วิธีการตรวจจับและป้องกันการกระจายตัวของการไหลใน PTFE Shell-และ-ตัวแลกเปลี่ยนท่อ

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE อาจสะอาดและไม่มีการรั่วไหล แต่ยังคงมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเนื่องจากปัญหาไฮดรอลิกเล็กน้อย: การกระจายตัวของการไหลไม่ปกติ เมื่อของไหลด้านเปลือกใช้เส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุดแทนที่จะกวาดอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งท่อ การถ่ายเทความร้อนจะลดลงและเกิดจุดที่ร้อนหรือเย็นขึ้น การกระจายตัวของการไหลที่ไม่ถูกต้องมักถูกมองข้าม เนื่องจากไม่ก่อให้เกิดสัญญาณภายนอกที่ชัดเจน เช่น การรั่วไหลหรือการสั่นสะเทือน อย่างไรก็ตาม ผลกระทบต่อประสิทธิภาพเชิงความร้อนอาจมีความรุนแรง โดยลดพื้นที่การถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิผลลง 20-40% ในกรณีที่รุนแรง การตรวจจับและแก้ไขการกระจายตัวที่ผิดปกติเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรักษาประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อ PTFE

Flow Maldistribution คืออะไร?

การกระจายตัวของการไหลที่ไม่สม่ำเสมอหมายถึงการกระจายของของไหลที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งมัดท่อที่ด้านเปลือก (หรือโดยทั่วไปน้อยกว่าคือการไหลที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างท่อขนานที่ด้านท่อ) ในตัวแลกเปลี่ยนที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม ของเหลวด้านเปลือกถูกบังคับโดยแผ่นกั้นให้ไหลผ่านมัดท่อในรูปแบบการไหลข้าม โดยสัมผัสกับท่อทั้งหมดไม่มากก็น้อยเท่าๆ กัน เมื่อการกระจายตัวไม่ถูกต้องเกิดขึ้น บางภูมิภาคของมัดจะได้รับความเร็วการไหลสูง ในขณะที่ภูมิภาคอื่น ๆ ได้รับการไหลที่ต่ำมากหรือนิ่ง บริเวณความเร็วสูงอาจประสบกับแรงดันตกมากเกินไป ในขณะที่บริเวณความเร็วต่ำมีส่วนช่วยในการถ่ายเทความร้อนเพียงเล็กน้อย ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมจะลดลงต่ำกว่าค่าการออกแบบ และเครื่องแลกเปลี่ยนไม่สามารถตอบสนองหน้าที่ระบายความร้อนได้

สาเหตุทั่วไปของการกระจายตัวของ Flow ไม่ถูกต้อง

ประสบการณ์ภาคสนามบ่งชี้ถึงสาเหตุหลักสามประการของการกระจายการไหลที่ผิดปกติในตัวแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อ PTFE: แผ่นกั้นเสียหายหรือหายไป ท่ออุดตัน และการออกแบบหัวฉีดทางเข้าที่ไม่เหมาะสม

แผ่นกั้นเสียหายหรือสูญหาย

แผ่นกั้นเป็นแผ่นโลหะ (โดยปกติจะเป็นเหล็กสแตนเลส) ที่ส่งของเหลวด้านเปลือกกลับไปกลับมาผ่านมัดท่อ แผ่นกั้นแบบปล้องทั่วไปจะบังคับให้ของเหลวไหลผ่านท่อ จากนั้นไปรอบๆ ขอบแผ่นกั้น จากนั้นจึงไหลผ่านส่วนถัดไป หากแผ่นกั้นหลวม สึกกร่อน หรือขาดหายไปโดยสิ้นเชิง ของเหลวจะทะลุมัดท่อทั้งหมด โดยไหลตรงจากทางเข้าไปยังทางออกผ่านช่องความต้านทานต่ำใกล้กับผนังเปลือก สิ่งนี้เรียกว่ากระแสบายพาส สัญญาณบอกเล่าคือแรงดันด้านข้างของตัวเครื่องลดลงต่ำกว่าค่าการออกแบบอย่างมาก ประกอบกับการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดี

แผ่นกั้นอาจเสียหายได้โดย:

การกัดกร่อนของแผ่นกั้นโลหะในการใช้งานที่รุนแรง (แม้ว่าท่อ PTFE จะทนทาน แต่แผ่นกั้นเหล็กอาจสึกกร่อนได้)

ผลกระทบทางกลระหว่างการใส่หรือถอดมัดท่อ

ระยะห่างของแผ่นกั้นไม่ถูกต้องในระหว่างการผลิต (ระยะห่างควรเป็น 0.2 ถึง 1.0 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือก ระยะห่างที่กว้างขึ้นจะช่วยลดความเร็วการไหลข้ามและส่งเสริมการกระจายตัวที่ไม่ถูกต้อง)

ท่อที่ถูกบล็อก

ที่ด้านท่อ เศษต่างๆ เช่น ตะกรันเชื่อม สนิม หรือของแข็งในกระบวนการสามารถปิดกั้นท่อ PTFE หนึ่งท่อขึ้นไปได้บางส่วนหรือทั้งหมด เมื่อท่อถูกปิดกั้น ของไหลที่จะไหลผ่านจะถูกกระจายไปยังท่อที่เปิดอยู่ที่เหลือ พื้นที่การไหลทั้งหมดลดลง ดังนั้นความเร็วในท่อเปิดจึงเพิ่มขึ้น แต่พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิผลลดลง ต้องทำความสะอาดตัวแลกเปลี่ยนหรือเปลี่ยนท่อที่อุดตัน ในการจัดเรียงท่อหลายรอบ ท่อที่ถูกบล็อกเพียงท่อเดียวสามารถรบกวนการกระจายการไหลทั่วทั้งท่อ

การออกแบบหัวฉีดทางเข้าที่ไม่เหมาะสม

หัวฉีดทางเข้าด้านข้างเปลือกเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับของเหลว หากหัวฉีดมีขนาดเล็กเกินไป ของไหลที่ป้อนเข้าไปจะเร่งความเร็วเป็นความเร็วสูงและไปชนกับท่อจำนวนไม่มากโดยตรง สิ่งนี้จะสร้างไอพ่นความเร็วสูงที่เจาะลึกเข้าไปในมัด ในขณะที่บริเวณที่อยู่ห่างจากไอพ่นยังคงนิ่ง แม้จะมีแผ่นกั้นที่มีระยะห่างอย่างเหมาะสม การกระจายตัวไม่ถูกต้องที่เกิดจากการออกแบบหัวฉีดที่ไม่ดียังคงอยู่ เนื่องจากของเหลวไม่เคยกระจายทั่วหน้าตัดของมัดรวมอย่างสมบูรณ์

ข้อบกพร่องในการออกแบบหัวฉีดทั่วไป ได้แก่:

เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวฉีดเล็กเกินไปสำหรับอัตราการไหล (ความเร็ว > 3-5 ม./วินาที)

หัวฉีดตั้งอยู่ใกล้กับมัดท่อมากเกินไปโดยไม่มีแผ่นปะทะหรือตัวกระจาย

หัวฉีดวางในแนวสัมผัสหรือแนวแกนโดยไม่มีการปรับการไหลให้ตรงอย่างเหมาะสม

ในทางปฏิบัติ หัวฉีดทางเข้าควรมีขนาดโดยที่ความเร็วด้านเปลือกที่หัวฉีดไม่เกิน 2-3 เท่าของความเร็วการไหลข้ามเฉลี่ยทั่วมัด แผ่นปะทะ (แผ่นโลหะแบนที่วางตรงข้ามหัวฉีด) จะกระจายไอพ่นที่เข้ามาและปกป้องท่อ PTFE แถวแรกจากการกัดเซาะ

วิธีการตรวจจับสำหรับการกระจายการไหลที่ผิดปกติ

การตรวจจับการกระจายตัวไม่ถูกต้องต้องใช้เทคนิคการตรวจสอบด้วยความร้อน ไฮดรอลิก และด้วยภาพร่วมกัน

การถ่ายภาพความร้อนของเปลือกภายนอก

กล้องถ่ายภาพความร้อน (อินฟราเรดเทอร์โมกราฟี) สามารถเปิดเผยรูปแบบอุณหภูมิบนพื้นผิวด้านนอกของเปลือกได้ ภายใต้การไหลปกติและกระจายตัวได้ดี อุณหภูมิพื้นผิวเปลือกควรค่อนข้างสม่ำเสมอตลอดความยาว โดยอุณหภูมิจะเปลี่ยนทีละน้อยจากทางเข้าไปยังทางออก เมื่อมีการกระจายตัวไม่ถูกต้อง เส้นเย็นหรือร้อนปรากฏขึ้น ตัวอย่างเช่น:

กระแสน้ำบายพาสไปตามผนังเปลือกหอยทำให้เกิดกระแสอุณหภูมิต่ำ (ด้านเย็น) หรืออุณหภูมิสูง (ด้านร้อน) ที่ไหลตามยาว

เจ็ทจากหัวฉีดที่ออกแบบไม่ถูกต้องจะสร้างจุดร้อนหรือเย็นเฉพาะจุดใกล้กับทางเข้า

การถ่ายภาพความร้อนควรทำภายใต้สภาวะการทำงานที่มั่นคง อาจจำเป็นต้องทำความสะอาดพื้นผิวเปลือกหรือทาสีด้านชั่วคราวเพื่อให้มีการปล่อยรังสีสม่ำเสมอ

การวัดแรงดันตกคร่อม

แรงดันตกข้างเปลือกเป็นตัวบ่งชี้ที่เชื่อถือได้ ควรเปรียบเทียบแรงดันตกที่วัดได้ (ที่อัตราการไหลของการออกแบบ) กับค่าการออกแบบของผู้ผลิต หากการหยดที่วัดได้ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ (เช่น น้อยกว่า 70% ของการออกแบบ) ของเหลวจะทะลุมัดท่อ-น่าจะผ่านแผ่นกั้นที่เสียหาย หรือช่องว่างระหว่างมัดท่อและเปลือก หากหยดที่วัดได้สูงกว่าการออกแบบ แสดงว่าท่ออุดตันหรือเปรอะเปื้อนมากเกินไป

สำหรับด้านท่อ แรงดันตกที่สูงกว่าการออกแบบมากบ่งชี้ว่าท่ออุดตันหรือเปรอะเปื้อนภายใน แรงดันตกที่ต่ำกว่าการออกแบบมาก (โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหล) บ่งบอกถึงการรั่วของท่อหรือทางเบี่ยงภายในวงจรของท่อ

การวัดโปรไฟล์อุณหภูมิ

การวัดอุณหภูมิทางออกของแต่ละหลอดหรือกลุ่มเล็กๆ ของหลอดสามารถระบุการกระจายตัวที่ไม่ถูกต้องได้ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องเข้าถึงแผ่นท่อซึ่งอาจใช้ไม่ได้จริงในตัวแลกเปลี่ยนแบบปิดผนึก อีกทางเลือกหนึ่งคือการวัดอุณหภูมิพื้นผิวเปลือกในหลายจุดตามแนวเส้นรอบวงและความยาวตามที่อธิบายไว้ข้างต้น

การตรวจสอบด้วยสายตาระหว่างการบำรุงรักษา

เมื่อเปิดเครื่องแลกเปลี่ยนเพื่อทำความสะอาดหรือตรวจสอบ ควรตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้:

สภาพแผ่นกั้น: แผ่นกั้นหลวม หายไป หรือสึกกร่อนอย่างรุนแรงหรือไม่? ระยะห่างของแผ่นกั้นมีความสม่ำเสมอและตามรูปวาดหรือไม่

การอุดตันของท่อ: มีท่อใดบ้างที่มองเห็นได้ว่ามีเศษวัสดุอุดตันหรือไม่ สามารถใช้ไฟฉายหรือกล้องส่องกล้องได้

บริเวณหัวฉีดทางเข้า: มีแผ่นปะทะอยู่หรือไม่ ท่อสองสามแถวแรกมีรูปร่างผิดปกติหรือเสียหายจากการปะทะของไอพ่นหรือไม่?

มาตรการป้องกัน

การกระจายตัวของการไหลที่ผิดปกติส่วนใหญ่สามารถป้องกันได้ด้วยการออกแบบ การติดตั้ง และการตรวจสอบตามระยะเวลาที่เหมาะสม

แผ่นกระจายลมเข้าหรือแผ่นปะทะที่เหมาะสม

สำหรับตัวแลกเปลี่ยนใหม่ หัวฉีดทางเข้าควรได้รับการออกแบบให้มีแผ่นปะทะหรือตัวกระจายการไหล แผ่นปะทะเป็นแผ่นโลหะที่ติดตั้งเป็นระยะทางสั้น ๆ จากช่องเปิดหัวฉีด เพื่อบังคับให้เจ็ทที่เข้ามากระจายเป็นแนวรัศมีก่อนที่จะสัมผัสกับมัดท่อ อีกทางหนึ่งคือสามารถเพิ่มส่วนตัวกระจาย (การขยายเส้นทางการไหลทีละน้อย) ภายในเปลือกได้ อุปกรณ์เหล่านี้ลดความเร็วขาเข้าและส่งเสริมการกระจายการไหลที่สม่ำเสมอ

การตรวจสอบแผ่นกั้นปกติ

ในระหว่างการบำรุงรักษาประจำปี ควรตรวจสอบแผ่นกั้นเพื่อหาสัญญาณของความเสียหายหรือการหลวม ในเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ที่มีแผ่นกั้นโลหะ การกัดกร่อนของแผ่นกั้นเป็นเรื่องที่น่ากังวลเนื่องจากตัวท่อ PTFE เองไม่เป็นสนิม แนะนำให้ใช้แผ่นกั้นสแตนเลส (316L) สำหรับบริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อน Baffle rods หรือ tie rods ควรจะแน่น; แผ่นกั้นที่หลวมสามารถยึดใหม่หรือเปลี่ยนใหม่ได้

เครื่องกรองและการกรอง

เพื่อป้องกันการอุดตันของท่อ ควรติดตั้งตัวกรองหรือตัวกรองบนท่อทางเข้าด้านข้างท่อ ขนาดตาข่ายควรเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อ สำหรับการเปรอะเปื้อนด้านข้างเปลือก ตัวกรองที่ทางเข้าด้านเปลือกก็มีประโยชน์เช่นกันหากของเหลวมีของแข็ง การทำความสะอาดตัวกรองเป็นระยะจะป้องกันไม่ให้เศษต่างๆ เข้าไปในตัวแลกเปลี่ยน

ระยะห่างและการออกแบบแผ่นกั้นที่เหมาะสม

ควรเลือกระยะห่างของแผ่นกั้นตามความเร็วการไหลขวางที่ต้องการ หลักการทั่วไปคือระยะห่างควรอยู่ระหว่าง 0.2 ถึง 1.0 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเปลือก ระยะห่างที่น้อยลงจะเพิ่มแรงดันตกคร่อมแต่จะปรับปรุงการกระจายตัว สำหรับตัวแลกเปลี่ยน PTFE ซึ่งท่อค่อนข้างยืดหยุ่น ความเร็วการไหลข้ามที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของท่อได้ ดังนั้นจึงมักเลือกระยะห่างปานกลาง (0.4-0.6 ×เส้นผ่านศูนย์กลางเปลือก)

อุปกรณ์กระจายการไหลด้านข้างของท่อ

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนหลายรอบขนาดใหญ่ ตัวจ่ายทางเข้า (แผ่นเจาะรูหรือหัวฉีดที่มีทางเข้าบาน) สามารถปรับปรุงการกระจายการไหลของด้านข้างท่อได้ สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งเมื่อของเหลวข้างท่อมีความหนืดสูง หรือเมื่อตัวแลกเปลี่ยนมีท่อจำนวนมากในแต่ละรอบ

รายการตรวจสอบการวินิจฉัยสำหรับการกระจายตัวของการไหลที่น่าสงสัย

เมื่อผู้แลกเปลี่ยนถูกสงสัยว่ามีการกระจายการไหลที่ไม่ถูกต้อง รายการตรวจสอบต่อไปนี้จะเป็นแนวทางในการสืบสวน

การดำเนินการแก้ไข

หากมีการยืนยันการกระจายตัวที่ไม่ถูกต้อง การดำเนินการแก้ไขจะขึ้นอยู่กับสาเหตุที่แท้จริง

แผ่นกั้นเสียหายหรือหายไป– ต้องเปิดตัวแลกเปลี่ยน และซ่อมแซมหรือเปลี่ยนแผ่นกั้น ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องปิดบังมัดท่อทั้งหมดใหม่

หลอดที่ถูกบล็อก– ควรทำความสะอาดท่อด้วยสารเคมี (ดูคำแนะนำที่เกี่ยวข้องในการทำความสะอาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE) หากไม่สามารถล้างท่อได้ อาจเสียบปลั๊ก (หากมีท่อบางท่ออุดตัน) หรือเปลี่ยนใหม่

หัวฉีดทางเข้าที่ไม่เหมาะสม– สามารถเชื่อมแผ่นปะทะสำหรับติดตั้งเพิ่มภายในเปลือกที่อยู่ตรงข้ามกับหัวฉีดได้ หากพื้นที่มีจำกัด สามารถเพิ่มเครื่องยืดการไหลหรือแผ่นกั้นแบบมีรูใกล้กับทางเข้าได้

บายพาสเนื่องจากมีช่องว่างระหว่างมัดถึงเปลือก– สามารถเพิ่มซีลบายพาส (แถบโลหะที่ติดอยู่กับแผ่นกั้นที่สัมผัสกับเปลือก) เพื่อเพิ่มเพื่อป้องกันช่องว่าง

บทสรุป

การกระจายตัวของการไหลไม่ถูกต้องคือปัญหาไฮดรอลิกที่แก้ไขได้ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ PTFE เกิดขึ้นจากแผ่นกั้นเสียหายหรือหายไป ท่ออุดตัน หรือการออกแบบหัวฉีดทางเข้าที่ไม่เหมาะสม วิธีการตรวจจับประกอบด้วยการถ่ายภาพความร้อน การวัดแรงดันตก และการตรวจสอบด้วยภาพระหว่างการบำรุงรักษา มาตรการป้องกัน-การออกแบบตัวกระจายทางเข้าที่เหมาะสม การตรวจสอบแผ่นกั้นตามปกติ ตัวกรอง และระยะห่างของแผ่นกั้นที่ถูกต้อง-จะหยุดการกระจายตัวก่อนที่จะเริ่มต้น คำสำคัญเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบกระจายการไหลผิดปกติแสดงถึงแนวคิดการวินิจฉัยที่สำคัญ: การไหลไม่สม่ำเสมอจะลดพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพ และสร้างจุดที่ร้อนหรือเย็น แม้แต่ในตัวแลกเปลี่ยนที่สะอาด ด้วยการใช้กลยุทธ์การตรวจจับและการป้องกันที่อธิบายไว้ เครื่องแลกเปลี่ยนสามารถคืนสู่ประสิทธิภาพการระบายความร้อนตามที่ต้องการได้ การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนที่ดีและการตรวจสอบเป็นระยะช่วยป้องกันปัญหานี้ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และยืดอายุการใช้งาน