عند تحديد حجم غلاف المبادل الحراري-و-الأنبوب، يكون حساب جانب الأنبوب-مباشرًا. ومع ذلك، يقدم جانب الصدفة- تعقيدات من خلال ترتيبات الحواجز وتدفقات التسرب التي يمكن أن تغير الأداء المتوقع بشكل كبير.
لماذا يعتبر نقل الحرارة الجانبي-مهمًا في المبادلات الحرارية PTFE
يمثل معامل نقل الحرارة الجانبي - للغلاف فعالية نقل الحرارة بين السائل الجانبي - للغلاف وجدار الأنبوب. وهو مكون حاسم في تحديد معامل نقل الحرارة الإجمالي (قيمة U-)، والذي يتحكم بشكل مباشر في حجم المبادل وأدائه.
في المبادلات الحرارية PTFE، تصبح هذه المعلمة أكثر أهمية لأن PTFE لديه موصلية حرارية منخفضة نسبيًا مقارنة بالمعادن. ونتيجة لذلك، تكون المقاومة الحرارية الإجمالية أكثر حساسية لكلا معاملي الفيلم السائل. غالبًا ما يُلاحظ أنه حتى الأخطاء المعتدلة في تقدير جانب الصدفة-يمكن أن تؤدي إلى تصغير حجم المبادل أو تضخيمه بشكل كبير.
لحساب معامل نقل الحرارة من جانب الغلاف بشكل صحيح، يجب مراعاة كل من الهندسة وسلوك التدفق داخل الغلاف، خاصة عند استخدام الحواجز القطاعية.
نظرة عامة على طريقة كيرن
تعد طريقة Kern طريقة تجريبية مستخدمة على نطاق واسع للتصميم الحراري الجانبي الأولي للقشرة-. إنه يوفر تقديرًا عمليًا لأداء نقل الحرارة للمبادلات ذات الغلاف - والأنبوب - المجهزة بحواجز مقطعية، عادةً مع قطع حاجز بنسبة 25%.
يتضمن الأسلوب الشائع التعامل مع التدفق الجانبي للغلاف-كتدفق متقاطع على ضفاف الأنابيب، مع تطبيق عوامل التصحيح لمراعاة تأثيرات التجاوز والتسرب والتباعد بين الحاجز. تعمل الطريقة على تبسيط مجال التدفق المعقد إلى ارتباط هندسي يمكن التحكم فيه.
من الناحية العملية، تتطلب طريقة Kern معلمات إدخال أساسية مثل:
قطر القشرة
تخطيط الأنبوب والملعب
تباعد يربك وقطع يربك
خصائص الغلاف-المائع الجانبي (اللزوجة، الكثافة، التوصيل الحراري)
سرعة التدفق عبر حزمة الأنبوب
ينتج عن الحساب الناتج تقديرًا لمعامل نقل الحرارة الجانبي -للغلاف، والذي يُستخدم بعد ذلك في تحديد قيمة U- بشكل عام.
مثال مفاهيمي لحسابات Shell-الجانبية
يساعد المثال المبسط في توضيح النهج. خذ بعين الاعتبار غلاف PTFE-و-المبادل الحراري للأنبوب المستخدم لتسخين الماء على جانب الغلاف باستخدام تكثيف البخار داخل الأنابيب.
عادةً ما يوفر تكثيف البخار معامل نقل حرارة داخليًا عاليًا، وغالبًا ما يكون في نطاق عدة آلاف من واط/م² · كلفن. ومن ثم يصبح العامل المحدد هو تدفق الماء الجانبي للصدفة-.
باستخدام طريقة Kern، قد ينتج عن تدفق الماء عبر حاجز -حزمة أنابيب مدعمة غلاف -معامل نقل حرارة جانبي في نطاق يتراوح بين 500–1500 واط/م²·ك تقريبًا، اعتمادًا على السرعة وتباعد الحاجز واللزوجة.
غالبًا ما يُلاحظ أن زيادة سرعة التدفق تعمل على تحسين المعامل، ولكنها تزيد أيضًا من انخفاض الضغط. تعتبر هذه المقايضة-أساسية لتحسين المبادل.
تعديلات لتصميم المبادل الحراري PTFE
عند استخدام أنابيب PTFE، يجب إدخال اعتبارات إضافية. تعمل الموصلية الحرارية المنخفضة لـ PTFE (~0.25 واط/م·ك) على زيادة مقاومة الجدار، مما يجعل معامل نقل الحرارة الإجمالي أكثر حساسية لكلا معاملي الفيلم.
يتضمن التعديل الهندسي الشائع تطبيق عوامل تصحيح أو هوامش أمان متحفظة لمراعاة ما يلي:
انخفاض كفاءة توصيل الجدار
هياكل دعم الأنابيب غير المعدنية
خصائص التلوث المحتملة في الخدمة الكيميائية
من الناحية العملية، توفر طريقة Kern القياسية خط أساس معقول، ولكن دقة التصميم النهائي غالبًا ما تتطلب تحسينًا باستخدام بيانات الشركة المصنعة- المحددة أو منحنيات الأداء التجريبية للمبادلات المستندة إلى PTFE-.
تعتمد الحسابات التفصيلية أيضًا على دقة خصائص الموائع المفترضة، وخاصة اللزوجة، والتي تؤثر بشدة على رقم رينولدز -الجانبي وتطور الاضطراب.
النطاقات النموذجية لمعامل نقل الحرارة الجانبية-الصدفية
| نوع الخدمة | الغلاف النموذجي-المعامل الجانبي (W/m²·K) | خصائص التدفق |
|---|---|---|
| سائل-سائل | 300 - 1500 | اضطراب معتدل |
| الغاز السائل | 50 - 300 | كثافة منخفضة، نقل حرارة أقل |
| خدمة التكثيف | 1000 - 6000 | معدلات نقل الحرارة العالية |
هذه القيم إرشادية وتعتمد بشدة على السرعة وتكوين الحاجز وخصائص السوائل.
خاتمة
توفر طريقة Kern أسلوبًا عمليًا ومقبولًا على نطاق واسع لتقدير أداء نقل الحرارة الجانبي للغلاف-في التصميم الأولي للمبادل. ومع ذلك، بالنسبة للمبادلات الحرارية PTFE، يجب مراعاة المقاومة الحرارية الإضافية والسلوك المحدد للمادة- لضمان الدقة.
في حين أن القدرة على حساب معامل نقل الحرارة من جانب الغلاف باستخدام الارتباطات القياسية تعتبر ذات قيمة لمراحل التصميم المبكرة، فإن الحجم الحراري النهائي غالبًا ما يستفيد من بيانات الشركة المصنعة والنمذجة المكررة. يضمن التصميم الحراري الدقيق أن المبادل يلبي متطلبات العملية دون زيادة مساحة السطح أو التكلفة أو عدم اليقين في الأداء.
