล สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความดันตกคร่อม และความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก (LMTD)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนและความเร็วของของไหล
ความเร็วของของไหลในแต่ละท่อขึ้นอยู่กับจำนวนท่อที่ใช้ในแต่ละรอบสำหรับอัตราการไหลของด้านท่อทั้งหมดโดยเฉพาะ ในการออกแบบแบบผ่านครั้งเดียว ท่อทั้งหมดจะทำงานพร้อมกัน พื้นที่การไหลที่ใช้ได้คือผลรวมของพื้นที่การไหลของท่อทั้งหมด ดังนั้นความเร็วจึงค่อนข้างน้อยเว้นแต่อัตราการไหลทั้งหมดจะมีขนาดใหญ่

ในการออกแบบหลาย-การส่งผ่าน การไหลรวมเดียวกันจะถูกขับเคลื่อนผ่านต่อรอบโดยใช้เพียงเศษเสี้ยวของท่อ ในตัวแลกเปลี่ยน 2- Pass ที่มีกลุ่มท่อสองกลุ่มที่เหมือนกัน แต่ละ Pass จะมีครึ่งหนึ่งของท่อทั้งหมด ความเร็วในแต่ละท่อจะเพิ่มขึ้นสองเท่าตามสถานการณ์การผ่านครั้งเดียว (สำหรับอัตราการไหลรวมเท่ากัน) ความเร็วเพิ่มขึ้นสี่เท่าด้วยการกำหนดค่า 4 รอบ

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของการพาความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของเลขเรย์โนลด์สด้านท่อเนื่องจากความเร็วที่เพิ่มขึ้น อุปสรรคจำกัดในการถ่ายเทความร้อนมักจะอยู่ที่ฟิล์ม-ของเหลวด้านข้างของท่อ (ไม่ว่าของเหลวด้านข้างของเปลือก-จะเป็นไอระเหยหรือของเหลวที่มีความนำไฟฟ้าสูง-) เนื่องจากท่อ PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำอยู่แล้ว การเพิ่มความเร็วด้านข้างของท่อจึงช่วยเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมได้อย่างมาก

ผลกระทบของแรงดันตก
ต้นทุนความเร็วสูงขึ้น: ความดันลดลงจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความเร็ว (โดยประมาณ) สำหรับการออกแบบ 2- รอบ แรงดันตกข้างท่อจะประมาณ 4 เท่าของการออกแบบรอบเดียว (ความเร็วสองเท่า + การสูญเสียเพิ่มเติมในฝากระโปรงส่งคืน) สำหรับการออกแบบแบบ 4 รอบ แรงดันตกคร่อมอาจมากกว่า 16 เท่า บวกกับการสูญเสียขนาดใหญ่ในห้องถอยหลัง

ในทางปฏิบัติ จำนวนรอบที่ใช้โดยทั่วไปจะถูกจำกัดโดยกำลังปั๊มที่มีอยู่หรือการสูญเสียแรงดันที่อนุญาตในสายการผลิต การจัดเรียงตามปกติสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE คือ 2- รอบหรือ 4- รอบ หากของไหลที่ด้านท่อเป็นของเหลวที่มีความหนืดปานกลางและปั๊มมีส่วนหัวเพียงพอ การออกแบบแบบทางเดียวจะนิยมใช้ของไหลด้านท่อก๊าซ (ซึ่งแรงดันตกคร่อมมีความสำคัญมากกว่า) หรือมีอัตราการไหลสูงอยู่แล้ว

การแก้ไขความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก (LMTD)
ความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่งคือระบบ-การส่งผ่านหลายรอบไม่ใช่การไหลทวนอย่างแท้จริง ซึ่งจะลดแรงผลักดันของอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพ LMTD มีค่าสูงสุดในตัวแลกเปลี่ยนผ่านเดี่ยวที่มีการจัดเรียงทวน (ของไหลด้านท่อในทิศทางตรงกันข้ามกับของไหลด้านเปลือก) ในตัวแลกเปลี่ยนหลาย-ผ่าน รูปแบบการไหลจะใกล้เคียงกับการไหลแบบผสมหรือการไหลข้าม และปัจจัยการแก้ไข (บางครั้งเรียกว่า F) จะถูกนำไปใช้กับ LMTD กระแสทวน

สำหรับตัวแลกเปลี่ยน 2- Pass ปัจจัยการแก้ไข LMTD โดยปกติจะอยู่ในช่วง 0.95 ถึง 0.99 สำหรับสถานการณ์การทำงานส่วนใหญ่ - ลดลงเล็กน้อย สำหรับตัวแลกเปลี่ยน 4 รอบ ปัจจัยอาจต่ำถึง 0.90-0.95 สำหรับการใช้งานข้ามอุณหภูมิสูง (โดยที่อุณหภูมิขาเข้าและขาออกอยู่ใกล้กันมาก) ปัจจัยการแก้ไขอาจต่ำกว่า 1 อย่างมาก เนื่องจากประโยชน์ของความเร็วสูงสามารถปฏิเสธได้ ดังนั้นการออกแบบหลายรอบจึงประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยที่ด้านข้างของท่อ

ความสำคัญของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE
เนื่องจาก PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำ ความต้านทานของฟิล์มด้านข้างของท่อ-จึงมักเป็นค่าที่โดดเด่นสำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยรวม ดังนั้น วัตถุประสงค์การออกแบบที่สำคัญประการหนึ่งคือการปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้างของท่อ- การออกแบบหลายช่อง-ทำให้บรรลุผลสำเร็จโดยไม่ต้องใช้อัตราการไหลโดยรวมที่มากขึ้นจากปั๊มของโรงงาน ทำให้เป็นที่ต้องการสำหรับการปรับปรุงเพิ่มเติมหรือในกรณีที่อัตราการไหลคงที่

อย่างไรก็ตาม ท่อ PTFE มีความอ่อนทางกลไกและสามารถสั่นสะเทือนที่ความเร็วการไหลสูง ความเร็วที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการกระพือของท่อและส่งผลให้เกิดการเสียดสีกับแผ่นกั้นหรือความเสียหายของแผ่นท่อ สำหรับท่อ PTFE ความเร็วด้านข้างของท่อโดยทั่วไปที่แนะนำคือ 0.5 ถึง 2.0 ม./วินาที (1.6 ถึง 6.6 ฟุต/วินาที) การออกแบบหลายรอบ-ที่เพิ่มความเร็วจาก 0.5 m/s เป็น 1.0 m/s นั้นดี แต่การเพิ่มเป็น 3.0 m/s อาจทำให้เกิดปัญหาทางกลไกได้ ควรเลือกจำนวนรอบเพื่อรักษาความเร็วให้อยู่ในช่วงที่ผู้ผลิตกำหนด

นอกจากนี้ข้อดีของการถ่ายเทความร้อนควรมีความสมดุลกับต้นทุนการสูบน้ำ มีปั๊มกระบวนการสำหรับการหมุนเวียนของถังอยู่แล้ว แรงดันตกของตัวแลกเปลี่ยน PTFE แบบหลายรอบ-อาจยอมรับได้ในกระบวนการตกแต่งพื้นผิวหลายๆ แบบ หรืออีกทางหนึ่ง การออกแบบแบบ single pass ที่มีเปลือกขนาดใหญ่กว่า (มีท่อหลายท่อขนานกัน) สามารถทำหน้าที่เดียวกันนี้ได้ที่แรงดันตกคร่อมที่ต่ำกว่าแต่มีต้นทุนเงินทุนที่สูงกว่า

ตารางเปรียบเทียบ: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบส่งเดี่ยว-กับแบบผ่านหลายตัว-
ตารางต่อไปนี้แสดงสถิติประสิทธิภาพโดยทั่วไปสำหรับอัตราการไหลของด้านข้างของท่อทั้งหมดคงที่- และพื้นที่การถ่ายเทความร้อนคงที่ ค่านิยมเป็นตัวแทน ประสิทธิภาพที่แท้จริงจะขึ้นอยู่กับรายละเอียดของขนาดและคุณลักษณะของของไหล

จำนวนท่อที่ผ่าน ความเร็วท่อสัมพัทธ์* ท่อสัมพัทธ์- สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้าง** แรงดันตกสัมพัทธ์ (ด้านท่อ) LMTD ช่วงแฟกเตอร์การแก้ไข การใช้งานทั่วไป
1 (ทางเดียว-ผ่าน) 1.0 (พื้นฐาน) 1.0 (พื้นฐาน) 1.0 (พื้นฐาน) 1.00 (สามารถไหลทวนล้วนๆ ได้)ของเหลวที่มีอัตราการไหลสูง ก๊าซ; ระบบลดแรงดันต่ำ
2 (สอง-ผ่าน) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99ความสมดุลที่ดี แพร่หลายมากที่สุดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนของเหลว PTFE
4 (สี่-ผ่าน) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0.95 ของเหลวที่มีความหนืดสูงหรือค่า U- สูงมากที่ต้องการ ตรวจสอบต้นทุนการสูบน้ำ
6 หรือ 8 ผ่าน 6 – 8 1.9 – 2.3 > 30 < 0.90 หายาก; เฉพาะกับของเหลวที่มีความหนืดต่ำ & ความเร็ว ΔP ที่อนุญาตสูงเท่านั้น เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบผ่านครั้งเดียวโดยมีจำนวนท่อและอัตราการไหลเท่ากัน ประมาณการว่ามีกระแสปั่นป่วนหรือกระแสการเปลี่ยนแปลง การปรับปรุงที่แท้จริงขึ้นอยู่กับเลขชี้กำลังของเรย์โนลด์ส (โดยปกติคือ h ~ v^0.8 สำหรับการไหลแบบปั่นป่วน)

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติในการตกแต่งพื้นผิว
ในการใช้งานตกแต่งพื้นผิวหลายประเภท (การชุบ อโนไดซ์ การดอง) ของไหลที่ด้านท่อมักจะอยู่ในกระบวนการอาบ ซึ่งเป็นสารละลายกรดหรือด่างที่มีอนุภาคแขวนลอยหรือโลหะละลาย แนวทางปฏิบัติต่อไปนี้มีผลบังคับใช้:

อัตราการไหลสูงของอ่างสำหรับการผสมหรือการกรองของถังมักเกิดจากการออกแบบ-แบบผ่านครั้งเดียว ในสถานการณ์เช่นนี้ ความเร็วอาจเพียงพออยู่แล้ว และการส่งผ่านที่มากขึ้นก็จะทำให้แรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้นโดยไม่เพิ่มการถ่ายเทความร้อนที่สอดคล้องกัน

การออกแบบสองรอบคือการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่ใช้มากที่สุดสำหรับสายการชุบขนาดพอประมาณ การถ่ายเทความร้อนได้รับการปรับปรุงอย่างมากในขณะที่แรงดันตกคร่อมยังคงอยู่ภายในขีดจำกัดของปั๊มแรงเหวี่ยงทั่วไป (ปกติจะสูญเสีย 1–3 บาร์)

การออกแบบช่องผ่านสี่-จะใช้เมื่อพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่มีอยู่มีจำกัด (เช่น ตัวแลกเปลี่ยนที่ได้รับการติดตั้งเพิ่มเติมซึ่งต้องพอดีกับพื้นที่ที่มีอยู่) และปั๊มมีส่วนหัวสำรอง นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการทำความร้อนของเหลวหนืด เช่น กรดฟอสฟอริกเข้มข้นหรืออ่างกระบวนการทางเคมีอื่นๆ

นอกจากนี้ ยังกล่าวด้วยว่าจำนวนท่อที่ผ่านได้อย่างเหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับเค้าโครงด้านข้างของเชลล์- หากของเหลวด้านข้างของเปลือก-เกิดการควบแน่นของไอน้ำ (ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงมาก) ความต้านทานด้านข้างของท่อ-จะมีอิทธิพลเหนือกว่าและการออกแบบหลาย-ทางผ่านจะมีประโยชน์มาก หากของเหลวด้านเปลือกเป็นน้ำหล่อเย็นที่มีค่าสัมประสิทธิ์ต่ำ การปรับปรุงเฉพาะด้านท่ออาจไม่ให้ประโยชน์โดยรวมมากนัก

ตัวอย่างการออกแบบ: มีกี่บัตรให้เลือก
พิจารณาใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่ให้ความร้อนอ่างชุบนิกเกิลจากอุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส ถึง 60 องศาเซลเซียส โดยใช้ไอน้ำที่ด้านเปลือก หน้าที่ความร้อนที่ต้องการคือ 100 kW ปั๊มหมุนเวียนสามารถหมุนเวียนของเหลวในอ่างอาบน้ำขนาด 30 ลบ.ม./ชม. ผ่านทางตัวแลกเปลี่ยน การออกแบบท่อผ่านครั้งเดียวเบื้องต้นด้วยท่อ ID 6 มม. จำนวน 200 ท่อ ส่งผลให้ความเร็วด้านข้างท่ออยู่ที่ 0.5 ม./วินาที แรงดันตก 0.3 บาร์ และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม (U) ที่คำนวณได้ 200 วัตต์/เมตร2.เค พื้นที่ที่ต้องการคือ 12 ตารางเมตร

การออกแบบ 2 รอบ (100 ท่อ/รอบ) เพิ่มความเร็วเป็นสองเท่าเป็น 1.0 ม./วินาที ค่าสัมประสิทธิ์ด้านท่อเพิ่มขึ้นเกือบ 40% โดยให้ U อยู่ที่ 260 W/m2K พื้นที่ที่ต้องการลดลงเหลือ 9.2 ตร.ม. (เครื่องแลกเปลี่ยนที่เล็กกว่าและถูกกว่า) การสูญเสียแรงดันเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 1.2 บาร์ ซึ่งยังอยู่ภายในความจุของปั๊ม การออกแบบ 2 รอบดีกว่าอย่างแน่นอน

สำหรับการกำหนดค่า 4 รอบ (50 หลอดในแต่ละรอบ) ความเร็วคือ 2.0 ม./วินาที และ U จะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 300 W/m2.K พื้นที่ที่ต้องการ 8 ตร.ม. อย่างไรก็ตาม แรงดันตกจะอยู่ที่ประมาณ 5 บาร์ ซึ่งอาจใหญ่กว่าหัวปั๊มหรือทำให้เกิดการใช้พลังงานสูง ปัจจัยการปรับค่า LMTD คือ 0.93 ซึ่งลดแรงขับเคลื่อนที่แท้จริงลงบ้าง ในสถานการณ์สมมตินี้ การประนีประนอมที่เหมาะสมที่สุดคือการออกแบบแบบ 2 รอบ

คำพูดสุดท้าย