Ưu điểm tương đối của thiết kế bộ trao đổi nhiệt PTFE một{0}}đèo và nhiều{1}}đèo là gì?

Trong bộ trao đổi ống-và-ống PTFE, chất lỏng bên ống-có thể đi qua từ đầu vào đến đầu ra một lần hoặc có thể được tái tuần hoàn qua bó nhiều lần. Số lượng đường đi xác định vận tốc chất lỏng, hiệu suất truyền nhiệt và công suất bơm cần thiết. Trọng tâm thường là tối đa hóa hệ số truyền nhiệt phía ống-vì PTFE có độ dẫn nhiệt thực chất thấp (khoảng 0,25 W/m·K). Tuy nhiên, việc lựa chọn thiết kế một-một lượt hoặc nhiều{10}}một lượt không phải là chuyện nhỏ-đó là sự cân bằng-có ý thức giữa mức tăng truyền nhiệt và mức giảm áp suất.

Giải thích về sự sắp xếp của Tube Pass
Số lần đi qua ống là số lần chất lỏng đi qua các ống chảy trên chiều dài của bộ trao đổi. Đường chuyền được tạo ra bằng cách đặt các bộ chia (vách ngăn đường chuyền) trong kênh hoặc nắp ca-pô ở một hoặc cả hai đầu của bộ trao đổi. Những bộ chia này chỉ cho phép chất lỏng chảy qua một số ống, trước khi đảo ngược và chảy vào bộ ống khác.

Cấu trúc một lần
Trong bộ trao đổi-đường chuyền (1{2}}đường chuyền), chất lỏng bên ống đi vào kênh ở một đầu, chạy song song trực tiếp qua tất cả các ống và thoát ra ở đầu đối diện. Không có bức tường bên trong. Đây là thiết kế dòng chảy đơn giản nhất.

Thiết kế nhiều{0}}đèo (2 đường chuyền, 4 đường chuyền, v.v.)
Trong cách sắp xếp nhiều{0}}đường truyền, chất lỏng sẽ đi qua bó ống nhiều lần. Ví dụ: với bộ trao đổi 2-pass, kênh luồng vào được tách thành hai phần. Chất lỏng được đưa vào một phần, đi qua một nửa ống đến đầu xa, đổi hướng trong nắp ca-pô quay trở lại, đi ngược lại qua các ống còn lại và rời khỏi phần thứ hai của kênh phía đầu vào. Trong bộ trao đổi 4 pass, thao tác này được lặp lại hai lần.

Số lượng đường dẫn luôn là số chẵn sao cho đầu vào và đầu ra nằm trên cùng một đầu của bộ trao đổi nhiệt, giúp đơn giản hóa việc kết nối đường ống.

Những khác biệt cơ bản về hoạt động nhiệt{0}}thủy lực
Việc lựa chọn thiết kế bộ trao đổi nhiệt PTFE một lượt hoặc nhiều lượt bị ảnh hưởng bởi tác động lên vận tốc chất lỏng, hệ số truyền nhiệt, giảm áp suất và chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD).

Hệ số truyền nhiệt và vận tốc chất lỏng
Vận tốc của chất lỏng trong mỗi ống là hàm của số lượng ống được sử dụng cho mỗi lần truyền đối với tổng tốc độ dòng chảy phía ống cụ thể. Trong thiết kế một lần, tất cả các ống đều hoạt động cùng một lúc. Diện tích dòng chảy có sẵn là tổng diện tích dòng chảy của tất cả các ống. Do đó, vận tốc khá nhỏ trừ khi tổng tốc độ dòng chảy lớn.

Trong thiết kế nhiều{0}}đường chuyền, tổng lưu lượng tương tự được dẫn qua mỗi đường chuyền chỉ bằng cách sử dụng một phần nhỏ số ống. Trong bộ trao đổi 2-đường chuyền có hai nhóm ống giống hệt nhau, mỗi đường chuyền chứa một nửa tổng số ống. Vận tốc trong mỗi ống tăng gấp đôi so với kịch bản truyền một lần (với cùng tốc độ dòng chảy). Vận tốc tăng gấp bốn lần với cấu hình 4 lượt.

Hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng khi số Reynolds phía ống tăng do vận tốc tăng. Trở ngại hạn chế đối với việc truyền nhiệt thường là màng chất lỏng bên-ống (cho dù chất lỏng bên-vỏ là hơi ngưng tụ hay chất lỏng-có độ dẫn cao). Vì các ống PTFE vốn đã có độ dẫn nhiệt kém nên việc tăng vận tốc bên ống có thể nâng cao đáng kể hệ số truyền nhiệt tổng thể.

Ảnh hưởng của việc giảm áp suất
Chi phí vận tốc cao hơn: Độ giảm áp suất tăng theo bình phương vận tốc (đại khái). Đối với thiết kế 2-đường chuyền, độ giảm áp suất bên ống khoảng 4 lần so với thiết kế đường chuyền đơn (vận tốc gấp đôi + tổn thất bổ sung trong nắp ca-pô hồi lưu). Đối với thiết kế 4 pass, độ sụt áp có thể lớn hơn 16 lần, cộng với tổn thất lớn trong buồng đảo chiều.

Trong thực tế, số lượng đường chuyền được sử dụng thường bị hạn chế bởi công suất bơm sẵn có hoặc tổn thất áp suất cho phép trong dây chuyền xử lý. Cách bố trí thông thường cho bộ trao đổi nhiệt PTFE là 2-pass hoặc 4-pass. Nếu chất lỏng ở phía ống là chất lỏng có độ nhớt vừa phải và máy bơm có đủ cột áp, thì thiết kế một lượt được ưu tiên sử dụng chất lỏng phía ống khí (nơi mà độ sụt áp trở nên quan trọng hơn) hoặc với tốc độ dòng chảy đã cao.

Hiệu chỉnh chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD)
Một điểm khác biệt chính là hệ thống nhiều{0}}không phải là dòng ngược thuần túy, điều này làm giảm lực truyền động nhiệt độ hiệu quả. LMTD cao nhất trong bộ trao đổi nhiệt đơn có bố trí dòng ngược (chất lỏng phía ống ngược hướng với chất lỏng phía vỏ). Trong bộ trao đổi nhiều-thông, mẫu dòng chảy gần với dòng hỗn hợp hoặc dòng chéo và hệ số hiệu chỉnh (đôi khi được gọi là F) được áp dụng cho LMTD ngược dòng.

Đối với bộ trao đổi 2-thông, hệ số hiệu chỉnh LMTD thường nằm trong khoảng 0,95 đến 0,99 đối với hầu hết các tình huống vận hành - một mức giảm nhỏ. Đối với bộ trao đổi 4 bước, hệ số có thể thấp tới 0,90-0,95. Đối với các ứng dụng chéo nhiệt độ cao (trong đó nhiệt độ đầu vào và đầu ra rất gần nhau), hệ số hiệu chỉnh có thể thấp hơn đáng kể so với 1 vì lợi ích của vận tốc cao hơn có thể bị phủ nhận. Do đó, thiết kế nhiều đường dẫn thành công nhất đối với sự thay đổi nhiệt độ khiêm tốn ở phía ống.

Tầm quan trọng của bộ trao đổi nhiệt PTFE
Vì PTFE có độ dẫn nhiệt thấp nên điện trở-của màng bên ống thường chiếm ưu thế trong quá trình truyền nhiệt tổng thể. Do đó, một trong những mục tiêu thiết kế quan trọng là cải thiện hệ số bên ống-. Thiết kế nhiều{4}}đường chuyền thực hiện được điều này mà không yêu cầu tốc độ dòng chảy tổng thể lớn hơn từ máy bơm của nhà máy, khiến chúng trở nên phù hợp cho việc trang bị thêm hoặc khi tốc độ dòng chảy được cố định.

Tuy nhiên, ống PTFE mềm về mặt cơ học và có thể rung ở vận tốc dòng chảy cao. Vận tốc quá mức có thể tạo ra hiện tượng rung ống và dẫn đến hiện tượng lo lắng ở các vách ngăn hoặc hư hỏng thành ống. Đối với ống PTFE, vận tốc bên ống được đề xuất điển hình là 0,5 đến 2,0 m/giây (1,6 đến 6,6 ft/giây). Thiết kế nhiều đường chuyền giúp tăng vận tốc từ 0,5 m/s lên 1,0 m/s là tốt, nhưng việc tăng vận tốc lên 3,0 m/s có thể gây ra các vấn đề cơ học. Nên chọn số lần chạy để giữ vận tốc trong phạm vi do nhà sản xuất quy định.

Ngoài ra, lợi thế truyền nhiệt phải được cân bằng với chi phí bơm. Một máy bơm xử lý đã có sẵn để tuần hoàn bể. Sự giảm áp suất của bộ trao đổi PTFE nhiều{2}}có thể được chấp nhận trong nhiều quy trình hoàn thiện bề mặt. Ngoài ra, thiết kế một đường dẫn có vỏ lớn hơn (nhiều ống song song hơn) có thể thực hiện chức năng tương tự ở mức giảm áp suất thấp hơn nhưng chi phí vốn cao hơn.

Bảng so sánh: Bộ trao đổi nhiệt PTFE-pass đơn và Multi{1}}pass
Bảng sau đây hiển thị số liệu thống kê hiệu suất điển hình cho tổng tốc độ dòng chảy bên ống-cố định và diện tích truyền nhiệt cố định. Các giá trị mang tính đại diện; hiệu suất thực tế sẽ dựa vào chi tiết về kích thước và đặc tính chất lỏng.

Số lượng ống đi qua Vận tốc ống tương đối* Ống tương đối-Hệ số truyền nhiệt bên** Độ giảm áp suất tương đối (Phía ống) Phạm vi hệ số hiệu chỉnh LMTD Các ứng dụng điển hình
1 (Đạt một lần{1}}) 1.0 (đường cơ sở) 1.0 (đường cơ sở) 1.0 (đường cơ sở) 1.00 (có thể hình dung được dòng chảy ngược thuần túy)Chất lỏng có tốc độ dòng chảy cao; khí; hệ thống giảm áp suất thấp
2 (Hai-Đạt) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Cân bằng tốt Phổ biến nhất đối với bộ trao đổi chất lỏng PTFE
4 (Bốn-Đạt) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Yêu cầu chất lỏng có độ nhớt cao hoặc giá trị U-cực cao; kiểm tra chi phí bơm
6 hoặc 8 Đạt 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Hiếm; chỉ với chất lỏng có độ nhớt thấp và Vận tốc ΔP cho phép cao so với thiết kế một lượt với cùng số lượng ống và tốc độ dòng chảy. Ước tính cho dòng chảy rối hoặc chuyển tiếp. Sự cải thiện thực sự phụ thuộc vào số mũ Reynolds (thường là h ~ v^0,8 đối với dòng chảy rối).

Những cân nhắc thực tế trong việc hoàn thiện bề mặt
Trong nhiều ứng dụng hoàn thiện bề mặt (mạ, anodizing, tẩy gỉ), chất lỏng ở phía ống thường là dung dịch xử lý, một dung dịch axit hoặc kiềm có chứa các hạt lơ lửng hoặc kim loại hòa tan. Các hướng dẫn thực tế sau đây được áp dụng:

Sự tuần hoàn tốc độ dòng chảy cao của bể để trộn hoặc lọc bể thường xảy ra trong các thiết kế-một lần. Trong những trường hợp như vậy, vận tốc có thể đã đủ và nhiều đường chuyền hơn sẽ chỉ làm tăng độ giảm áp suất mà không làm tăng sự truyền nhiệt tương ứng.

Thiết kế hai đường chuyền là thiết kế trao đổi nhiệt PTFE được sử dụng nhiều nhất cho các dây chuyền mạ có kích thước khiêm tốn. Sự truyền nhiệt được tăng cường đáng kể trong khi độ giảm áp suất được duy trì trong giới hạn của máy bơm ly tâm thông thường (thường mất 1–3 bar).

Thiết kế bốn{0}}pass được sử dụng khi diện tích truyền nhiệt sẵn có bị hạn chế (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt được trang bị thêm phải vừa với không gian hiện có) và máy bơm có đầu dự phòng. Chúng cũng được sử dụng để đun nóng chất lỏng nhớt như axit photphoric đậm đặc hoặc các bể xử lý hóa học khác.

Người ta cũng đề cập rằng số lượng ống đi qua tối ưu bị ảnh hưởng bởi bố cục bên{0}}vỏ. Nếu chất lỏng bên-vỏ là sự ngưng tụ của hơi nước (có hệ số truyền nhiệt rất cao) thì điện trở bên-ống chiếm ưu thế và thiết kế nhiều{4}}đường truyền rất thuận lợi. Nếu chất lỏng phía vỏ là nước làm mát có hệ số thấp thì việc chỉ cải thiện phía ống có thể không mang lại lợi ích tổng thể đáng kể.

Ví dụ thiết kế: Chọn bao nhiêu đường chuyền
Hãy xem xét một bộ trao đổi nhiệt PTFE làm nóng bể mạ niken từ 55 độ C đến 60 độ C bằng cách sử dụng hơi nước ở phía vỏ. Công suất nhiệt yêu cầu là 100 kW. Bơm tuần hoàn có thể tuần hoàn dung dịch tắm với lưu lượng 30 m3/h thông qua bộ trao đổi nhiệt. Thiết kế một lượt sơ bộ với 200 ống đường kính 6 mm mang lại vận tốc cạnh ống là 0,5 m/s, độ giảm áp suất là 0,3 bar và tổng hệ số truyền nhiệt tính toán (U) là 200 W/m2.K. Diện tích cần thiết là 12 mét vuông.

Thiết kế 2 lượt (100 ống/lượt) tăng gấp đôi vận tốc lên 1,0 m/s. Hệ số bên ống tăng gần 40%, tạo ra U là 260 W/m2K. diện tích cần thiết giảm xuống còn 9,2 m2 (bộ trao đổi nhiệt nhỏ hơn, rẻ hơn). Tổn thất áp suất tăng lên khoảng 1,2 bar, vẫn nằm trong khả năng của máy bơm. Thiết kế 2-pass chắc chắn là tốt hơn.

Đối với cấu hình 4 lượt (50 ống mỗi lượt), vận tốc là 2,0 m/s và U được tăng lên khoảng 300 W/m2.K. Diện tích yêu cầu 8 m2 Tuy nhiên, độ giảm áp suất khoảng 5 bar, có thể lớn hơn đầu bơm hoặc dẫn đến mức sử dụng năng lượng cao. Hệ số điều chỉnh cho LMTD là 0,93, điều này phần nào làm giảm lực dẫn động thực tế. Trong trường hợp này, sự thỏa hiệp lý tưởng là thiết kế 2 lượt.

Lời cuối cùng