Hva er de relative fordelene med enkelt-Pass og Multi-Pass PTFE varmevekslerdesign?

I en PTFE-skall-og-rørveksler, kan rør-sidevæsken passere fra innløp til utgang én gang, eller den kan resirkuleres gjennom bunten flere ganger. Antall passeringer bestemmer væskehastigheten, varmeoverføringseffektiviteten og pumpekraften som kreves. Et fokus er ofte å maksimere rørets -side varmeoverføringskoeffisient, fordi PTFE har en iboende lav termisk ledningsevne (ca. 0,25 W/m·K). Valget av et enkelt-pass eller multi{10}}pass design er imidlertid ikke trivielt-det er en bevisst avveining-mellom varmeoverføringsøkningen og trykkfallsstraffen.

Arrangementer for rørpass forklart
Antall rørpasseringer er antall ganger væsken som passerer gjennom rørene strømmer over lengden av veksleren. Passer produseres ved å plassere skillevegger (passpartisjoner) i kanalen eller panseret i en eller begge ender av veksleren. Disse skillene lar væsken strømme gjennom bare noen av rørene, før de reverserer og strømmer inn i det andre settet med rør.

Enkelt-passkonstruksjon
I en enkelt-pass (1-pass)-veksler kommer væsken på rørsiden inn i kanalen i den ene enden, renner direkte gjennom alle rørene parallelt og går ut i den motsatte enden. Det er ingen innvendige vegger. Dette er den enkleste flytdesignen.

Multi-passdesign (2 pass, 4 pass osv.)
I et arrangement med flere-pass passerer væsken gjennom rørbunten flere ganger. For eksempel, med en 2-pass veksler deles innstrømningskanalen i to deler. Væske introduseres i en del, passerer gjennom halve rørene til den fjerne enden, endrer retning i et returdeksel, passerer tilbake gjennom de resterende rørene og går fra den andre delen av innløpssiden. I en 4-pass veksler gjentas denne operasjonen to ganger.

Antall passeringer er alltid et partall slik at inntaks- og utløpsdysene er på samme ende av veksleren, noe som forenkler rørforbindelsene.

Hovedforskjeller i termisk-hydraulisk oppførsel
Valget av en enkelt- eller flerpass PTFE-varmevekslerdesign påvirkes av innvirkningen på væskehastighet, varmeoverføringskoeffisient, trykkfall og log-middeltemperaturforskjell (LMTD).

Varmeoverføringskoeffisient og væskehastighet
Hastigheten til fluidet i hvert rør er en funksjon av antall rør som er i bruk for hver passasje for en bestemt total rørsidestrømningshastighet. I et enkeltpassdesign er alle rørene aktive samtidig. Strømningsarealet som er tilgjengelig er summen av strømningsarealene til alle rørene. Derfor er hastigheten ganske liten med mindre den totale strømningshastigheten er stor.

I et fler-pass-design drives den samme totale strømmen gjennom per passasje ved å bruke bare en brøkdel av rørene. I en 2--veksler med to identiske rørgrupper inneholder hver passasje halvparten av de totale rørene. Hastigheten i hvert rør dobles i forhold til single-pass scenario (for samme totale strømningshastighet). Hastigheten er firedoblet med en 4 pass konfigurasjon.

Den konvektive varmeoverføringskoeffisienten øker med økningen av Reynolds-tallet på rørsiden på grunn av økningen i hastigheten. Den begrensende hindringen for varmeoverføring er ofte rørets-sidevæskefilm (enten om skall-sidevæsken er en kondenserende damp eller væske med høy-ledningsevne). Siden PTFE-rør allerede har dårlig varmeledningsevne, kan en økning av rørets sidehastighet forbedre den totale varmeoverføringskoeffisienten betraktelig.

Effekter av trykkfall
Høyere hastighetskostnader: Trykkfallet øker med kvadratet av hastighet (omtrent). For en 2-pass design er trykkfallet på rørsiden rundt 4 ganger det for en enkeltpassdesign (hastighet to ganger + ytterligere tap i returpanseret). For en 4-pass design kan trykkfallet være 16 ganger større, pluss store tap i reverseringskamrene.

I praksis er antallet passeringer som benyttes generelt begrenset av tilgjengelig pumpekraft eller tillatt trykktap i prosessledningen. Det vanlige arrangementet for PTFE varmevekslere er 2-pass eller 4-pass. Hvis væsken på rørsiden er en væske med moderat viskositet og pumpen har nok trykkhøyde, er Single-pass design foretrukket med væske på gassrørsiden (hvor trykkfall blir viktigere) eller med allerede høy strømningshastighet.

Korrigering av logggjennomsnittlig temperaturforskjell (LMTD)
En stor forskjell er at multi-passsystemer ikke er ren motstrøm, noe som reduserer den effektive temperaturdrivkraften. LMTD er høyest i en enkeltpassveksler med motstrømsarrangement (fluid på rørsiden i motsatt retning av væske på mantelsiden). I en multi--veksler er strømningsmønsteret nær blandet eller kryssstrøm, og en korreksjonsfaktor (noen ganger kalt F) brukes på motstrøms LMTD.

For en 2--veksler ligger LMTD-korreksjonsfaktoren normalt i området 0,95 til 0,99 for de fleste driftssituasjoner - en liten reduksjon. For 4-pass vekslere kan faktoren være så lav som 0,90-0,95. For kryssapplikasjoner med høye temperaturer (hvor inntaks- og utgangstemperaturene er svært nære) kan korreksjonsfaktoren være betydelig lavere enn 1 ettersom fordelene med høyere hastighet kan oppheves. Dermed er multi-pass design mest vellykket for beskjedne temperaturendringer på rørsiden.

Viktigheten av PTFE varmeveksler
Siden PTFE har lav termisk ledningsevne, er rørets-sidefilmmotstand ofte den dominerende for den totale varmeoverføringen. Derfor er et av de viktige designmålene å forbedre rørets-sidekoeffisient. Multi-pass design oppnår dette uten å kreve en større total strømningshastighet fra anleggspumpen, noe som gjør dem ønskelige for ettermontering eller der strømningshastigheten er fast.

Imidlertid er PTFE-slanger mekanisk myke og kan vibrere ved høye strømningshastigheter. Overdreven hastighet kan produsere rørfladder og føre til gnaging mot bafler eller skade på rørplaten. For PTFE-rør er typiske foreslåtte rørsidehastigheter 0,5 til 2,0 m/sek. (1,6 til 6,6 fot/sek.). Et multi-passdesign som øker hastigheten fra 0,5 m/s til 1,0 m/s er bra, men å øke den til 3,0 m/s kan forårsake mekaniske problemer. Antall passeringer bør velges for å holde hastigheten innenfor området spesifisert av produsenten.

Varmeoverføringsfordelene bør også balanseres mot pumpekostnadene. En prosesspumpe er allerede tilgjengelig for tanksirkulasjon. Trykkfallet til en multi--PTFE-veksler kan være akseptabelt i mange overflatebehandlingsprosesser. Alternativt kan en enkeltpassasjedesign med et større skall (flere rør i parallell) oppnå samme funksjon ved lavere trykkfall, men høyere kapitalkostnader.

Sammenligningstabell: Enkelt-Pass versus Multi-Pass PTFE varmevekslere
Tabellen nedenfor viser typisk ytelsesstatistikk for en fast total rør-sidestrømningshastighet og fast varmeoverføringsområde. Verdiene er representative; faktisk ytelse vil stole på detaljer om størrelse og væskeegenskaper.

Antall rørpasseringer Relativ rørhastighet* Relativ rør-Sidevarmeoverføringskoeffisient** Relativt trykkfall (rørside) LMTD-korreksjonsfaktorområde Typiske bruksområder
1 (Enkelt-Pass) 1,0 (grunnlinje) 1,0 (grunnlinje) 1,0 (grunnlinje) 1,00 (tenkt med ren motstrøm) Væsker med høy strømningshastighet; gasser; lavtrykksfallsystemer
2 (To-bestått) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99God balanse Mest utbredt for PTFE-væskevekslere
4 (Fire-Pass) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Høyviskositetsvæsker eller ekstremt høy U-verdi kreves; sjekk pumpekostnaden
6 eller 8 Bestått 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Sjelden; bare med væsker med lav viskositet og høy tillatt ΔP-hastighet i forhold til enkeltpasseringsdesign med samme antall rør og strømningshastighet. Estimert for turbulent eller overgangsstrøm. Virkelig forbedring avhenger av Reynolds talleksponent (vanligvis h ~ v^0,8 for turbulent flyt).

Praktiske vurderinger i overflatebehandling
I mange overflatebehandlingsapplikasjoner (plettering, anodisering, beising) er væsken på rørsiden ofte selve prosessbadet, en sur eller alkalisk løsning som inneholder suspenderte partikler eller oppløste metaller. Følgende praktiske retningslinjer gjelder:

Høye strømningshastighetssirkulasjoner i badet for tankblanding eller filtrering forårsaker ofte enkelt-pass design. Under slike omstendigheter kan hastigheten allerede være tilstrekkelig, og flere passeringer vil bare øke trykkfallet uten en tilsvarende økning i varmeoverføring.

To-pass-designen er den mest brukte PTFE-varmevekslerdesignen for pletteringslinjer av beskjeden størrelse. Varmeoverføringen økes betraktelig mens trykkfallet holdes innenfor grensene til de vanlige sentrifugalpumpene (normalt 1–3 bar tap).

Fire-passdesign brukes når det tilgjengelige varmeoverføringsarealet er begrenset (for eksempel en ettermontert veksler som må passe inn i eksisterende plass) og pumpen har reservehode. De brukes også til oppvarming av viskøse væsker som konsentrert fosforsyre eller andre kjemiske prosessbad.

Det nevnes også at det optimale antallet rørpasseringer påvirkes av utformingen av skallets-side. Hvis skall-sidevæsken er kondensering av damp (som har en veldig høy varmeoverføringskoeffisient) dominerer rørets-sidemotstand og multi-passdesign er svært fordelaktig. Hvis væsken på skallsiden er et kjølevann med lav koeffisient, vil det å forbedre rørsiden kanskje ikke gi en vesentlig total fordel.

Designeksempel: Hvor mange pass å velge
Vurder en PTFE-varmeveksler som oppvarmer et nikkelbeleggsbad fra 55 grader C til 60 grader C ved å bruke damp på skallsiden. Varmeeffekten som kreves er 100 kW. Sirkulasjonspumpen kan sirkulere en badevæske på 30 m3/t via veksleren. Foreløpig enkeltpassdesign med 200 rør med 6 mm ID gir en rørsidehastighet på 0,5 m/s, trykkfall på 0,3 bar og en beregnet total varmeoverføringskoeffisient (U) på 200 W/m2.K. Nødvendig areal er 12 m².

2-pass design (100 rør/pass) dobler hastigheten til 1,0 m/s. Rørsidekoeffisienten stiger med nesten 40 %, noe som gir en U på 260 W/m2K. arealet som kreves reduseres til 9,2 m2 (mindre, billigere veksler). Trykktapet øker til omtrent 1,2 bar som fortsatt er innenfor pumpens kapasitet. 2-pass design er absolutt bedre.

For en 4-pass konfigurasjon (50 rør hver passasje), er hastigheten 2,0 m/s og U økes til ca. 300 W/m2.K. Nødvendig areal 8 m2 Trykkfallet blir imidlertid ca. 5 bar, noe som kan være større enn pumpehodet eller føre til høyt energiforbruk. Justeringsfaktoren for LMTD er 0,93, noe som reduserer den faktiske drivkraften noe. I dette scenariet er det ideelle kompromisset 2-pass design.

Siste ord