ในตัวแลกเปลี่ยนเปลือก PTFE-และ-ท่อ สารไหลด้านข้างของท่อ-สามารถเดินทางเพียงครั้งเดียวจากทางเข้าไปยังทางออก หรือสามารถส่งกลับไปกลับมาผ่านมัดหลายๆ ครั้ง จำนวนรอบจะส่งผลต่อความเร็วของของไหล ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน และกำลังในการสูบที่ต้องการ เนื่องจาก PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำโดยธรรมชาติ (ประมาณ 0.25 W/m·K) การเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของท่อให้สูงสุด-จึงมักเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก แต่ตัวเลือกระหว่างการออกแบบ-การส่งผ่านครั้งเดียวและหลาย-การส่งผ่านนั้นไม่ได้ตรงไปตรงมา-แต่เกี่ยวข้องกับการจงใจเปลี่ยน-ระหว่างการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนและการลดแรงดันตก
ทำความเข้าใจกับการจัดเตรียม Tube Pass
จำนวนเส้นทางที่ผ่านของท่อหมายถึงจำนวนครั้งที่ของไหลที่ไหลผ่านท่อข้ามความยาวของตัวแลกเปลี่ยน บัตรผ่านถูกสร้างขึ้นโดยการติดตั้งตัวแบ่ง (พาร์ติชั่นผ่าน) ในช่องหรือฝากระโปรงที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของเครื่องแลกเปลี่ยน ตัวแบ่งเหล่านี้จะบังคับให้ของไหลไหลผ่านเพียงส่วนหนึ่งของท่อก่อนที่จะกลับทิศทางและเข้าสู่ท่ออีกชุดหนึ่ง
การออกแบบบัตรผ่านเดี่ยว-
ในตัวแลกเปลี่ยน-ทางเดียว (1-ทาง) ของไหลด้านท่อจะเข้าสู่ช่องที่ปลายด้านหนึ่ง ไหลตรงผ่านท่อทั้งหมดในแบบขนาน และออกที่ปลายอีกด้าน ไม่มีการใช้ตัวแบ่งภายใน นี่คือการกำหนดค่าโฟลว์ที่ง่ายที่สุด
การออกแบบหลายช่อง (2-Pass, 4-Pass ฯลฯ)
ในการออกแบบหลาย-การส่งผ่าน ของเหลวจะสร้างการเคลื่อนที่หลายรอบผ่านมัดท่อ ตัวอย่างเช่น ในเครื่องแลกเปลี่ยน 2- ช่องทางเข้าจะแบ่งออกเป็นสองส่วน ของไหลเข้าสู่ส่วนเดียว ไหลผ่านครึ่งท่อไปยังปลายสุด ย้อนกลับทิศทางในฝากระโปรงหน้า ไหลกลับผ่านท่อที่เหลือ และออกจากส่วนที่สองของช่องฝั่งขาเข้า ในตัวแลกเปลี่ยน 4 รอบ กระบวนการจะทำซ้ำสองครั้ง
จำนวนรอบที่เท่ากันเสมอเพื่อให้หัวฉีดทางเข้าและทางออกอยู่ที่ปลายเดียวกันของเครื่องแลกเปลี่ยน ช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมต่อท่อ
ความแตกต่างที่สำคัญในประสิทธิภาพทางความร้อน-ทางไฮดรอลิก
การตัดสินใจระหว่างกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบผ่านเดียวและหลายผ่านการออกแบบขึ้นอยู่กับความเร็วของของไหล สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความดันตกคร่อม และความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD) ที่ได้รับผลกระทบ
ความเร็วของของไหลและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน
สำหรับอัตราการไหลของด้านข้างของท่อทั้งหมด-ที่กำหนด ความเร็วของของไหลภายในแต่ละท่อจะถูกกำหนดโดยจำนวนท่อที่ทำงานในแต่ละรอบ ในการออกแบบ-ผ่านครั้งเดียว หลอดทั้งหมดจะทำงานพร้อมกัน พื้นที่หน้าตัด-ที่มีสำหรับการไหลคือพื้นที่การไหลรวมของท่อทั้งหมด ดังนั้นความเร็วจึงค่อนข้างต่ำเว้นแต่อัตราการไหลรวมจะสูง
ในการออกแบบหลาย-ผ่าน การไหลรวมเดียวกันจะถูกบังคับผ่านเพียงเศษเสี้ยวของท่อต่อการผ่าน สำหรับตัวแลกเปลี่ยน 2-pass ที่มีกลุ่มท่อสองกลุ่มเท่ากัน แต่ละท่อจะมีครึ่งหนึ่งของท่อทั้งหมด ความเร็วในแต่ละท่อจะเพิ่มขึ้นสองเท่าเมื่อเทียบกับเคสแบบผ่านครั้งเดียว (สำหรับอัตราการไหลรวมเท่ากัน) สำหรับการออกแบบแบบ 4 รอบ ความเร็วจะเพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่า
ความเร็วที่สูงขึ้นจะเพิ่มเลขเรย์โนลด์ส-ด้านท่อ ซึ่งจะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนเพิ่มขึ้น เนื่องจากท่อ PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำอยู่แล้ว ความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนแบบจำกัดจึงมักอยู่ที่ฟิล์มของเหลวด้านข้างของท่อ- (หากของเหลวด้านข้างของเปลือก-เป็นไอระเหยหรือของเหลวที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง-) การเพิ่มความเร็วด้านข้างของท่อ-สามารถปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมได้อย่างมาก
ผลที่ตามมาของแรงดันตกคร่อม
ความเร็วที่สูงกว่าต้องแลกมาด้วยต้นทุน: แรงดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความเร็ว (โดยประมาณ) สำหรับการออกแบบ 2- รอบ แรงดันตกด้านข้างท่อ-มีค่าประมาณสี่เท่าของการออกแบบรอบเดียว (ความเร็วสองเท่า บวกกับการสูญเสียเพิ่มเติมในฝากระโปรงส่งคืน) สำหรับการออกแบบแบบ 4 รอบ แรงดันตกคร่อมอาจสูงขึ้น 16 เท่า บวกกับการสูญเสียที่สำคัญในห้องถอยหลัง
ในทางปฏิบัติ กำลังปั๊มที่มีอยู่หรือแรงดันตกที่ยอมรับได้ในสายการผลิตมักจะจำกัดจำนวนรอบที่สามารถใช้ได้ การกำหนดค่าทั่วไปสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE คือ 2- ผ่านหรือ 4- ผ่านเมื่อของเหลวด้านข้างของท่อ-เป็นของเหลวที่มีความหนืดปานกลางและปั๊มมีส่วนหัวเพียงพอ การออกแบบแบบผ่านครั้งเดียวเป็นที่นิยมเมื่อของไหลด้านท่อเป็นก๊าซ (ซึ่งแรงดันตกคร่อมมีความสำคัญมากกว่า) หรือเมื่ออัตราการไหลสูงอยู่แล้ว
บันทึกการแก้ไขความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD)
รายละเอียดปลีกย่อยที่สำคัญคือการออกแบบการส่งหลายรอบ-นั้นเบี่ยงเบนไปจากการไหลทวนอย่างแท้จริง ส่งผลให้แรงผลักดันอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพลดลง ในเครื่องแลกเปลี่ยนทางเดียว-ที่มีการจัดเรียงการไหลทวน (ของไหลด้านท่อ-ตรงข้ามกับของไหลด้านเปลือก-) LMTD จะอยู่ที่ค่าสูงสุด ในตัวแลกเปลี่ยนหลาย-ผ่าน รูปแบบการไหลเข้าใกล้แบบผสมหรือการไหลข้าม โดยต้องใช้ปัจจัยแก้ไข (โดยทั่วไปจะแสดงเป็น F) ที่ใช้กับ LMTD กระแสทวน
สำหรับตัวแลกเปลี่ยน 2-pass ค่าปัจจัยการแก้ไข LMTD มักจะอยู่ระหว่าง 0.95 ถึง 0.99 สำหรับสภาพการทำงานส่วนใหญ่-ซึ่งลดลงเล็กน้อย สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนบัตร 4- ปัจจัยอาจลดลงเหลือ 0.90–0.95 สำหรับการใช้งานข้ามอุณหภูมิสูง- (โดยที่อุณหภูมิทางเข้าและทางออกอยู่ใกล้กันมาก) ปัจจัยการแก้ไขอาจลดลงอย่างมาก ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อประโยชน์ของความเร็วสูงกว่าได้ ดังนั้นการออกแบบแบบหลายรอบจึงมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่ออุณหภูมิที่ด้านข้างท่อเปลี่ยนแปลงในระดับปานกลาง
ความเกี่ยวข้องกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE
เนื่องจาก PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำ ความต้านทานของฟิล์มด้านข้างของท่อ-จึงมักมีอิทธิพลเหนือการถ่ายเทความร้อนโดยรวม การเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้างของท่อ-จึงเป็นวัตถุประสงค์การออกแบบหลัก การออกแบบหลายช่อง-ทำให้บรรลุเป้าหมายนี้โดยไม่ต้องใช้อัตราการไหลรวมที่สูงขึ้นจากปั๊มของโรงงาน ทำให้น่าสนใจสำหรับการปรับปรุงเพิ่มเติมหรือการใช้งานที่มีอัตราการไหลคงที่
อย่างไรก็ตาม ท่อ PTFE มีความอ่อนทางกลไกและมีแนวโน้มที่จะเกิดการสั่นสะเทือนที่ความเร็วการไหลสูง ความเร็วที่มากเกินไปอาจทำให้ท่อกระพือ ทำให้เกิดอาการหงุดหงิดกับแผ่นกั้นหรือความเสียหายของแผ่นท่อ ความเร็วด้านข้างของท่อที่แนะนำโดยทั่วไป-สำหรับท่อ PTFE อยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.5 ถึง 2.0 ม./วินาที (1.6 ถึง 6.6 ฟุต/วินาที) การออกแบบหลายรอบ-ที่เพิ่มความเร็วจาก 0.5 ม./วินาทีเป็น 1.0 ม./วินาทีนั้นมีประโยชน์ การเพิ่มเป็น 3.0 ม./วินาทีอาจทำให้เกิดปัญหาทางกลได้ ควรเลือกจำนวนรอบเพื่อรักษาความเร็วให้อยู่ภายในช่วงที่แนะนำของผู้ผลิต
สิ่งสำคัญคือต้องสร้างสมดุลระหว่างการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นกับต้นทุนการสูบน้ำ ในการดำเนินการตกแต่งพื้นผิวหลายๆ ครั้ง ปั๊มกระบวนการมีอยู่แล้วสำหรับการหมุนเวียนในถัง และอาจยอมรับแรงดันตกเพิ่มเติมจากตัวแลกเปลี่ยน PTFE แบบหลาย-ผ่านได้ ในกรณีอื่นๆ -การออกแบบรอบเดียวที่มีเปลือกใหญ่กว่า (มีท่อจำนวนมากขนานกัน) อาจทำหน้าที่เดียวกันโดยมีแรงดันตกคร่อมน้อยกว่า แม้ว่าจะมีต้นทุนทุนสูงกว่าก็ตาม
ตารางเปรียบเทียบ: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบผ่านเดี่ยว-กับแบบผ่านหลาย-
ตารางด้านล่างเปรียบเทียบคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพโดยทั่วไปสำหรับอัตราการไหลของด้านข้างของท่อทั้งหมดคงที่- และพื้นที่ถ่ายเทความร้อนคงที่ ค่าต่างๆ เป็นเพียงตัวอย่างเท่านั้น ประสิทธิภาพที่แท้จริงขึ้นอยู่กับขนาดเฉพาะและคุณสมบัติของของไหล
| จำนวนหลอดผ่าน | ความเร็วท่อสัมพัทธ์* | ท่อสัมพัทธ์-ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้าง** | แรงดันตกคร่อมสัมพัทธ์ (ด้านท่อ) | ช่วงปัจจัยการแก้ไข LMTD | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (ผ่านเดี่ยว-) | 1.0 (พื้นฐาน) | 1.0 (พื้นฐาน) | 1.0 (พื้นฐาน) | 1.00 (สามารถทวนกระแสล้วนๆ ได้) | ระบบตก-แรงดัน-ต่ำ ก๊าซ; ของเหลวที่มีอัตรา-การไหล-สูง |
| 2 (สอง-ผ่าน) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | พบมากที่สุดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ของเหลว ความสมดุลที่ดี |
| 4 (สี่-ผ่าน) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | ของเหลวที่มีความหนืดสูง-หรือเมื่อต้องการค่า U- สูงมาก ตรวจสอบต้นทุนการสูบน้ำ |
| 6 หรือ 8 ผ่าน | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | หายาก; เฉพาะกับของเหลวที่มีความหนืดต่ำ-และ ΔP ที่ยอมให้สูงเท่านั้น |
* ความเร็วสัมพันธ์กับการออกแบบรอบเดียว-โดยมีจำนวนท่อและอัตราการไหลเท่ากัน
** ประมาณการสำหรับกระแสปั่นป่วนหรือการเปลี่ยนแปลง การปรับปรุงที่แท้จริงขึ้นอยู่กับเลขชี้กำลังของเรย์โนลด์ส (โดยทั่วไปคือ h ~ v^0.8 สำหรับการไหลแบบปั่นป่วน)
ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติสำหรับการตกแต่งพื้นผิว
ในการใช้งานตกแต่งพื้นผิว (การชุบ อโนไดซ์ การดอง) -ของเหลวด้านข้างของท่อมักจะเป็นตัวอาบในกระบวนการ- สารละลายกรดหรือด่างที่มีของแข็งแขวนลอยหรือโลหะละลาย แนวทางปฏิบัติต่อไปนี้มีผลใช้บังคับ:
การออกแบบบัตรผ่านเดี่ยว-มักใช้เมื่อมีการหมุนเวียนอ่างด้วยอัตราการไหลสูงสำหรับการผสมหรือการกรองถัง ในกรณีเช่นนี้ ความเร็วอาจเพียงพอแล้ว และการเพิ่มการผ่านจะยิ่งเพิ่มแรงดันตกคร่อมโดยไม่เพิ่มสัดส่วนในการถ่ายเทความร้อน
การออกแบบผ่านสอง-เป็นโครงร่างที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในไลน์การชุบขนาดปานกลาง- โดยช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะเดียวกันก็รักษาแรงดันตกให้อยู่ภายในความจุของปั๊มแรงเหวี่ยงมาตรฐาน (โดยทั่วไปจะสูญเสีย 1–3 บาร์)
การออกแบบบัตรผ่านสี่-ใช้งานเมื่อพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่มีอยู่มีจำกัด (เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งเพิ่มเติมซึ่งต้องพอดีกับพื้นที่ที่มีอยู่) และปั๊มมีส่วนหัวสำรอง นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการทำความร้อนของเหลวหนืด เช่น กรดฟอสฟอริกเข้มข้นหรืออ่างกระบวนการอินทรีย์บางชนิด
เป็นที่น่าสังเกตว่าการจัดเรียงด้านข้างของเปลือก-ยังส่งผลต่อจำนวนท่อที่ผ่านที่เหมาะสมที่สุดด้วย หากของเหลวด้านเปลือก-กำลังควบแน่นเป็นไอน้ำ (ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงมาก) ความต้านทานด้านข้างของท่อ-จะมีอิทธิพลเหนือกว่า และการออกแบบหลาย-ทางผ่านจะมีประโยชน์อย่างมาก หากของเหลวด้านเปลือก-เป็นน้ำหล่อเย็นที่มีค่าสัมประสิทธิ์ต่ำ การปรับปรุงด้านท่อเพียงอย่างเดียวอาจไม่ให้การปรับปรุงโดยรวมมากนัก
ตัวอย่างการออกแบบ: การเลือกจำนวนรอบ
พิจารณาใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่ให้ความร้อนอ่างชุบนิกเกิลจาก 55 องศาถึง 60 องศาโดยใช้ไอน้ำที่ด้านเปลือก หน้าที่ความร้อนที่ต้องการคือ 100 kW ปั๊มหมุนเวียนที่มีอยู่จะจ่ายของเหลวอาบได้ 30 ลบ.ม./ชม. ผ่านทางตัวแลกเปลี่ยน การออกแบบทางผ่านครั้งเดียว-เบื้องต้นโดยใช้ท่อ 200 ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. ทำให้ได้ความเร็วด้านข้างของท่อที่ 0.5 เมตร/วินาที ความดันลดลง 0.3 บาร์ และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) ที่คำนวณได้ 200 วัตต์/เมตร²·K พื้นที่ที่ต้องการคือ 12 ตารางเมตร
เมื่อเปลี่ยนไปใช้การออกแบบ 2- รอบ (100 หลอดต่อการผ่าน) ความเร็วจะเพิ่มขึ้นสองเท่าเป็น 1.0 ม./วินาที ค่าสัมประสิทธิ์ด้านข้างของท่อ-เพิ่มขึ้นประมาณ 40% โดยเพิ่ม U เป็น 260 W/m²·K พื้นที่ที่ต้องการลดลงเหลือ 9.2 ตร.ม. (เครื่องแลกเปลี่ยนที่เล็กกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่า) แรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 1.2 บาร์ ซึ่งยังอยู่ในความสามารถของปั๊ม การออกแบบ 2-pass นั้นเหนือกว่าอย่างเห็นได้ชัด
หากพิจารณาการออกแบบแบบ 4 รอบ (50 หลอดต่อการผ่าน) ความเร็วจะสูงถึง 2.0 ม./วินาที และ U จะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 300 W/m²·K พื้นที่ที่ต้องการลดลงเหลือ 8 ตร.ม. อย่างไรก็ตาม แรงดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้นประมาณ 5 บาร์ ซึ่งอาจเกินส่วนหัวของปั๊มหรือทำให้เกิดการใช้พลังงานมากเกินไป ปัจจัยการแก้ไข LMTD ลดลงเหลือ 0.93 ซึ่งลดแรงผลักดันที่แท้จริงลงเล็กน้อย ในกรณีนี้ การออกแบบแบบ 2 รอบจะให้ความสมดุลที่ดีที่สุด
บทสรุป
จำนวนท่อที่เหมาะสมที่สุดที่ผ่านในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ขึ้นอยู่กับแรงดันตกที่มีอยู่และความจำเป็นในการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนภายในท่อ PTFE -การนำไฟฟ้าต่ำ การออกแบบทางเดียว-จะลดแรงดันตกคร่อมและรักษา LMTD ทวนกระแสเต็ม ทำให้เหมาะสำหรับก๊าซหรือระบบที่มีความสามารถในการสูบจำกัด การออกแบบหลาย-รอบ (โดยทั่วไปคือ 2-รอบหรือ 4-รอบ) จะเพิ่มความเร็วด้านข้างของท่อ เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้วยต้นทุนของแรงดันตกคร่อมที่สูงขึ้น และ LMTD ลดลงเล็กน้อย สำหรับการใช้งานการตกแต่งพื้นผิวของเหลวส่วนใหญ่ การออกแบบแบบสองรอบช่วยให้ลดประสิทธิภาพลงได้ โดยให้ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มมากเกินไป
การเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน-เป็นส่วนมาตรฐานของการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE จำนวนรอบที่ถูกต้องถูกกำหนดโดยการปรับสมดุลการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนกับข้อจำกัดแรงดันตกคร่อม ขณะเดียวกันก็คำนึงถึงขีดจำกัดความเร็วของ PTFE เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือนของท่อ เมื่อระบุอย่างถูกต้อง การจัดการบัตรผ่านที่เลือกจะทำให้มั่นใจว่าเครื่องแลกเปลี่ยนปฏิบัติหน้าที่ได้อย่างน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพตลอดอายุการใช้งาน
