Hvordan påvirker røroppsettmønsteret (trekantet vs. kvadratisk) skall-sidestrømning og varmeoverføring i en PTFE-veksler?

Når væske fra skall-siden passerer over en bunt med PTFE-rør, påvirker mønsteret til rørene – kalt "pitch"-mønsteret – om strømmen går i sikksakk turbulent eller flyter med mindre motstand. Layoutvalget er en grunnleggende og lang-operativ beslutning. Ingeniører som utvikler eller spesifiserer en PTFE-varmeveksler, må sette pris på-avveiningene mellom trekant- og firkantede mønster for å balansere varmeoverføringsytelse mot langsiktig vedlikehold.

Geometri av rørarrangementer
Røroppleggsmønstre beskrives som posisjonen til rørsentrene i forhold til strømningsretningen på skallsiden. De mest populære arrangementene er trekantstigningen (inkludert den roterte trekanten) og firkantstigningen (inkludert den dreide firkanten). Under alle omstendigheter er rørstigningen--avstanden senter-til-senter mellom tilstøtende rør vanligvis 1,25 til 1,5 ganger rørets ytre diameter. Avstanden er utformet for å gi passende mekanisk styrke, for å hindre kontakt med rørene, og for å tillate væsken som strømmer gjennom bunten fra skallsiden.

Pitch ( forskjøvet ) Trekantet
I en trekantstigning er hvert rør i den andre raden forskjøvet med en halv stigning fra den første raden. Dette fører til en forskjøvet layout slik at strømningsrutene ikke er i en rett linje gjennom hele bunten. Skall-sidevæsken tvinges til å slange seg mellom rørene, og endrer kontinuerlig retning.

Nøkkelfunksjoner:

Flere rør per enhet med skalltverrsnitt- (høyere rørtetthet)

Større turbulens i strømmen

Økt trykkfall på skallet-

Mye større koeffisient for varmeoverføring

Firkantet (innebygd) tonehøyde
Rørene er i en firkantet stigning, arrangert i rader og kolonner, og danner rette korridorer eller baner i retning av skjell-sideflyt. Væske kan gå gjennom disse passasjene praktisk talt uhindret.

Nøkkelfunksjoner:

Lavere rørtetthet (færre rør for samme skalldiameter)

Turbulens med redusert strømning

trykkfall på nedre skallside

Lavere varmeoverføringskoeffisient (for lignende massestrømningshastighet)

Baner for mekanisk rengjøring med direkte tilgang

Effekten av skallet-Sidestrøm og varmeoverføring
Den trekantede stigningen ødelegger laminære grenselag og induserer kontinuerlig kjølvannsblanding. Væsken beveger seg ikke i jevne strømmer, men treffer, separeres og festes til rørene igjen. Slik kaotisk bevegelse øker varmeoverføringen ved konveksjon ved røroverflatene. For en gitt strømningshastighet på skallsiden, kan varmeoverføringskoeffisienten til en trekantet-pitchbunt være 20–30 % høyere enn for en lik kvadratisk-pitchbunt.

Det negative er trykkfallet. Turbulens som øker varmeoverføringen bruker også pumpeenergi. I mange applikasjoner av PTFE-vekslere der væsker på skallsiden vanligvis er vann, damp eller rene kjølemedier, er den svake økningen i trykktapet akseptabel.

Den lineære layouten opprettholder rene flytbaner i kvadratisk tonehøyde. Væsken på skallsiden akselererer også i de trange gapene mellom rørene, men strømmen er mer laminær eller overgangsbestemt med mindre kryss-blanding. Som et resultat senkes varmeoverføringskoeffisienten. For samme termiske bruk kan en kvadratisk-bunt trenge en større skalldiameter eller en lengre rørlengde.

Sammenligning av rørtetthet
Ved en trekantet stigning kan du ha ca 15 % flere rør i samme skalldiameter som ved en firkantet stigning. Dette er en konsekvens av effektiviteten av pakking. For PTFE-vekslere er rørveggene ofte ganske tykke og har lav varmeledningsevne (sammenlignet med metallrør), og derfor er det ofte ønskelig å maksimere antallet rør for å kompensere for den iboende termiske motstanden til PTFE. Trekantet layout øker varmeoverføringsoverflaten uten å øke skallstørrelsen.

Mekanisk rengjøringstilgang, et stort langsiktig problem
Den store langsiktige vurderingen er tilgang for rengjøring. Kapasiteten til å fjerne tilsmussing fra skallsiden av en veksler vil avgjøre om enheten kan gjenopprettes til sin tidligere ytelse etter måneder eller år med bruk.

I den trekantede stigningen tillater ikke den forskjøvede geometrien direkte, uhindrede siktlinjer gjennom bunten. Mekaniske rengjøringsinstrumenter, som spinnende lanser, høytrykksvannstråler eller stålbørster, kan ikke mates mellom rørene. For en trekantet-bekbunt er den eneste måten å rengjøre på kjemisk rengjøring (sirkulerende syrer, løsemidler eller vaskemidler). Kjemisk rengjøring er effektivt for å fjerne mange typer begroing (avleiringer, organiske avleiringer, lett slam), men harde, vedvarende avleiringer eller de som ikke løses opp i trygge kjemikalier kan behandles mindre vellykket.

En firkantet stigning gir fri adkomst med rette korridorer mellom rørrekkene. En mekanisk renselanse kan kjøres gjennom skallsiden, vanligvis fra den avtakbare kanalenden, for å sprenge eller børste avleiringer av rørene. Square pitch er standardvalget når væsken fra skallet- er kjent for å tilsmusse kraftig-for eksempel urent kjølevann, polymeriserende prosessstrømmer eller væsker som inneholder suspenderte partikler som baker seg på overflater.

Applikasjon i varmevekslere-i PTFE
For korrosiv drift på rørsiden (væske inne i rørene), er PTFE varmevekslere mest typisk spesifisert. PTFE-rør tåler skade av sterke syrer, alkalier og organiske løsemidler. I mange anlegg transporterer skallsiden en ren bruksvæske som kjølevann, damp eller varmeoverføringsolje. Tilsmussingen er lav siden væsken på skallets-side generelt er rene. Som et resultat er triangulær stigning utbredt i PTFE-vekslere. Forbedrer ytelsen direkte med en høyere varmeoverføringskoeffisient og økt rørtetthet uten rengjøringsstraff.

Imidlertid eksisterer et annet problem når den etsende eller begroende væsken må være på skallsiden. Dette skjer i enkelte prosessarrangementer -- f.eks. hvor skallsiden må åpnes for inspeksjon, eller hvor rørsiden er reservert for en ren væske for å redusere trykkfallet. Hvis væsken på skallsiden blir smuss, er en firkantet stigning sterkt foretrukket. Tapet i termisk ytelse oppveies av kapasiteten til mekanisk å rengjøre utsiden av PTFE-rørene under årlige vedlikeholdsbrudd.

Avveiningen i et nøtteskall
Triangular Pitch FeaturePitch Square
Rørtetthet Høyere (~15 % flere rør) Ned.
Turbulens på skallsiden Høy (strøm forskjøvet) Lav til moderat (parallelle baner)
Koeffisient for varmeoverføring Høyere Lavere
Trykkfall på skallsiden Høyere Lavere
Mekanisk rengjøringstilgang.Ingen (kun kjemisk rengjøring) God (direkte tilgangsveier)
Vanlig bruk av PTFE varmevekslere Ren væske (vann, damp, olje) på skallsiden Tilsmussing av Shell-Side Fluid
Faktisk er valget mellom trekant og kvadratisk stigning for et PTFE-vekslerrør layoutmønster trekantet kvadrat sjelden et spørsmål om ren overlegenhet. Det er en avveining mellom ytelse og vedlikehold. Den trekantede formen gir en mer kompakt og effektiv veksler for rent skall-sidebruk. Det firkantede mønsteret kompromitterer litt termisk ytelse for å få muligheten til å gjenopprette ytelsen ved å bruke en lanse eller børste for begroing.

Effekten av layout på livssykluskostnadene til PTFE-vekslere
I tillegg til de umiddelbare termiske og hydrauliske problemene, påvirker rørlayoutmønsteret de totale eierkostnadene. En trekantet-bekveksler kan ha en billigere førstepris (mindre skall for samme overflate) og lavere driftsenergi (bedre varmeoverføringseffektivitet), men hvis skallsiden blir dårlig og kjemisk rengjøring ikke gjenoppretter ytelsen, kan det hende at enheten må skiftes ut for tidlig. En kvadratisk-pitch-veksler kan derimot ha et større skall og en høyere startkostnad, men den kan rengjøres mekanisk gjentatte ganger, og dermed forlenge levetiden til det uendelige.