เมื่อปรับขนาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือก-และ-ท่อ การคำนวณด้านข้างของท่อ-นั้นตรงไปตรงมา อย่างไรก็ตาม ด้านเปลือก-ทำให้เกิดความซับซ้อนด้วยการจัดเรียงแผ่นกั้นและกระแสรั่วไหลซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่คาดการณ์ไว้ได้อย่างมาก สำหรับวิศวกรที่ทำงานกับอุปกรณ์ฟลูออโรโพลีเมอร์ ความท้าทายจะยิ่งซับซ้อนยิ่งขึ้นเมื่อพยายามคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านเปลือกในระบบที่ใช้ท่อ PTFE
ทำไมเชลล์-ถึงเป็นเรื่องรอง
ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของเปลือก-แสดงถึงความสามารถของของไหลที่ไหลผ่านด้านนอกของท่อเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับผนังท่อ ค่าสัมประสิทธิ์นี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ค่า U-) ซึ่งควบคุมประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องแลกเปลี่ยน
ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE พารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำประมาณ 0.25 W/m·K ซึ่งทำให้เกิดความต้านทานภายในผนังท่ออย่างมีนัยสำคัญ ด้วยเหตุนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มด้านข้างทั้งท่อ-และเปลือก-จึงต้องได้รับการประเมินอย่างรอบคอบ เนื่องจากทั้งสองฝ่ายไม่สามารถชดเชยการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีของอีกฝ่ายได้เต็มที่
มักสังเกตได้ว่าแม้เมื่อ-ประสิทธิภาพด้านข้างของท่อได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของเปลือก-ที่ไม่เพียงพอก็สามารถจำกัดประสิทธิภาพโดยรวมได้
ภาพรวมวิธีการ Kern
วิธีการทั่วไปที่ใช้ในการออกแบบเบื้องต้นคือวิธี Kern ซึ่งเป็นวิธีปฏิบัติจริงในการประมาณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของเปลือก-สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนที่มีแผ่นกั้นแบบแบ่งส่วน วิธีการนี้ใช้ได้โดยเฉพาะเมื่อการตัดแผ่นกั้นอยู่ที่ประมาณ 25% ซึ่งเป็นการกำหนดค่ามาตรฐานในการออกแบบอุตสาหกรรมหลายประเภท
วิธี Kern ช่วยลดความซับซ้อนของรูปแบบการไหลที่ซับซ้อนที่ด้านเปลือกโดยถือว่าของไหลไหลผ่านมัดท่อในลักษณะการจัดเรียงแบบไหลขวาง แม้ว่าจะไม่ได้ตรวจจับการรั่วไหลและการบายพาสทั้งหมด แต่ก็ให้ค่าประมาณที่สมเหตุสมผลสำหรับการคำนวณ-ในระยะเริ่มต้น
ในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านเปลือกโดยใช้วิธี Kern จำเป็นต้องมีพารามิเตอร์หลักหลายตัว:
เส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือก
รูปแบบและระยะมัดมัดท่อ
ระยะห่างและการตัดแผ่นกั้น
คุณสมบัติของของไหล (ความหนาแน่น ความหนืด การนำความร้อน)
อัตราการไหลของมวล
จากอินพุตเหล่านี้ จะมีการกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เท่ากัน ตามด้วยหมายเลขเรย์โนลด์สและหมายเลขปรานด์เทิลสำหรับของไหลข้างเปลือก- จากนั้นตัวเลขไร้มิติเหล่านี้จะถูกนำมาใช้ในความสัมพันธ์เชิงประจักษ์เพื่อประมาณค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบพาความร้อน
ในทางปฏิบัติ วิธีนี้จะให้ค่าที่แม่นยำเพียงพอสำหรับการกำหนดขนาดเริ่มต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่มีเครื่องมือคำนวณโดยละเอียด
ตัวอย่างเชิงแนวคิด
พิจารณากรณีง่ายๆ ที่มีการให้ความร้อนน้ำที่ด้านเปลือกในขณะที่ไอน้ำความดันต่ำ-ควบแน่นภายในท่อ PTFE สมมติว่าต่อไปนี้:
ของเหลวด้านเปลือก-: น้ำที่อุณหภูมิปานกลาง
ระบอบการไหล: การไหลแบบปั่นป่วน
จำนวนเรย์โนลด์สโดยประมาณ: ~10,000
เมื่อใช้สหสัมพันธ์เคอร์นมาตรฐาน ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้าง-ของเชลล์อาจตกอยู่ในช่วง 800–1500 W/m²·K สำหรับบริการประเภทนี้
อย่างไรก็ตาม เป็นที่น่าสังเกตว่าค่านี้แสดงถึงความต้านทานด้านข้างของของไหล-เท่านั้น เมื่อรวมกับค่าการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำของ PTFE ค่า U- โดยรวมจะต่ำกว่าค่าตัวแลกเปลี่ยนโลหะที่เทียบเคียงกันอย่างมาก
การปรับสำหรับ PTFE
ผลกระทบของการนำความร้อนต่ำ
PTFE นำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใครในการออกแบบการระบายความร้อน แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้างของเปลือก-จะค่อนข้างสูง แต่ความต้านทานของผนังของท่อ PTFE สามารถครอบงำกระบวนการถ่ายเทความร้อนโดยรวมได้
ซึ่งหมายความว่าการปรับปรุงความปั่นป่วนด้านข้างของเปลือก-เพียงอย่างเดียวอาจไม่ให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน
ข้อควรพิจารณาในการแก้ไข
เมื่อใช้วิธี Kern กับตัวแลกเปลี่ยน PTFE มักมีการพิจารณาการแก้ไขหรือการปรับในระหว่างการประเมินการออกแบบ แม้ว่าความสัมพันธ์ของ Kern ยังคงใช้ได้กับการไหลของของไหล แต่ค่าสัมประสิทธิ์ผลลัพธ์จะต้องถูกตีความในบริบทของเครือข่ายต้านทานความร้อนแบบเต็ม
แนวทางทั่วไปประกอบด้วย:
การประเมินความต้านทานของผนังแยกกันตามความหนาของ PTFE
เมื่อรวมกับค่าสัมประสิทธิ์ด้านเปลือก-และท่อ-
การประเมินว่าการเพิ่มความเร็วการไหลหรือการลดความหนาของผนังจะให้การปรับปรุงที่มีความหมายหรือไม่
ประสบการณ์ภาคสนามแสดงให้เห็นว่าการอาศัยความสัมพันธ์มาตรฐานเพียงอย่างเดียวโดยไม่คำนึงถึงคุณสมบัติของ PTFE สามารถนำไปสู่การประเมินประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนสูงเกินไปได้
การสังเกตเชิงปฏิบัติ
ในทางปฏิบัติ มักสังเกตกันว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ต้องการพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่าเมื่อเปรียบเทียบกับหน่วยโลหะเพื่อให้บรรลุหน้าที่เดียวกัน นี่เป็นผลโดยตรงจากคุณสมบัติการเป็นฉนวนของวัสดุ
นอกจากนี้ ความพยายามมากเกินไปในการเพิ่ม-สัมประสิทธิ์ด้านข้างของเปลือก- เช่น การลดระยะห่างของแผ่นกั้น- อาจทำให้เกิดแรงดันตกที่สูงขึ้นโดยไม่ให้ประโยชน์ทางความร้อนตามสัดส่วน
ช่วงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของเชลล์-ทั่วไป
| ประเภทบริการ | เชลล์ทั่วไป-ค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้าง (W/m²·K) |
|---|---|
| ของเหลว–ของเหลว | 500–1500 |
| แก๊ส-ของเหลว | 100–500 |
| ไอระเหย |
1500–5000 |
ช่วงเหล่านี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทั่วไปสำหรับการประเมินค่าที่คำนวณได้ ประสิทธิภาพที่แท้จริงขึ้นอยู่กับรูปทรง สภาพการไหล และคุณสมบัติของของไหล
บทสรุป
ความสามารถในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของเปลือกเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่มีประสิทธิภาพ วิธี Kern นำเสนอแนวทางที่เป็นประโยชน์และเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในการประมาณค่าพารามิเตอร์นี้ในระบบที่มีแผ่นกั้นแบบแบ่งส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการกำหนดขนาดเบื้องต้น
อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนต่ำของ PTFE ทำให้เกิดความต้านทานเพิ่มเติมซึ่งต้องคำนึงถึงอย่างระมัดระวัง แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้างของเปลือก-ยังคงเป็นปัจจัยสำคัญ ประสิทธิภาพโดยรวมจะขึ้นอยู่กับผลรวมของฟิล์มของไหลและการนำไฟฟ้าของผนัง
สำหรับการตรวจสอบการออกแบบขั้นสุดท้าย การพึ่งพาข้อมูลของผู้ผลิตหรือการสร้างแบบจำลองขั้นสูงมักจะเป็นประโยชน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรงหรือขอบเขตความร้อนที่จำกัด การกำหนดขนาดความร้อนที่แม่นยำช่วยให้แน่ใจว่าตัวแลกเปลี่ยนตรงตามข้อกำหนดของกระบวนการโดยไม่มีพื้นที่ผิวมากเกินไปหรือต้นทุนที่ไม่จำเป็น
