Hvordan er PTFE-varmevekslere i bajonett-stil forskjellig fra konvensjonelle design med faste rørplater?

De fleste skall- og rørvekslere har rør festet i begge ender. En bajonettveksler snur dette på hodet: rør er bare festet i den ene enden, den andre enden kan gli fritt innenfor en forseglet ytre kappe. Denne enkle designen overvinner to langvarige-problemer, varmestress og vedlikeholdstilgang. Bajonettarrangementet er et fristende alternativ for krevende overflatebehandling og kjemiske prosessapplikasjoner som involverer PTFE varmevekslere der materialets høye termiske ekspansjonskoeffisient (CTE) gjør løsninger med faste rørplater plagsomme.

Bajonettkonstruksjonen (forklart)
Navnet på en PTFE-varmeveksler i bajonettstil stammer fra utseendet til en lyspære eller rørkobling i bajonettstil-, der en del settes inn i en annen og festes på ett enkelt punkt. Bajonettrøret består av to konsentriske rør, det indre røret og det ytre røret, forseglet ytterst i varmevekslerterminologi. Sammenstillingen er plassert i et skall (eller rett inn i en tank) og er bare festet ved innløps-/utløpsenden -vanligvis ved en rørplate eller flens. Den andre enden av stangen er fri til å utvide seg og trekke seg sammen termisk.

Med en bajonettkonfigurasjon er væskeruten vanligvis strukturert som:

Servicevæsken (damp, varmt vann eller kjølevæske) tilføres gjennom det indre røret og strømmer til den forseglede enden.

Væsken snus rundt i den forseglede enden og strømmer tilbake i det ringformede området mellom indre og ytre rør.

Varmen leveres til prosessvæsken på skallsiden (eller tanksiden) gjennom den ytre rørveggen.

Væsken går deretter gjennom det ringformede rommet, ut i samme ende som den kom inn.

Strømningskanalen «inn-og-ut» indikerer at både inntaks- og utløpskontaktene er i samme ende av veksleren. Den frie enden av bajonettrøret er fri bortsett fra ved tetningen og kan bevege seg aksialt.

Store forskjeller med tradisjonelle faste rørplater
I en tradisjonell fast rørplate PTFE varmeveksler er rørene festet i begge ender, med en rørplate i innløpsenden og den andre i utgangsenden. Rørbunten er en integrert del av skallet og skallets-sidedyser er sveiset til skallet. Den mekaniske oppførselen og det enkle vedlikeholdet er ganske annerledes.

Overnatting av termisk belastning
I tillegg er utvidelsen av PTFE 10 til 20 ganger større enn for stål (120 til 150 × 10−6 / grad mot 11 × 10−6 / grad). I et fast rørplatedesign utvider et PTFE-rør på 2 m lengde oppvarmet fra 20 grader til 100 grader seg ca. 12–15 mm. Begge ender er festet, og denne ekspansjonen produserer trykkkrefter som kan spenne PTFE-røret eller skade rørplateskjøtene. For å unngå dette, må en fast rørplate PTFE-veksler enten:

Flytende hode (som gjør at ett rørark kan bevege seg), eller

En ekspansjonsfuge i skallet; alternativt,

Svært korte rørlengder (begrenser kapasiteten til veksleren)

Hvert av disse alternativene legger til kostnader, kompleksitet og mulige lekkasjesteder.

På den annen side er en bajonettstil PTFE varmeveksler i seg selv tolerant for termisk ekspansjon. Den frie enden av bajonettrøret glir aksialt i skallet eller den ytre kappen når PTFE ekspanderer og trekker seg sammen. Behovet for ekspansjonsfuger, flytende hode eller unik materialtilpasning er eliminert. Bajonettformen er spesielt attraktiv for bruksområder som involverer store temperatursvingninger eller hyppige termiske sykler.

Vedlikeholdstilgang og fjerning av pakker
Bajonettdesignen har en stor mekanisk fordel ved at hele rørbunten kan fjernes fra veksleren uten å forstyrre skallets-siderør. Bunten settes inn i skallet i den ene enden og holdes på plass av en enkelt flens eller rørplate. Slik fjerner du bunten for rengjøring, inspeksjon eller utskifting:

Innløps-/utløpsrøret til rørsiden kobles fra.

Fjern flensboltene på bunten.

Bunten trekkes ut fra skallet i aksial retning.

Skallet er på plass, og alt siderør på siden (inkludert dyser, pakninger og koblinger) er intakt.

I en fast rørplatedesign er fjerningen av rørbunten mye mer komplisert. De to endene av skallet må åpnes, og det kan være nødvendig å koble fra dysene på skallsiden eller fjerne hele veksleren fra ledningen. Dette kan være et stort prosjekt for store vekslere på travle prosesssteder.

For tjenester der regelmessig rengjøring er nødvendig (for eksempel begroing av-utsatte overflatebehandlingsbad), er det enkle å fjerne bunter i en bajonettveksler en avgjørende fordel. En bajonettbunt tar bare timer å bli trukket ut, rengjort og satt inn igjen; en fast rørarkbunt kan bety en hel dag eller mer med nedetid.

Termiske problemer med ytelse
Bajonettdesignen har en avveining for termisk ytelse-. Den ringformede strømningsbanen (væske som strømmer i det indre røret og tilbake gjennom ringrommet) gir en dobbel-røreffekt. Det er to grunner til at den totale varmeoverføringskoeffisienten er noe lavere enn en sammenlignbar motstrøms fast rørplatedesign:

Redusert effektiv temperaturforskjell - Strømningsmønsteret er ikke ren motstrøm, men en blanding av motstrøm og parallellstrøm, noe som reduserer log middeltemperaturdifferansen (LMTD).

Lavere hastighet på ringromssiden - For samme totale strømningshastighet kan det ringformede gapet ha lavere hastighet enn et enkelt rør, og dette påvirker filmkoeffisienten.

Imidlertid er denne reduksjonen ofte liten (10-20 %) og motvirkes ofte av muligheten for å bruke lengre rør (siden termisk ekspansjon ikke er en begrensende faktor) og å operere med større hastigheter på skallsiden. I mange overflatebehandlingsapplikasjoner oppveier fordelene med brukbarhet i stor grad den lille effektivitetsulempen.

Materialer og konstruksjon
Bajonettvekslere er populære for grafitt- og PTFE-konstruksjoner da de er sprø eller kryper under stress og disse materialene har betydelig termisk ekspansjon. Bajonettdesignet jobber med materialets kvaliteter, ikke mot dem.

I PTFE-bajonettvekslere er de indre og ytre rørene vanligvis produsert av PTFE eller PFA (perfluoralkoxy). Den forseglede enden er laget ved sveising eller varmesmelting av de to rørene. Den frie enden er åpen og det indre røret går gjennom en rørplate eller hylse. Det ytre røret er forseglet mot rørplaten med en PTFE-pakning eller O--ring som tillater aksial glidning og forhindrer lekkasje.

Det skal bemerkes at den frie enden av bajonettrøret må holdes for å unngå vibrasjoner. I lange bajonettrør (f.eks. . 3-5 m) brukes mellomliggende støtteringer eller ledeplater inne i skallet for å styre det ytre røret uten å hindre aksial bevegelse. Uten denne støtten kan strømningsindusert vibrasjon- forårsake slitasje og for tidlig svikt.

Sammenligningstabell: Bajonett vs fast rørplate PTFE-utveksler Funksjon Bajonettstil PTFE-utveksler Fast rørplate PTFE-utveksler rørfiksering Den ene enden fast, den andre enden fri til å bevege seg Begge ender festet til rørplater
Termisk utvidelse Innkvartering – frie ende lysbilder; ingen ekspansjonsfuge nødvendig Krever flytende hode, ekspansjonsfuge eller ekstremt korte rør
Bunten kan fjernes Enkelt å trekke bunt fra den ene enden uten å forstyrre skallrøret. Vanskelige behov demontering av begge ender Innebærer ofte fjerning av veksler fra ledningen
Dyser i ShellKan forbli festet under fjerning av bunter. Utveksleren må løsnes eller flyttes
Rørsidetilkoblinger Innløp og utløp i samme ende Innløp og utløp på motsatte ender (vanligvis)
Strømningsvei inn og ut via konsentriske rør (dobbel-røreffekt) Rett gjennom (én passasje) eller multi-passering med returpanser
Termisk effektivitet Litt redusert (LMTD-korreksjonsfaktor 0,85–0,95) Høyere (kan få reell motstrøm)
Gjennomsnittlig Maks. Rørlengde Håndtering og vibrasjonsbegrenset termisk spenning Begrenset av termisk ekspansjon (vanligvis 1,5–2,5 m for PTFE uten ekspansjonsfuge)
Begroingstoleranse God, bunten er avtakbar for rengjøringGrei – rengjøring tar ekstra tid ut av drift
Pris for små enheter. Moderat - enkeltrørsplate, ingen ekspansjonsfuge Nedre - Enklere montering for korte rør
Kostnad for store/lange enheter Lavere – ikke behov for kostbare ekspansjonsfuger Høyere – flytende hode eller ekspansjonsskjøt øker kostnadene
Praktisk bruk for bajonett PTFE varmevekslere
Ved kjemisk prosessering og overflatebehandling er bajonettdesign foretrukket for en rekke spesialiserte tilfeller:

Alvorlig termisk syklus - Batchprosedyrer med flere oppvarmings- og avkjølingssykluser av veksleren hver dag. De gratis-glide bajonettrørene tillater denne syklingen uten å bygge opp stress.

Tilgroingstjenester - Bad som etterlater avleiring, slam eller organiske belegg på varmeoverføringsoverflaten. Det er viktig å kunne trekke bunten for mekanisk eller kjemisk rengjøring på regelmessig basis.

Aggressive sure miljøer som trenger PTFE - PTFE er kjemisk inert og spesifisert for aggressive syrer (f.eks. saltsyre, svovelsyre, flussyre). Bajonettdesign reduserer antall tetninger og potensielle lekkasjepunkter på rørsiden.

Begrenset tilgangsplass - Når veksleren må bygges i en grop, mot en vegg eller på et sted hvor tilgang til begge ender ikke kan oppnås. En bajonettveksler betjenes kun i den ene enden.

Ettermonteringsinstallasjoner - Utskifting av en eksisterende fast rørplateveksler med termiske utmattingsproblemer. Grunnårsaken til disse feilene fjernes av bajonettdesignet.

Derimot konkurrerer faste rørplatesystemer fortsatt om:

Små, korte vekslere (rørlengde < 1,5 m) når varmeutvidelse ikke er et problem.

Applikasjoner uten termisk sykling. Veldig rene væsker.

Når ren motstrøm er nødvendig for å maksimere LMTD (f.eks. varmegjenvinning med nær temperaturtilnærming).

Prosjekter med budsjettbegrensninger der den laveste forhåndskostnaden er hoveddriveren.

Installasjons- og driftshensyn
Det er en rekke praktiske aspekter som må tas i betraktning ved spesifikasjon av en bajonetttype PTFE varmeveksler.

Støtte av den frie enden Den frie enden av bajonettrøret skal støttes, men ikke tett festet. Metall-til-PTFE-kontakt forhindres via PTFE-slitehylser eller lav-friksjonsringer.

Tetningsdesign - Glidetetningen for innføring av det ytre røret i rørplaten skal tillate aksial bevegelse uten lekkasje. Vanlige er PTFE-leppetetninger eller O-ringer med fjærspenningsapparater.

Strømningsfordeling - Sørg for at det ringformede gapet er tilstrekkelig stort til å unngå en for stor trykkreduksjon. Spalten er vanligvis 2-5 mm, avhengig av rørdiameter og strømningshastighet.

Rørvibrasjon - Baffler eller støtteplater bør plasseres med 0,5–1,0 meters mellomrom for å unngå virvel-indusert vibrasjon. Støttene skal tillate aksial glidning.

Merk også at bajonettvekslere kan installeres i mange antall i ett enkelt skall. Multi-bajonettdesignen bruker et stort antall bajonettrør i tandem, alle festet til samme rørplate. Dette arrangementet gir et stort område for varmeoverføring og tilgang for vedlikehold kun fra den ene enden.

Konklusjon