Πώς συγκρίνεται ένας εναλλάκτης θερμότητας πλάκας-και-πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE με μια μονάδα PTFE με κέλυφος-και-σωλήνας;

Οι εναλλάκτες-και-σωλήνων κυριαρχούν στη διαβρωτική λειτουργία, αλλά οι εναλλάκτες πλακών{-και-πλαισίων με παρεμβύσματα φθοριοπολυμερούς παρέχουν μια συναρπαστική εναλλακτική. Η βασική τους γεωμετρία οδηγεί σε ξεχωριστά χαρακτηριστικά απόδοσης που μπορεί να είναι χρήσιμα σε ορισμένες εφαρμογές. Για καθαρά υγρά διεργασίας μέτριας πίεσης, η σχεδίαση πλάκας{-και-πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE μπορεί να προσφέρει καλύτερη απόδοση μεταφοράς θερμότητας και δραματικά χαμηλότερο αποτύπωμα από έναν τυπικό εναλλάκτη κελύφους και{{9} PTFE.

Επισκόπηση σχεδίασης πλάκας και πλαισίου εναντίον κελύφους και σωλήνων
Οι εναλλάκτες θερμότητας πλάκας-και-πλαισίου αποτελούνται από μια διαδοχή κυματοειδών μεταλλικών πλακών συμπιεσμένων μεταξύ τους σε ένα πλαίσιο. Κάθε πλάκα έχει ένα παρέμβυσμα (σε αυτή την περίπτωση PTFE ή οποιοδήποτε άλλο φθοριοπολυμερές) που σφραγίζει τα κανάλια ροής και κατευθύνει τα ζεστά και κρύα υγρά σε εναλλακτικές διαδρομές. Τα υγρά ρέουν μέσω των λεπτών ελικοειδών διαστημάτων μεταξύ των πλακών με κατεύθυνση αντίθετης-ρεύματος ή εγκάρσιας- ροής. Οι αυλακώσεις ενθαρρύνουν τους στροβιλισμούς ακόμη και σε χαμηλές ταχύτητες ροής, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά τη μετάδοση θερμότητας.

Οι εναλλάκτες θερμότητας με κέλυφος PTFE-και-(όπως περιγράφεται λεπτομερώς σε άλλα άρθρα) αποτελούνται από μια δέσμη σωλήνων PTFE που στεγάζονται σε μεταλλικό ή πλαστικό κέλυφος. Το ρευστό υπηρεσίας ρέει από την άλλη πλευρά και το διαβρωτικό ρευστό ρέει μέσα από τους σωλήνες (ή γύρω από αυτούς). Τα τοιχώματα του σωλήνα PTFE είναι κάπως παχιά, επομένως η μεταφορά θερμότητας γίνεται με αγωγιμότητα. Η ροή είναι γενικά στρωτή ή χαμηλή-αναταράξεις εκτός εάν χρησιμοποιούνται υψηλές ταχύτητες .

Η κύρια διαφορά είναι η ουσία της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας. Στην κατασκευή της πλάκας-και-του πλαισίου, οι πλάκες είναι μεταλλικές (συνήθως από ανοξείδωτο χάλυβα, Hastelloy, τιτάνιο ή άλλα κράματα) και μόνο τα παρεμβύσματα είναι PTFE. Το υγρό διεργασίας έρχεται σε επαφή με τις μεταλλικές πλάκες και τις φλάντζες PTFE. Η μονάδα κελύφους PTFE-και-του σωλήνα έχει όλες τις βρεγμένες επιφάνειες από PTFE, το οποίο έχει γενική αντοχή στη διάβρωση αλλά σημαντικά χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Θερμική απόδοση: Υψηλότερες τιμές U-που επιτυγχάνονται λόγω της γεωμετρίας της πλάκας
Ο εναλλάκτης πλακών και πλαισίου έχει το μεγαλύτερο πλεονέκτημα στο συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (τιμή U-). Αυτό οφείλεται σε μια σειρά αιτιών.

Λεπτές μεταλλικές πλάκες - Το πάχος των πλακών είναι συνήθως 0,5 έως 1,0 mm έναντι τοιχωμάτων σωλήνα PTFE 1,0 έως 2,0 mm. Τα μέταλλα (ανοξείδωτος χάλυβας ~15 W/m·K, τιτάνιο ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) μεταδίδουν τάξεις μεγέθους θερμότητας καλύτερα από το PTFE (~0,25 W/m·K). Η μεταλλική πλάκα είναι πολύ καλύτερος αγωγός της θερμότητας ακόμη και αν ληφθεί υπόψη η αντίσταση των στεγανοποιήσεων στεγανοποίησης PTFE (που αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό κλάσμα της συνολικής επιφάνειας).

Υψηλός στροβιλισμός - Ο σχεδιασμός της κυματοειδούς πλάκας προκαλεί υψηλές τοπικές αναταράξεις. Αυτό διαταράσσει τα οριακά στρώματα και μειώνει σημαντικά την αντίσταση μεταφοράς και στις δύο πλευρές των ρευστών. Στα συστήματα PTFE με κέλυφος-και-σωλήνων, η ροή σε σωλήνες PTFE μικρής-διαμέτρου είναι συνήθως στρωτή, εκτός εάν χρησιμοποιείται σημαντική ισχύς άντλησης και η πλευρική ροή του κελύφους- είναι επίσης σχετικά ήπια.

Τα συστήματα πραγματικού μετρητή-ροής ρεύματος - Πλάκα-και-πλαισίου μπορούν να παράγουν σχεδόν τέλεια αντίθετη-ροή ρεύματος, μεγιστοποιώντας τη διαφορά μέσης θερμοκρασίας καταγραφής (LMTD). Οι εναλλάκτες PTFE κελύφους και σωλήνων συνήθως ρυθμίζονται σε διαμορφώσεις εγκάρσιας ροής ή μικτής ροής που είναι λιγότερο θερμοδυναμικά αποδοτικοί.

Στην πράξη, για το ίδιο ζεύγος υγρών, ένας εναλλάκτης θερμότητας πλάκας-και-πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE αναμένεται να έχει συνολική τιμή U-τρεις έως πέντε φορές υψηλότερη από αυτή μιας μονάδας κελύφους PTFE-και-. Στην υπηρεσία νερού-ένας εναλλάκτης πλακών μπορεί να αποκτήσει 3.000-5.000 W/m²·K, ενώ μια μονάδα κελύφους-και σωλήνα PTFE μπορεί να φτάσει μόνο τα 200-400 W/m²·K. Στις διαβρωτικές χημικές υπηρεσίες το όφελος είναι ακόμα μεγάλο, αλλά οι απόλυτες τιμές εξαρτώνται από την ποιότητα του ρευστού και τις τάσεις ρύπανσης.

Footprint & Weight: Plate Design Compactness
Η τιμή U-είναι πολύ μεγαλύτερη, επομένως ένας εναλλάκτης πλάκας-και-πλαισίου απαιτεί πολύ μικρότερη επιφάνεια για να μεταδώσει μια δεδομένη λειτουργία θερμότητας. Το αποτύπωμα που προκύπτει είναι συνήθως το ένα-ένα τρίτο έως ένα-ένα πέμπτο ενός εναλλάκτη θερμότητας κελύφους και σωλήνα PTFE με την ίδια θερμική απόδοση. Το βάρος μειώνεται επίσης σημαντικά, καθώς το πακέτο πλάκας είναι πολύ ελαφρύτερο από μια δέσμη σωλήνων PTFE με μεταλλικό περίβλημα.

Η συμπαγής σχεδίαση της πλάκας-και-του πλαισίου είναι ένα ξεχωριστό πλεονέκτημα για εφαρμογές όπου ο χώρος είναι υψηλότερος, όπως η εκ των υστέρων τοποθέτηση σε υπάρχουσες ολισθήσεις διεργασιών, υπεράκτιες πλατφόρμες ή αρθρωτές χημικές εγκαταστάσεις. Ένας εναλλάκτης κελύφους PTFE-και-της παρόμοιας λειτουργίας θα μπορούσε να έχει μήκος πολλών μέτρων και να καταλαμβάνει σημαντική επιφάνεια δαπέδου, ενώ ένας εναλλάκτης πλακών μπορεί να εγκατασταθεί κατακόρυφα ή οριζόντια σε ένα μέρος αυτού του χώρου.

Περιορισμοί σε πίεση και θερμοκρασία
Οι μονάδες κελύφους και σωλήνων (μεταλλικό κέλυφος) από PTFE μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μέτριες έως υψηλές πιέσεις, συνήθως 6-10 bar στην πλευρά του σωλήνα, 10-20 bar στην πλευρά του κελύφους, ανάλογα με το σχέδιο. Οι σωλήνες PTFE είναι περιορισμένης πίεσης, αλλά το μεταλλικό περίβλημα είναι στιβαρά περιορισμένο. Οι σωλήνες PTFE μπορούν να ανεχθούν θερμοκρασίες από 110 έως 120 βαθμούς. Σωλήνωση PFA, 150 έως 180 μοίρες.

Ισχύουν πιο αυστηρά όρια για τους εναλλάκτες πλακών-και-πλαισίων με παρεμβύσματα PTFE:

Πίεση – Οι φλάντζες πρέπει να συμπιέζονται αρκετά ώστε να σφραγίζονται στις πλάκες. Η απαιτούμενη δύναμη σύσφιξης αυξάνεται με την αύξηση της εσωτερικής πίεσης και η πιθανότητα εξώθησης ή διαρροής του παρεμβύσματος αυξάνεται. Οι τυπικές μέγιστες πιέσεις λειτουργίας για PTFE-εναλλάκτες πλακών με φλάντζα είναι 6-10 bar (85-145 psi), ενώ ορισμένα συστήματα έχουν ονομαστική τιμή στα 15 bar. Οι υψηλότερες πιέσεις χρειάζονται παχύτερες πλάκες, βαρύτερα πλαίσια και συγκεκριμένα σχήματα φλάντζας, κάτι που αυξάνει τα έξοδα.

Οι φλάντζες PTFE θερμοκρασίας - αρχίζουν να σέρνονται και χάνουν τη στεγανωτική τους δύναμη πέρα ​​από περίπου 150 έως 180 βαθμούς . Αυτό εξαρτάται από τον βαθμό φθοροπολυμερούς που χρησιμοποιείται (PTFE, PFA ή τροποποιημένο PTFE). Η λειτουργία άνω των 160 μοιρών δεν συνιστάται συνήθως για συνεχή λειτουργία. Ορισμένα σχέδια κελύφους PTFE-και{-σωλήνων (με σωλήνες PFA) μπορούν να λειτουργήσουν έως και 180-200 μοίρες, αλλά τα πραγματικά όρια είναι συχνά χαμηλότερα.

Για διαβρωτικές υπηρεσίες σε υψηλή πίεση ή υψηλή θερμοκρασία, η μονάδα PTFE κελύφους και σωλήνα μπορεί να είναι η μοναδική επιλογή. Για ήπιες συνθήκες (π.χ.. 5 bar και 100 μοίρες) ο εναλλάκτης πλακών είναι απολύτως κατάλληλος.

Αντοχή στη διάβρωση: Κράμα έναντι πλακών πλήρους φθοροπολυμερούς
Οι εναλλάκτες κελύφους και σωλήνων PTFE είναι γενικά ανθεκτικοί στη διάβρωση. Το PTFE είναι σχεδόν εντελώς αδρανές σε όλες τις ουσίες εκτός από λιωμένα αλκαλικά μέταλλα και στοιχειακό φθόριο σε υψηλή θερμοκρασία. Ως εκ τούτου, είναι κατάλληλα για μικτά οξέα υψηλής επιθετικότητας, aqua regia, ισχυρό νιτρικό οξύ και άλλα υγρά που θα μπορούσαν να επιτεθούν στα περισσότερα μέταλλα.

Οι εναλλάκτες πλάκας-και-πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE εξαρτώνται από τις μεταλλικές πλάκες για κύρια αντιδιαβρωτική προστασία. Οι φλάντζες είναι το μόνο εξάρτημα από PTFE. Ως εκ τούτου, το υλικό της πλάκας πρέπει να επιλεγεί ώστε να αντέχει στο συγκεκριμένο ρευστό διεργασίας. Ακολουθούν ορισμένες κοινές επιλογές:

Ανοξείδωτος χάλυβας (304/316) – Μόνο για ήπια οξέα και ουδέτερα διαλύματα.

Hastelloy C-276 ή B-3 - Εξαιρετική αντοχή στο υδροχλωρικό οξύ, το θειικό οξύ και τις αναγωγικές συνθήκες. Προσβάλλεται από ισχυρά οξειδωτικά οξέα.

Τιτάνιο (Βαθμός 2, Βαθμός 7) - Εξαιρετική αντοχή σε οξειδωτικά οξέα (νιτρικό, χρωμικό) και χλωριούχα. Θα προσβληθεί από υδροφθορικό οξύ και μερικά αναγωγικά οξέα.

Ζιρκόνιο ή ταντάλιο - Εξωτικά κράματα για δύσκολες συνθήκες, αλλά πολύ ακριβά.

Ο εναλλάκτης πλακών μπορεί να είναι μια οικονομικά αποδοτική λύση εάν το ρευστό διεργασίας είναι συμβατό με ένα προσβάσιμο κράμα πλακών (π.χ. τιτάνιο για νιτρικό οξύ, Hastelloy για HCl). Ωστόσο, όταν το υγρό περιλαμβάνει πολλά εχθρικά είδη (π.χ. μικτό οξύ με οξειδωτικά και αναγωγικά συστατικά), κανένα μέταλλο δεν μπορεί να είναι αποδεκτό. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η μονάδα κελύφους PTFE-και{-με την καθολική αντίσταση είναι η ασφαλέστερη επιλογή.

Ρύπανση, Καθαρισμός, Συντήρηση
Οι εναλλάκτες πιάτων-και-πλαισίων μπορούν απλά να αποσυναρμολογηθούν για καθαρισμό. Οι πλάκες αφαιρούνται μία προς μία και μπορούν να καθαριστούν μηχανικά (βούρτσισμα, πλύση με πίεση) ή χημικά. Αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα για υπηρεσίες που δημιουργούν μαλακή ή κολλώδη ρύπανση. Ωστόσο, οι μικροσκοπικοί πόροι μεταξύ των πλακών (συνήθως 2-5 mm) είναι ευαίσθητοι στο γέμισμα από σωματίδια, ίνες ή κρυσταλλοποιητικές ουσίες. Ένας εναλλάκτης πλακών χρειάζεται ένα καλά κατασκευασμένο φίλτρο ή φίλτρο ανάντη για να αφαιρεί σωματίδια μεγαλύτερα από περίπου 1 mm.

Οι εναλλάκτες κελύφους PTFE-και{-του σωλήνα προσφέρουν μεγαλύτερα κανάλια ροής (εσωτερικές διάμετροι σωλήνων συχνά 5–15 mm) και είναι λιγότερο επιρρεπείς σε βούλωμα. Η λεία επιφάνεια PTFE χαμηλής τριβής εμποδίζει επίσης την προσκόλληση πολλών εναποθέσεων (βλ. άρθρο για την επιφανειακή ενέργεια). Αλλά είναι πιο δύσκολο να καθαριστεί." Ο καθαρισμός των εσωτερικών σωλήνων γίνεται μηχανικά (ειδικά όργανα – βούρτσες σωλήνων) και συχνά χημικά. Οι σωλήνες δεν μπορούν να αφαιρεθούν ένας προς έναν για έλεγχο, πρέπει να αφαιρεθεί ολόκληρη η δέσμη από το κέλυφος.

Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα του εναλλάκτη πλακών είναι ότι εάν μια φλάντζα χαλάσει ή μια πλάκα διαβρωθεί, οι μεμονωμένες πλάκες και φλάντζες μπορεί να αντικατασταθούν σε λίγες ώρες. Σε μια μονάδα κελύφους PTFE-και-του σωλήνα, εάν ένας σωλήνας αποτύχει, ο σωλήνας μπορεί να πρέπει να βουλώσει (χαμηλώνοντας την επιφάνεια) ή ολόκληρη η δέσμη σωλήνων μπορεί να πρέπει να αντικατασταθεί, μια δαπανηρή και χρονοβόρα εργασία-.

Τυπικές εφαρμογές για κάθε τεχνική
Οι εναλλάκτες πλακών-και-πλαισίων με παρεμβύσματα PTFE χρησιμοποιούνται συχνά σε καθαρές υπηρεσίες κοινής ωφέλειας (νερό-νερό, νερό-γλυκόλη, ατμός χαμηλής πίεσης) όπου το υγρό δεν είναι υπερβολικά διαβρωτικό. Εμφανίζονται σε εφαρμογές χημικών διεργασιών σε:

Ψύξη αραιών οξέων (π.χ.. 10% θειικό οξύ) όπου είναι κατάλληλο το τιτάνιο ή ο ανοξείδωτος χάλυβας.

Τα λουτρά επιμετάλλωσης χρησιμοποιούνται με καλό φιλτράρισμα και μέτριες θερμοκρασίες.

Ανάκτηση θερμότητας από σχετικά καθαρά διαβρωτικά ρεύματα.

Οι εναλλάκτες κελύφους PTFE-και-σωλήνων είναι η προτιμώμενη επιλογή για υπηρεσίες υψηλής διαβρωτικότητας, οξειδωτικού οξέος ή σωματιδίων-με φορτωμένο οξύ όπως:

Γραμμές τουρσί με μικτό οξύ (HNO3+HF)

Ζεστό συκ. υδροχλωρικό οξύ.

Aqua regia και άλλα σκληρά μείγματα.

Επεξεργασία άχρηστων οξέων με μεταβαλλόμενη σύνθεση υγρών

Πίνακας σύγκρισης: Plate & Frame vs Shell & Tube (PTFE)
Δυνατότητα πλάκας και πλαίσιο με PTFE PTFE Shell & Tube παρεμβύσματα
Συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (-τιμή) Υψηλός (3-5× μεγαλύτερος από το κέλυφος-και του σωλήνα) Χαμηλό (περιορισμένη αγωγιμότητα PTFE)
Αποτύπωμα (ανά καθήκον) (1× γραμμή βάσης) ΜικρόΜεγάλο (3–5 φορές μεγαλύτερο)
Μέγιστη παρατεταμένη πίεση 6-10 bar (υψηλότερη με συγκεκριμένο σχεδιασμό) 6-10 bar στην πλευρά του σωλήνα (το μεταλλικό κέλυφος μπορεί να είναι υψηλότερο)
Μέγ. συνεχής θερμοκρασία 150–180 μοίρες (φλάντζα-περιορισμένη) 110–120 μοίρες (σωλήνες από PTFE). 150–180 μοίρες (σωλήνες PFA)
Η αντοχή στη διάβρωση εξαρτάται από τα παρεμβύσματα PTFE από κράμα πλάκας Universal (PTFE ή PFA σε όλες τις υγρές επιφάνειες)
Ευαισθησία στα σωματίδια σκόνης Υψηλή (λεπτά κενά που τείνουν να βουλώνουν) Χαμηλή (μεγαλύτερες διαμέτρους σωλήνων, λεία επιφάνεια)
Εύκολο στη συντήρηση Πολύ καλό (οι πλάκες μπορούν να αφαιρεθούν και να βουρτσιστούν) Δίκαιο (χρειάζεται χημικό καθαρισμό ή βούρτσισμα με σωλήνα)
Δυνατότητα επισκευής Υψηλή (μεμονωμένες πλάκες και φλάντζες με δυνατότητα αντικατάστασης) Περιορισμένη (βούλωμα σωλήνα ή αντικατάσταση δέσμης)
Πρώτο κόστος (π.χ. καθήκον) Καθαρές, μέτριες υπηρεσίες χαμηλότεροΚαλύτερη γενική αντοχή στη διάβρωση
Τυπικές εφαρμογές • Καθαρά αραιά οξέα • Λουτρά επιμετάλλωσης • Χρησιμοποίηση νερού Επιθετικά μικτά οξέα, οξειδωτικά οξέα, ρεύματα αποβλήτων διαφορετικής σύνθεσης
Οδηγός απόφασης: Επιλογή του σωστού εναλλάκτη
Η απόφαση για έναν εναλλάκτη πλακών και πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE ή μονάδα κελύφους και σωλήνα PTFE θα πρέπει να εξαρτάται από την καθαριότητα, τη διαβρωτικότητα, την πίεση και τη διαθέσιμη περιοχή για το υγρό.

Επιλέξτε έναν εναλλάκτη πλάκας-και-αν:

Το υγρό διεργασίας είναι καθαρό και τα σωματίδια είναι μικρότερα από 1 mm (ή παρέχεται κατάλληλο φιλτράρισμα).

Το υγρό είναι συμβατό με κράμα μετάλλων μέτριας τιμής (ανοξείδωτο ατσάλι, τιτάνιο, Hastelloy) στη θερμοκρασία λειτουργίας.

Η πίεση λειτουργίας είναι κάτω από 10 bar και η θερμοκρασία είναι κάτω από 150 βαθμούς.

Ο χώρος είναι περιορισμένος και ένα συμπαγές αποτύπωμα είναι σημαντικό.

Πολύ σημαντική είναι η ευκολία αποσυναρμολόγησης και καθαρισμού.

Ο εναλλάκτης θα χρησιμοποιηθεί για ανάκτηση θερμότητας ή για καθήκοντα χρησιμότητας αντί για άμεση επαφή με πολύ δραστικά μικτά οξέα.

Επιλέξτε έναν εναλλάκτη θερμότητας με κέλυφος-και-σωλήνας από PTFE όταν:

Το υγρό αποτελείται από ισχυρά οξειδωτικά οξέα (νιτρικό, χρωμικό) ή συνδυασμένα οξέα που θα μπορούσαν να προσβάλουν οποιοδήποτε μέταλλο.

Η ρευστή σύνθεση είναι απρόβλεπτη ή κακώς χαρακτηρισμένη, επομένως υπάρχει κίνδυνος στην επιλογή κράματος.

Το υγρό περιέχει σωματίδια, ίνες ή κρυστάλλους που θα μπορούσαν να φράξουν μικροσκοπικά κενά πλάκας.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 μοίρες (με σωλήνα PFA).

Απαιτείται γενική αντίσταση στη διάβρωση χωρίς τον κίνδυνο τοπικής προσβολής ή διάτρησης.

Η εγκατάσταση δεν έχει τη δυνατότητα συντήρησης για την τακτική αποσυναρμολόγηση και αντικατάσταση των παρεμβυσμάτων.

Και οι δύο τεχνολογίες υπάρχουν-δίπλα-σε πολλά περιβάλλοντα χημικών διεργασιών. Ένας εναλλάκτης κελύφους PTFE-και-σωλήνων μπορεί να επιλεγεί για μια εξαιρετικά διαβρωτική λειτουργία θέρμανσης μικτού οξέος, ενώ ένας εναλλάκτης πλάκας-και{-πλαισίου με πλάκες τιτανίου και παρεμβύσματα PTFE χειρίζεται μια καθαρή, αραιωμένη λειτουργία ψύξης νιτρικού οξέος αλλού στην ίδια εγκατάσταση.

Συμπέρασμα: Συμπαγής απόδοση ή καθολική ευρωστία
Οι εναλλάκτες θερμότητας πλακών και πλαισίου με παρεμβύσματα PTFE παρέχουν υψηλή θερμική απόδοση και μικρό αποτύπωμα λόγω των υψηλών αναταράξεων και των λεπτών μεταλλικών πλακών. Οι τιμές U-τους είναι τρεις έως πέντε φορές μεγαλύτερες από αυτές των μονάδων κελύφους και σωλήνων PTFE, με αποτέλεσμα σημαντικά μικρότερο αποτύπωμα και μειωμένο βάρος.