Problem dystrybucji
Wymiennik ciepła PTFE składający się z 60 rurek podłączonych do pojedynczego kolektora pary powinien teoretycznie zapewniać równy przepływ pary do każdej rury. W praktyce rury znajdujące się najbliżej wlotu kolektora otrzymują więcej pary niż te na drugim końcu. Brak równowagi powoduje powstawanie gorących i zimnych stref w wiązce rur. Zimne rurki niecałkowicie kondensują parę i mogą zalać kondensatem. Gorące rury działają przy nadmiernych temperaturach ścian.
Równomierność dystrybucji pary zależy od profilu ciśnienia w kolektorze. Gdy para przepływa wzdłuż kolektora, zmiany tarcia i pędu powodują zmianę ciśnienia statycznego. Rury w różnych miejscach wykazują różne ciśnienia napędowe. Wielkość tej zmiany ciśnienia określa brak równowagi przepływu.
Liczba rur na głowicę jest podstawową zmienną projektową kontrolującą równomierność dystrybucji. Mniejsza liczba rur na kolektor zmniejsza długość kolektora i zmiany ciśnienia wzdłuż niego. Więcej rur w głowicy zwiększa całkowity przepływ, zwiększając wahania ciśnienia i ryzyko nieprawidłowej dystrybucji. Optymalna liczba rur równoważy jakość dystrybucji z kosztem i złożonością wielu nagłówków.
Profil ciśnienia w głowicy
Para wpływająca do kolektora doświadcza dwóch konkurujących ze sobą efektów ciśnienia. Tarcie pomiędzy parą a ścianą kolektora powoduje spadek ciśnienia wzdłuż kierunku przepływu. Prowadzi to do zmniejszenia przepływu do rur znajdujących się dalej. Jednocześnie, gdy para rozgałęzia się do rur, prędkość w kolektorze maleje. Energia kinetyczna zwalniającego przepływu przekształca się w ciśnienie statyczne, co jest zjawiskiem zwanym odzyskiem ciśnienia. Ma to tendencję do zwiększania przepływu do dalszych rur.
W przypadku kolektorów parowych o małej prędkości wlotowej i wielu odgałęzień dominuje tarcie, co powoduje niedobory rur za rurociągiem. W przypadku kolektorów o dużej prędkości wlotowej i niewielkiej liczbie odgałęzień odzyskiwanie ciśnienia może spowodować nadmierną kompensację, a w rurach znajdujących się za rurociągiem występuje nadmierny przepływ.
Optymalna konstrukcja równoważy te efekty, aby uzyskać-prawie równomierne ciśnienie na wszystkich wlotach rur. Osiąga się to poprzez taki dobór średnicy kolektora i liczby rurek, aby zmiana ciśnienia we wszystkich punktach odgałęzień była mniejsza niż 5% całkowitej różnicy ciśnień napędzających.
Tabela 1: Zalecana liczba rurek na głowicę według ciśnienia pary i średnicy rurki
| Ciśnienie pary (barg) | średnica zewnętrzna rury (mm) | Zalecane tuby na nagłówek | Maksymalna liczba rur na nagłówek | Średnica nagłówka (mm) | Oczekiwana zmiana przepływu |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Wartości oparte na jednolitej długości rury wynoszącej 1,5 metra, poziomej orientacji kolektora i odchyleniu docelowego przepływu poniżej 5%. Dłuższe rury zwiększają opór poszczególnych rur, poprawiając dystrybucję i umożliwiając nieco większą liczbę rur.
Wymóg wyrównywania kondensatu
Dystrybucja pary to tylko połowa problemu. Usuwanie kondensatu musi być równie równomierne. Jeśli kolektor kondensatu na wylotach rur ma inny profil ciśnienia niż kolektor pary, ciśnienie napędzające netto w każdej rurze będzie się różnić, nawet jeśli ciśnienia doprowadzanej pary będą równe.
Kolektor kondensatu zazwyczaj działa z przepływem dwu-fazowym-kondensatu i pary rozprężnej. Jego rozkład ciśnienia jest bardziej złożony niż w przypadku jednofazowego kolektora pary. Wyrównanie ścieżki kondensatu osiąga się poprzez nachylenie kolektora kondensatu w dół w kierunku odwadniacza, upewniając się, że żaden wylot rury nie jest zanurzony w nagromadzonym kondensacie i ograniczając liczbę rur na kolektor kondensatu do tej samej lub mniejszej niż po stronie pary.
Praktyczne konfiguracje nagłówków
W przypadku wymiennika ciepła z PTFE o mocy 60 kW wymagającego 60 rur o średnicy zewnętrznej 10 mm, zalecana konfiguracja wykorzystuje trzy kolektory parowe, z których każda zasila 20 rur. Takie rozwiązanie ogranicza zmienność przepływu do 3-5% we wszystkich rurach. Każdy kolektor łączy się z oddzielnym kolektorem kondensatu o tej samej liczbie rur.
Konstrukcje z pojedynczym-rozdzielaczem na 60 rur są technicznie wykonalne przy zbyt dużych średnicach rozgałęźnika, ale wprowadzają zmiany przepływu o 15-25%, co stwarza ryzyko zalania kondensatem w najbardziej obciążonych rurach. Oszczędności wynikające ze zmniejszenia liczby nagłówków są równoważone przez spadek wydajności wynikający z nieprawidłowej dystrybucji.
W przypadku bardzo dużych wymienników liczących ponad 200 rur system kolektorów rozprowadza parę do wielu pod-rozdzielnic. Kolektor obsługuje masowy przepływ pary, a każdy-podrzędny kolektor zasila możliwą do kontrolowania liczbę rur. To hierarchiczne podejście pozwala utrzymać jakość dystrybucji na dowolną skalę.
Streszczenie
Liczba rur na głowicę bezpośrednio kontroluje równomierność dystrybucji pary w wielo-przepływowych wymiennikach ciepła PTFE. Zalecany zakres 10-30 rur na kolektor, w zależności od ciśnienia pary i średnicy rury, ogranicza wahania przepływu do poniżej 5% i zapobiega zalaniu kondensatem w pozbawionych rur rurach. Wiele mniejszych hederów przewyższa pojedynczy oversize'owy heder pod względem jakości dystrybucji i wydajności cieplnej.
Właściwy rozmiar kolektora w połączeniu ze staranną konstrukcją kolektora kondensatu gwarantuje, że każda rura w wiązce PTFE w pełni przyczynia się do całkowitego odprowadzania ciepła. Niewielki dodatkowy koszt wielu kolektorów można odzyskać poprzez eliminację zimnych punktów i zalanych rur.
Zalecenia techniczne dotyczące projektu kolektora wymiennika ciepła z PTFE są dostępne po przedstawieniu wymaganych parametrów cieplnych, ciśnienia pary, specyfikacji rur i ograniczeń fizycznych dotyczących rozmieszczenia kolektora.
