Prędkość określająca współczynnik filmu
Zakład przetwarzania chemicznego, w którym zastosowano wymiennik ciepła z PTFE o-prędkości bocznej rury wynoszącej 1,5 m/s, zgłasza ogólny współczynnik przenikania ciepła na poziomie 250 W/m²·K. Współczynnik filmu-po stronie procesu wynosi około 1200 W/m²·K, opór ścianki rury wynosi około 0,0032 m²·K/W, a współczynnik filmu-po stronie serwisowej wynosi około 3000 W/m²·K.
Całkowity współczynnik jest odwrotnością sumy oporów cieplnych. Opór-po stronie procesu wynosi 1/1,200=0.00083 m²·K/W. Opór ścianki rury wynosi 0,0032 m²·K/W. Opór folii-po stronie serwisowej wynosi 1/3,000=0.00033 m²·K/W. Opór całkowity wynosi 0,00436 m²·K/W, a współczynnik ogólny 229 W/m²·K.
Rezystancja warstwy-po stronie procesu stanowi około 19% rezystancji całkowitej. Opór ścianki rury wynosi około 73% całkowitego. Rezystancja folii-po stronie serwisowej wynosi około 8% całości.
Jeśli prędkość zostanie zmniejszona z 1,5 m/s do 0,75 m/s, współczynnik-po stronie procesu spadnie do około 690 W/m²·K, a opór folii wzrośnie do 0,00145 m²·K/W. Opór całkowity wzrasta do 0,0050 m²·K/W, a współczynnik ogólny spada do 200 W/m²·K. Ogólny współczynnik zmniejsza się o 13%, mimo że prędkość została zmniejszona o połowę.
Dlaczego efekt jest mniejszy niż oczekiwano
Wpływ prędkości na całkowity współczynnik jest mniejszy niż wpływ na współczynnik folii, ponieważ opór folii stanowi tylko ułamek całkowitego oporu. W wymienniku ciepła PTFE dominuje opór ścianki rury, a opór folii jest czynnikiem drugorzędnym.
Różni się to od metalowego wymiennika ciepła, w którym opór ścianki rury jest znikomy, a dominuje opór folii. W metalowym wymienniku ciepła zmniejszenie prędkości o 50% powoduje zmniejszenie całkowitego współczynnika o około 43%. W wymienniku ciepła PTFE to samo zmniejszenie prędkości zmniejsza ogólny współczynnik tylko o 10–15%.
Mniejszy efekt oznacza, że prędkość jest mniej krytyczna dla ogólnej wydajności wymiennika ciepła z PTFE niż w wymienniku metalowym. Jednakże prędkość jest nadal ważna z innych powodów, w tym kontroli zanieczyszczeń, rozkładu przepływu i wibracji rury.
Efekt prędkości przy różnych grubościach ścianek
Wpływ prędkości na całkowity współczynnik zależy od grubości ścianki rury. Cieńsza ściana ma niższy opór, co oznacza, że opór folii stanowi większą część całkowitego oporu, a efekt prędkości jest większy.
Dla rurki PTFE o ściance 0,5 mm i przewodności cieplnej 0,25 W/m·K, opór ścianki wynosi 0,0020 m²·K/W. Całkowity opór przy współczynniku warstwy-po stronie procesu wynoszącym 1200 W/m²·K i współczynniku-po stronie usługi wynoszącym 3000 W/m²·K wynosi 0,00316 m²·K/W, a współczynnik ogólny wynosi 316 W/m²·K. Opór filmu-po stronie procesu wynosi 26% całości.
Jeśli prędkość zmniejszy się o połowę, współczynnik-po stronie procesu spadnie do 690 W/m²·K, a opór folii wzrośnie do 0,00145 m²·K/W. Opór całkowity wzrasta do 0,00378 m²·K/W, a współczynnik ogólny spada do 265 W/m²·K. Ogólny współczynnik zmniejsza się o 16% w porównaniu do 13% dla ścianki o grubości 0,8 mm.
Efekt prędkości jest większy w przypadku cieńszych ścian, ponieważ opór ściany stanowi mniejszą część całkowitego oporu.
Efekt prędkości przy różnych średnicach rur
Wpływ prędkości na współczynnik folii zależy od średnicy rury. Rura o mniejszej średnicy ma wyższy współczynnik folii przy tej samej prędkości, ponieważ przepływ jest bardziej turbulentny, a warstwa graniczna jest cieńsza.
Dla rurki o średnicy 6 mm przy prędkości 1,5 m/s liczba Reynoldsa wynosi w przybliżeniu 9000, co odpowiada reżimowi przepływu przejściowego. Współczynnik folii wynosi około 1000 W/m²·K.
Dla rury o średnicy 12 mm przy prędkości 1,5 m/s liczba Reynoldsa wynosi około 18 000, co oznacza przepływ turbulentny. Współczynnik folii wynosi około 1500 W/m²·K.
Rura o większej średnicy ma wyższy współczynnik folii przy tej samej prędkości, ponieważ liczba Reynoldsa jest wyższa. Jednakże rura o większej średnicy ma również mniejszą powierzchnię na jednostkę objętości, co zmniejsza całkowitą powierzchnię wymiany ciepła dla danej objętości wymiennika ciepła.
Ilościowe określenie wpływu prędkości na współczynnik ogólny
W poniższej tabeli podsumowano całkowity współczynnik przenikania ciepła przy różnych prędkościach-po stronie rury dla wymiennika ciepła z PTFE o ściance 0,8 mm, średnicy rury 9,5 mm i współczynniku-po stronie serwisowej wynoszącym 3000 W/m²·K.
| Rurka-Prędkość boczna | Liczba Reynoldsa | Proces-Współczynnik filmu bocznego | Proces-Odporność folii bocznej | Całkowity opór | Ogólny współczynnik | Zmień w stosunku do wartości bazowej |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Linia bazowa |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
Ogólne wartości współczynników zakładają ściankę z PTFE o grubości 0,8 mm, przewodność cieplną 0,25 W/m·K i współczynnik-po stronie serwisowej wynoszący 3000 W/m²·K. Współczynnik filmu-po stronie procesu oblicza się z korelacji Dittusa-Boeltera dla przepływu turbulentnego.
Praktyczny zakres prędkości dla wymienników ciepła PTFE
Praktyczny zakres prędkości dla wymienników ciepła z PTFE jest określony przez-kompromis pomiędzy korzyścią w zakresie wymiany ciepła a spadkiem ciśnienia. Większa prędkość zwiększa współczynnik filmu, ale także zwiększa spadek ciśnienia, co zwiększa energię pompowania.
W przypadku większości zastosowań wymienników ciepła PTFE praktyczny zakres prędkości wynosi 1,0–2,0 m/s. Poniżej 1,0 m/s współczynnik filmu jest niski, a stopień zarastania wysoki. Powyżej 2,0 m/s spadek ciśnienia i energia pompowania gwałtownie rosną, a ryzyko wibracji i erozji rury wzrasta.
Optymalna prędkość zależy od konkretnego zastosowania. W przypadku czystego użytkowania i niskiego potencjału zanieczyszczania odpowiednia jest prędkość 1,0–1,5 m/s. W przypadku zarastania zaleca się prędkość 1,5–2,0 m/s, aby zmniejszyć stopień zarastania.
Wpływ prędkości na zanieczyszczenie
Prędkość wpływa nie tylko na współczynnik filmu, ale także na szybkość zanieczyszczenia. Większa prędkość zwiększa naprężenia ścinające na ściance rury, co zmniejsza przyczepność osadów i stopień zarastania.
Naprężenie ścinające jest proporcjonalne do kwadratu prędkości. Podwojenie prędkości powoduje czterokrotne zwiększenie naprężenia ścinającego. Wyższe naprężenia ścinające usuwają osady ze ścianek rury i zapobiegają ich gromadzeniu się.
W przypadku zarastania wpływ prędkości na stopień zarastania może być ważniejszy niż wpływ prędkości na współczynnik filmu. Wyższa prędkość zmniejsza częstotliwość czyszczenia i koszty konserwacji, nawet jeśli poprawa współczynnika folii jest niewielka.
Wpływ prędkości na wibracje rury
Wyższa prędkość zwiększa ryzyko wibracji rury, szczególnie w-kierunku przepływu poprzecznego. Wibracje mogą powodować pęknięcia zmęczeniowe wsporników rur i połączeń blach rurowych.
Ryzyko drgań zależy od częstotliwości drgań własnych rury, rozstawu podpór i prędkości przepływu. W przypadku rurek PTFE częstotliwość drgań własnych jest niższa niż w przypadku rur metalowych ze względu na niższy moduł sprężystości. Ryzyko wibracji jest wyższe w przypadku rurek PTFE przy tej samej prędkości.
Praktyczna granica prędkości dla rurek PTFE wynosi zazwyczaj 2,0–2,5 m/s, powyżej której ryzyko drgań staje się znaczące. Limit zależy od rozstawu podpór i średnicy rury.
Cechy konstrukcyjne zwiększające efekt prędkości
Kilka cech konstrukcyjnych zwiększa wpływ prędkości na współczynnik folii.
Mniejsza średnica rury.Rura o mniejszej średnicy ma wyższy współczynnik folii przy tej samej prędkości, ponieważ liczba Reynoldsa jest wyższa.
Zwiększona powierzchnia rury.Powierzchnia rury z żebrami lub rowkami zwiększa współczynnik folii, zwiększając pole powierzchni i sprzyjając turbulencjom.
Nagłówek dystrybucji przepływu.Kolektor rozprowadzający przepływ zapewnia równomierny przepływ przez wiązkę rur, co zapobiega powstawaniu stref o małej-prędkości.
Przetwornica częstotliwości.Napęd o zmiennej częstotliwości w pompie umożliwia dostosowanie natężenia przepływu do zapotrzebowania procesu, co utrzymuje prędkość na optymalnej wartości.
Parametry specyfikacji dla optymalnej prędkości
Inżynierowie zajmujący się sprzętem wybierający wymiennik ciepła z PTFE powinni potwierdzić u dostawcy następujące parametry.
Prędkość projektowa.Określ prędkość boczną- rury projektowej. W większości zastosowań zalecana jest prędkość 1,0–2,0 m/s.
Natężenie przepływu.Określ projektowe natężenie przepływu i oczekiwany zakres.
Średnica rury.Określ średnicę rury w oparciu o natężenie przepływu i prędkość.
Spadek ciśnienia.Określ maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia.
Potencjał zanieczyszczania.Określ potencjał zanieczyszczenia płynu procesowego. W przypadku usuwania zanieczyszczeń zalecana jest większa prędkość.
Ryzyko wibracji.Określ odstępy podpór rurowych i wymagania dotyczące analizy drgań.
Sterowanie pompą.Określ metodę sterowania pompą. W celu zapewnienia optymalnej kontroli prędkości zalecany jest przemiennik częstotliwości.
Monitorowanie temperatury.Określ czujniki temperatury i metodę monitorowania w celu śledzenia wydajności wymiany ciepła.
Dopasowanie prędkości do wymagań dotyczących przenoszenia ciepła i zanieczyszczeń
Prędkość przepływu wewnątrz rurek wymiennika ciepła z PTFE wpływa na współczynnik przenikania ciepła folii poprzez zależność prawa potęgowego z wykładnikiem około 0,8. Wpływ na współczynnik ogólny jest mniejszy, ponieważ w wymiennikach ciepła z PTFE dominuje opór ścianki rury. Jednakże prędkość jest nadal ważna dla kontroli zanieczyszczeń, rozkładu przepływu i wibracji rury.
Prędkość należy wybrać w oparciu o wymagania dotyczące wymiany ciepła, potencjał zanieczyszczenia i granicę spadku ciśnienia. W większości zastosowań zalecana jest prędkość 1,0–2,0 m/s. Wyższa prędkość jest zalecana w przypadku zanieczyszczania, a niższa prędkość jest akceptowalna w przypadku czyszczenia.
W przypadku zakładów przetwórstwa chemicznego oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, prędkość należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować przy uruchomieniu. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może być zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie wydajności wymiany ciepła, a uzyskana prędkość może nie odpowiadać rzeczywistym wymaganiom procesu.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE do przetwarzania chemicznego lub innych usług wymiany ciepła mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący prędkość projektową, natężenie przepływu, średnicę rury, spadek ciśnienia, potencjał zanieczyszczenia i ryzyko wibracji, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych wymagań procesowych i struktury kosztów obiektu.
