Kiểu bố trí ống (hình tam giác so với hình vuông) ảnh hưởng đến vỏ-Dòng chảy bên và sự truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt PTFE như thế nào?

Khi chất lỏng bên -vỏ đi qua một bó ống PTFE, dạng ống – được gọi là dạng "bước" – sẽ ảnh hưởng đến việc dòng chảy ngoằn ngoèo hỗn loạn hay chảy với lực cản ít hơn. Lựa chọn bố cục là một quyết định hoạt động cơ bản và lâu dài-. Các kỹ sư đang phát triển hoặc chỉ định bộ trao đổi nhiệt PTFE cần đánh giá cao sự cân bằng-giữa các mẫu bước hình tam giác và hình vuông để cân bằng hiệu suất truyền nhiệt với khả năng bảo trì-lâu dài.

Hình học của sự sắp xếp ống
Các kiểu bố trí ống được mô tả là vị trí của tâm ống liên quan đến hướng dòng chảy ở phía vỏ. Cách sắp xếp phổ biến nhất là bước tam giác (bao gồm cả hình tam giác quay) và bước vuông (bao gồm cả hình vuông quay). Trong mọi trường hợp, bước ống--khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các ống liền kề--thường bằng 1,25 đến 1,5 lần đường kính ngoài của ống. Khoảng cách được thiết kế để mang lại độ bền cơ học thích hợp, ngăn chặn sự tiếp xúc của các ống và cho phép chất lỏng chảy qua bó từ phía vỏ.

Sân (So Le) Hình tam giác
Trong một tam giác, mỗi ống ở hàng thứ hai cách hàng thứ nhất một nửa bước. Điều này dẫn đến bố cục so le sao cho các tuyến luồng không nằm trên một đường thẳng trong toàn bộ gói. Chất lỏng bên-của vỏ buộc phải ngoằn ngoèo giữa các ống, liên tục thay đổi hướng.

Các tính năng chính:

Nhiều ống hơn trên một đơn vị mặt cắt ngang vỏ-(mật độ ống cao hơn)

Sự nhiễu loạn lớn hơn trong dòng chảy

Tăng áp suất bên vỏ{0}}

Hệ số truyền nhiệt lớn hơn nhiều

Sân vuông (nội tuyến)
Các ống có hình vuông, xếp thành hàng và cột, tạo thành các hành lang hoặc làn đường thẳng theo hướng dòng chảy bên vỏ. Chất lỏng có thể đi qua những đoạn này hầu như không bị cản trở.

Các tính năng chính:

Mật độ ống thấp hơn (ít ống hơn cho cùng đường kính vỏ)

Sự nhiễu loạn với dòng chảy giảm

giảm áp suất phía vỏ dưới

Hệ số truyền nhiệt thấp hơn (đối với tốc độ dòng khối tương tự)

Làn đường để làm sạch cơ học với lối đi trực tiếp

Ảnh hưởng của vỏ-Dòng chảy bên và truyền nhiệt
Bộ chuyển đổi cao độ hình tam giác phá hủy các lớp ranh giới tầng và tạo ra sự trộn lẫn liên tục. Chất lỏng không di chuyển theo dòng trơn tru mà va chạm, tách ra và gắn lại vào các ống. Chuyển động hỗn loạn như vậy làm tăng sự truyền nhiệt bằng đối lưu ở bề mặt ống. Đối với tốc độ dòng chảy nhất định ở phía vỏ, hệ số truyền nhiệt của bó bước-hình tam giác có thể cao hơn 20–30% so với bó bước-hình vuông bằng nhau.

Tiêu cực là giảm áp suất. Sự nhiễu loạn làm tăng khả năng truyền nhiệt cũng sử dụng năng lượng bơm. Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng của bộ trao đổi PTFE trong đó chất lỏng bên vỏ-thường là nước, hơi nước hoặc phương tiện làm mát sạch thì mức tổn thất áp suất tăng nhẹ là có thể chấp nhận được.

Bố cục tuyến tính duy trì các làn đường sạch trong một khoảng vuông. Chất lỏng ở phía vỏ cũng tăng tốc trong các khoảng trống hẹp giữa các ống nhưng dòng chảy nhiều tầng hơn hoặc chuyển tiếp với ít sự trộn lẫn{1}}chéo hơn. Kết quả là hệ số truyền nhiệt giảm xuống. Đối với cùng một nhiệm vụ chịu nhiệt, bó bước-hình vuông có thể cần đường kính vỏ lớn hơn hoặc chiều dài ống dài hơn.

So sánh mật độ ống
Ở bước tam giác, bạn có thể có thêm khoảng 15% ống có cùng đường kính vỏ như ở bước vuông. Đây là hệ quả của hiệu quả đóng gói. Đối với các bộ trao đổi PTFE, thành ống thường khá dày và có độ dẫn nhiệt thấp (so với các ống kim loại), do đó thường mong muốn tối đa hóa số lượng ống để bù cho khả năng chịu nhiệt vốn có của PTFE. Bố trí hình tam giác làm tăng bề mặt truyền nhiệt mà không làm tăng kích thước vỏ.

Tiếp cận làm sạch cơ học, một vấn đề dài hạn lớn
Vấn đề cần cân nhắc lâu dài là khả năng tiếp cận để làm sạch. Khả năng loại bỏ cặn bám bám trên mặt vỏ của bộ trao đổi sẽ quyết định xem thiết bị có thể được khôi phục về hiệu suất trước đó sau nhiều tháng hoặc nhiều năm sử dụng hay không.

Trong bước hình tam giác, hình học so le không cho phép các đường ngắm trực tiếp, không bị cản trở trong suốt bó. Không thể đưa các dụng cụ làm sạch cơ học, chẳng hạn như máy kéo sợi, vòi phun nước áp suất cao hoặc bàn chải sắt vào giữa các ống. Đối với bó cao răng-hình tam giác, cách làm sạch duy nhất là làm sạch bằng hóa chất (axit tuần hoàn, dung môi hoặc chất tẩy rửa). Làm sạch bằng hóa chất có hiệu quả trong việc loại bỏ nhiều loại cặn bẩn (cặn, cặn hữu cơ, bùn nhẹ), nhưng cặn cứng dai dẳng hoặc những chất không hòa tan trong hóa chất an toàn có thể ít được xử lý thành công hơn.

Khoảng cách vuông vức cho phép tiếp cận thông thoáng với các hành lang thẳng giữa các hàng ống. Một mũi làm sạch cơ học có thể được chạy qua mặt vỏ, thường là từ đầu kênh có thể tháo rời, để thổi hoặc quét sạch cặn bám trên ống. Bước vuông là lựa chọn mặc định khi chất lỏng bên-vỏ được biết là có mùi hôi nặng nề-ví dụ: nước làm mát không sạch, dòng quá trình polyme hóa hoặc chất lỏng chứa các hạt lơ lửng bám trên bề mặt.

Ứng dụng trong bộ trao đổi nhiệt{0}}trong PTFE
Đối với dịch vụ ăn mòn ở phía ống (chất lỏng bên trong ống), bộ trao đổi nhiệt PTFE được chỉ định phổ biến nhất. Ống PTFE chịu được hư hại bởi axit mạnh, kiềm và dung môi hữu cơ. Ở nhiều nhà máy, phía vỏ vận chuyển chất lỏng sạch như nước làm mát, hơi nước hoặc dầu truyền nhiệt. Độ bám bẩn thấp vì chất lỏng bên-vỏ thường sạch. Kết quả là, bước tam giác phổ biến trong các bộ trao đổi nhiệt PTFE. Trực tiếp cải thiện hiệu suất với hệ số truyền nhiệt cao hơn và mật độ ống tăng lên mà không bị ảnh hưởng đến việc vệ sinh.

Tuy nhiên, một vấn đề khác tồn tại khi chất lỏng ăn mòn hoặc gây cặn phải ở phía vỏ. Điều này xảy ra trong một số cách sắp xếp quy trình -- ví dụ: khi phải mở mặt vỏ để kiểm tra hoặc khi mặt ống được dành riêng cho chất lỏng sạch để giảm độ sụt áp. Nếu chất lỏng bên vỏ bị hôi thì nên ưu tiên sử dụng sân hình vuông. Sự mất mát về hiệu suất nhiệt được bù đắp bằng khả năng làm sạch cơ học bên ngoài ống PTFE trong thời gian ngừng bảo trì hàng năm.

Tóm tắt sự đánh đổi
Tính năng sân hình tam giácPitch Square
Mật độ ống Cao hơn (thêm ~ 15% ống)Xuống.
Sự nhiễu loạn bên vỏ Cao (dòng chảy so le)Thấp đến trung bình (làn đường song song)
Hệ số truyền nhiệtCao hơnThấp hơn
Giảm áp suất bên vỏCao hơnThấp hơn
Lối vào làm sạch cơ học.Không (chỉ làm sạch bằng hóa chất) Tốt (làn đường tiếp cận trực tiếp)
Việc sử dụng thông thường các bộ trao đổi nhiệt PTFE Chất lỏng sạch (nước, hơi nước, dầu) trên mặt vỏ Làm bẩn vỏ-Chất lỏng bên
Trên thực tế, việc lựa chọn giữa bước tam giác và vuông cho mô hình bố trí ống trao đổi PTFE (hình vuông tam giác) hiếm khi là vấn đề tối cao thuần túy. Đó là sự đánh đổi giữa hiệu suất và khả năng bảo trì. Hình dạng tam giác cung cấp một bộ trao đổi nhỏ gọn và hiệu quả hơn cho nhiệm vụ phụ-vỏ sạch. Mẫu hình vuông làm giảm một chút hiệu suất nhiệt để có thể khôi phục hiệu suất bằng cách sử dụng mũi nhọn hoặc bàn chải để xử lý cặn bẩn.

Ảnh hưởng của cách bố trí đến chi phí vòng đời của bộ trao đổi PTFE
Ngoài các vấn đề về nhiệt và thủy lực trước mắt, kiểu bố trí ống ảnh hưởng đến tổng chi phí sở hữu. Bộ trao đổi nhiệt-hình tam giác có thể có chi phí ban đầu rẻ hơn (vỏ nhỏ hơn cho cùng diện tích bề mặt) và năng lượng chạy thấp hơn (hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn) nhưng nếu mặt vỏ bị hôi và việc tẩy rửa bằng hóa chất không khôi phục được hiệu suất thì thiết bị có thể cần được thay thế sớm. Mặt khác, bộ trao đổi cao độ hình vuông có thể có vỏ lớn hơn và chi phí ban đầu cao hơn nhưng có thể được làm sạch bằng máy nhiều lần, do đó kéo dài tuổi thọ sử dụng đến vô tận.