Πώς το μοτίβο διάταξης σωλήνα (τριγωνικό έναντι τετραγώνου) επηρεάζει το κέλυφος-Πλάγια ροή και μεταφορά θερμότητας σε έναν εναλλάκτη PTFE;

Όταν το πλευρικό υγρό του κελύφους-περνάει πάνω από μια δέσμη σωλήνων PTFE, το σχέδιο των σωλήνων – που ονομάζεται μοτίβο «pitch» – επηρεάζει το αν η ροή είναι τυρβώδης ή ρέει με λιγότερη αντίσταση. Η επιλογή διάταξης είναι μια βασική-απόφαση λειτουργίας που διαρκεί. Οι μηχανικοί που αναπτύσσουν ή καθορίζουν έναν εναλλάκτη θερμότητας PTFE πρέπει να εκτιμήσουν την ανταλλαγή-των μοτίβων τριγώνου και τετραγώνου βήματος για να εξισορροπήσουν την απόδοση μεταφοράς θερμότητας έναντι της μακροπρόθεσμης-διατηρησιμότητας.

Γεωμετρία Διατάξεων Σωλήνων
Τα σχέδια διάταξης σωλήνων περιγράφονται ως η θέση των κέντρων του σωλήνα σε σχέση με την κατεύθυνση ροής στην πλευρά του κελύφους. Οι πιο δημοφιλείς ρυθμίσεις είναι το τρίγωνο βήμα (συμπεριλαμβανομένου του περιστρεφόμενου τριγωνικού) και το τετράγωνο βήμα (συμπεριλαμβανομένου του γυρισμένου τετραγώνου). Σε κάθε περίπτωση, το βήμα του σωλήνα--η απόσταση από το κέντρο προς το κέντρο μεταξύ παρακείμενων σωλήνων--είναι συνήθως 1,25 έως 1,5 φορές την εξωτερική διάμετρο του σωλήνα. Η απόσταση έχει σχεδιαστεί για να παρέχει την κατάλληλη μηχανική αντοχή, να αποτρέπει την επαφή των σωλήνων και να επιτρέπει τη ροή του ρευστού μέσω της δέσμης από την πλευρά του κελύφους.

Βήμα ( Σκαλωτό ) Τριγωνικό
Σε ένα τρίγωνο βήμα, κάθε σωλήνας στη δεύτερη σειρά κλιμακώνεται κατά μισό βήμα από την πρώτη σειρά. Αυτό οδηγεί σε μια κλιμακωτή διάταξη έτσι ώστε οι διαδρομές ροής να μην είναι σε ευθεία γραμμή σε όλη τη δέσμη. Το πλευρικό υγρό του κελύφους-αναγκάζεται να κινείται μεταξύ των σωλήνων, αλλάζοντας συνεχώς κατεύθυνση.

Βασικά χαρακτηριστικά:

Περισσότεροι σωλήνες ανά μονάδα διατομής-κελύφους (μεγαλύτερη πυκνότητα σωλήνα)

Μεγαλύτερες αναταράξεις στη ροή

Αυξημένη πτώση πίεσης στο κέλυφος-

Πολύ μεγαλύτερος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας

Τετράγωνο (Ενσωματωμένο) Πήγος
Οι σωλήνες είναι σε τετράγωνο βήμα, διατεταγμένοι σε σειρές και στήλες, σχηματίζοντας ευθύγραμμους διαδρόμους ή λωρίδες προς την κατεύθυνση της πλευρικής ροής του κελύφους-. Το υγρό μπορεί να περάσει από αυτές τις διόδους σχεδόν ανεμπόδιστα.

Βασικά χαρακτηριστικά:

Χαμηλότερη πυκνότητα σωλήνα (λιγότεροι σωλήνες για την ίδια διάμετρο κελύφους)

Αναταράξεις με μειωμένη ροή

πτώση πίεσης στην κάτω πλευρά του κελύφους

Χαμηλότερος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (για παρόμοια ταχύτητα ροής μάζας)

Λωρίδες για μηχανικό καθαρισμό με άμεση πρόσβαση

Επίδραση του κελύφους-Πλάγια ροή και μεταφορά θερμότητας
Ο τριγωνικός κλιμακωτής βήματος καταστρέφει τα στρωτά οριακά στρώματα και προκαλεί συνεχή ανάμειξη αφύπνισης. Το ρευστό δεν ταξιδεύει σε ομαλά ρεύματα, αλλά προσκρούει, διαχωρίζεται και επανασυνδέεται στους σωλήνες. Μια τέτοια χαοτική κίνηση αυξάνει τη μετάδοση θερμότητας με μεταφορά στις επιφάνειες του σωλήνα. Για μια δεδομένη ταχύτητα ροής στην πλευρά του κελύφους, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μιας τριγωνικής-δέσμης βήματος μπορεί να είναι 20–30% υψηλότερος από εκείνον μιας ίσης τετράγωνης-δέσμης βήματος.

Το αρνητικό είναι η πτώση πίεσης. Ο στροβιλισμός που αυξάνει τη μετάδοση θερμότητας χρησιμοποιεί επίσης την ενέργεια άντλησης. Ωστόσο, σε πολλές εφαρμογές εναλλάκτη PTFE όπου τα πλευρικά υγρά του κελύφους-είναι συνήθως νερό, ατμός ή καθαρά μέσα ψύξης, η ελαφρά αύξηση στην απώλεια πίεσης είναι αποδεκτή.

Η γραμμική διάταξη διατηρεί καθαρές λωρίδες ροής σε τετράγωνο βήμα. Το ρευστό στην πλευρά του κελύφους επιταχύνεται επίσης στα στενά κενά μεταξύ των σωλήνων, αλλά η ροή είναι πιο στρωτή ή μεταβατική με λιγότερη διασταυρούμενη- ανάμειξη. Ως αποτέλεσμα, ο συντελεστής μετάδοσης θερμότητας μειώνεται. Για την ίδια θερμική λειτουργία, μια τετράγωνη δέσμη-βήματος μπορεί να χρειάζεται μεγαλύτερη διάμετρο κελύφους ή μεγαλύτερο μήκος σωλήνα.

Σύγκριση πυκνότητας σωλήνα
Σε ένα τριγωνικό βήμα μπορείτε να έχετε περίπου 15% περισσότερους σωλήνες στην ίδια διάμετρο κελύφους όπως σε ένα τετράγωνο βήμα. Αυτό είναι συνέπεια της αποτελεσματικότητας της συσκευασίας. Για τους εναλλάκτες PTFE, τα τοιχώματα των σωλήνων είναι συχνά μάλλον παχιά και έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (σε σύγκριση με τους μεταλλικούς σωλήνες), επομένως η μεγιστοποίηση του αριθμού των σωλήνων είναι συχνά επιθυμητή για να αντισταθμιστεί η εγγενής θερμική αντίσταση του PTFE. Η τριγωνική διάταξη αυξάνει την επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας χωρίς να αυξάνει το μέγεθος του κελύφους.

Πρόσβαση μηχανικού καθαρισμού, ένα σημαντικό μακροπρόθεσμο ζήτημα
Το μεγάλο μακροπρόθεσμο θέμα είναι η πρόσβαση για καθαρισμό Η ικανότητα αφαίρεσης ρυπαντικών εναποθέσεων από την πλευρά του κελύφους ενός εναλλάκτη θα καθορίσει εάν η μονάδα μπορεί να αποκατασταθεί στην προηγούμενη απόδοσή της μετά από μήνες ή χρόνια χρήσης.

Στο τριγωνικό βήμα, η κλιμακωτή γεωμετρία δεν επιτρέπει άμεσες, ανεμπόδιστες οπτικές γραμμές σε όλη τη δέσμη. Τα εργαλεία μηχανικού καθαρισμού, όπως περιστρεφόμενες λόγχες, πίδακες νερού υψηλής πίεσης ή συρμάτινες βούρτσες δεν μπορούν να τροφοδοτηθούν μεταξύ των σωλήνων. Για μια δέσμη τριγωνικής-πίσσας, ο μόνος τρόπος καθαρισμού είναι ο χημικός καθαρισμός (κυκλοφορούντα οξέα, διαλύτες ή απορρυπαντικά). Ο χημικός καθαρισμός είναι αποτελεσματικός στην απομάκρυνση πολλών τύπων ρύπων (άλατα, οργανικές εναποθέσεις, ελαφριά λάσπη), αλλά τα σκληρά επίμονα ιζήματα ή εκείνα που δεν θα διαλυθούν σε ασφαλή χημικά μπορεί να αντιμετωπίζονται λιγότερο επιτυχώς.

Ένα τετράγωνο βήμα παρέχει σαφή πρόσβαση με ευθύγραμμους διαδρόμους μεταξύ των σειρών σωλήνων. Ένα μηχανικό κορδόνι καθαρισμού μπορεί να περάσει μέσα από την πλευρά του κελύφους, συνήθως από το αποσπώμενο άκρο του καναλιού, για να εκτοξευθεί ή να βουρτσίσει εναποθέσεις από τους σωλήνες. Το τετράγωνο βήμα είναι η προεπιλεγμένη επιλογή όταν το πλευρικό υγρό του κελύφους-είναι γνωστό ότι ρυπαίνει πολύ-για παράδειγμα, ακάθαρτο νερό ψύξης, ροές διαδικασίας πολυμερισμού ή υγρά που περιέχουν αιωρούμενα σωματίδια που ψήνονται σε επιφάνειες.

Εφαρμογή σε εναλλάκτες θερμότητας- σε PTFE
Για διαβρωτικό σέρβις στην πλευρά του σωλήνα (ρευστό μέσα στους σωλήνες), οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE καθορίζονται συνήθως. Οι σωλήνες PTFE αντέχουν σε ζημιές από ισχυρά οξέα, αλκάλια και οργανικούς διαλύτες. Σε πολλά εργοστάσια η πλευρά του κελύφους μεταφέρει ένα καθαρό ρευστό, όπως νερό ψύξης, ατμό ή λάδι μεταφοράς θερμότητας. Η ρύπανση είναι χαμηλή, καθώς τα πλευρικά υγρά του κελύφους είναι γενικά καθαρά. Ως αποτέλεσμα, το τριγωνικό βήμα είναι διαδεδομένο στους εναλλάκτες PTFE. Βελτιώνει άμεσα την απόδοση με υψηλότερο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και αυξημένη πυκνότητα σωλήνα χωρίς ποινή καθαρισμού.

Ωστόσο, υπάρχει διαφορετικό ζήτημα όταν το διαβρωτικό ή ρυπογόνο υγρό πρέπει να βρίσκεται στην πλευρά του κελύφους. Αυτό συμβαίνει σε ορισμένες διευθετήσεις διεργασιών -- π.χ., όπου η πλευρά του κελύφους πρέπει να ανοίξει για επιθεώρηση ή όπου η πλευρά του σωλήνα είναι δεσμευμένη για ένα καθαρό υγρό για μείωση της πτώσης πίεσης. Εάν το υγρό από την πλευρά του κελύφους κάνει φάουλ, τότε προτιμάται έντονα ένα τετράγωνο βήμα. Η απώλεια θερμικής απόδοσης αντισταθμίζεται από την ικανότητα μηχανικού καθαρισμού του εξωτερικού των σωλήνων PTFE κατά τη διάρκεια ετήσιων διακοπών συντήρησης.

Το Tradeoff με λίγα λόγια
Τριγωνική Πίσσα Χαρακτηριστικό Τετράγωνο Βήμα
Πυκνότητα σωλήνα Μεγαλύτερη (~15% περισσότεροι σωλήνες) Κάτω.
Αναταράξεις στην πλευρά του κελύφους Υψηλή (κλιμακωτή ροή) Χαμηλή έως μέτρια (παράλληλες λωρίδες)
Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας Υψηλότερος χαμηλότερος
Πτώση της πλευρικής πίεσης του κελύφους υψηλότερη χαμηλότερη
Πρόσβαση μηχανικού καθαρισμού. Καμία (μόνο χημικός καθαρισμός) Καλή (λωρίδες άμεσης πρόσβασης)
Συνήθης χρήση εναλλάκτη θερμότητας PTFE Καθαρό υγρό (νερό, ατμός, λάδι) στην πλευρά του κελύφους Ρύπανση του κελύφους-Πλάγιο υγρό
Στην πραγματικότητα, η επιλογή μεταξύ τριγώνου και τετραγώνου βήματος για ένα τριγωνικό τετράγωνο μοτίβο διάταξης σωλήνα εναλλάκτη PTFE σπάνια είναι θέμα καθαρής υπεροχής. Είναι μια αντιστάθμιση απόδοσης και συντήρησης. Το τριγωνικό σχήμα παρέχει έναν πιο συμπαγή και αποτελεσματικό εναλλάκτη για καθαρό πλευρικό κέλυφος-. Το τετράγωνο σχέδιο υπονομεύει μια μικρή θερμική απόδοση για να αποκτήσει τη δυνατότητα αποκατάστασης της απόδοσης χρησιμοποιώντας μια λόγχη ή βούρτσα για μια υπηρεσία ρύπανσης.

Η επίδραση της διάταξης στο κόστος κύκλου ζωής των εναλλάκτη PTFE
Εκτός από τα άμεσα θερμικά και υδραυλικά προβλήματα, το σχέδιο διάταξης του σωλήνα επηρεάζει το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας. Ένας τριγωνικός-εναλλάκτης βήματος μπορεί να έχει φθηνότερο αρχικό κόστος (μικρότερο κέλυφος για την ίδια επιφάνεια) και χαμηλότερη ενέργεια λειτουργίας (καλύτερη απόδοση μεταφοράς θερμότητας), αλλά εάν τα λάθη της πλευράς του κελύφους και ο χημικός καθαρισμός δεν αποκαταστήσει την απόδοση, η μονάδα μπορεί να χρειαστεί να αντικατασταθεί πρόωρα. Ένας τετράγωνος{3}}εναλλάκτης, από την άλλη, μπορεί να έχει μεγαλύτερο κέλυφος και υψηλότερο αρχικό κόστος, αλλά μπορεί να καθαρίζεται μηχανικά επανειλημμένα, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του στο άπειρο.