قرار ترتيب الصف
تتكون حزمة المبادل الحراري PTFE من صفوف متعددة من الأنابيب. يؤثر ترتيب هذه الصفوف-سواء كانت الأنابيب الموجودة في صف واحد مباشرة خلف تلك الموجودة في الصف السابق (مضمنة) أو يقابلها نصف مسافة بين الأنابيب (متداخلة)-على كل من نقل الحرارة وانخفاض الضغط.
الصفوف المتداخلة تزيد من الاضطراب. ويواجه السائل الذي يتدفق عبر الحزمة الأنابيب مباشرة في طريقه بدلاً من المرور عبر الفجوات المحاذية. يؤدي هذا الاضطراب إلى زيادة معامل انتقال الحرارة الجانبي - للغلاف. ولكنه يزيد أيضًا من انخفاض الضغط عبر الحزمة. ضخ الطاقة يرتفع.
تسمح الصفوف المضمنة للسائل بالمرور عبر القنوات المحاذاة مع إزعاج أقل. يكون انتقال الحرارة أقل، ولكن أيضًا انخفاض الضغط. ويعتمد النمط الأمثل على ما إذا كانت العملية تستفيد بشكل أكبر من نقل الحرارة المعزز أو من انخفاض تكلفة الضخ.
بالنسبة للمبادلات الحرارية PTFE، فإن التوصيل الحراري المنخفض لجدار الأنبوب يجعل تعزيز نقل الحرارة الخارجي ذا قيمة خاصة. مقاومة جدار الأنبوب مرتفعة بالفعل؛ يؤدي أي تحسن في المعامل الخارجي إلى تحسين قيمة U- الإجمالية بشكل مباشر.
فرق انتقال الحرارة
في التدفق المتقاطع عبر حزم الأنابيب، يعتمد رقم نسلت-معامل نقل الحرارة بدون أبعاد-على رقم رينولدز ورقم براندتل وترتيب الأنبوب. بالنسبة لرقم رينولدز معين، تنتج الترتيبات المتداخلة أرقام نسلت أعلى بنسبة 15-25% من الترتيبات المضمنة.
الآلية هي سفك دوامة. في ترتيب متدرج، يلقي كل أنبوب دوامات تصطدم بالأنابيب السفلية، مما يؤدي إلى تعطيل الطبقة الحدودية وتعزيز الخلط. في الترتيب الخطي، تجلس الأنابيب السفلية في أعقاب الأنابيب العلوية. يكون سائل الاستيقاظ أبطأ وقد تم تسخينه بالفعل، مما يقلل الفرق الفعال في درجة الحرارة.
تكون ميزة نقل الحرارة للترتيب المتدرج أكثر وضوحًا عند أرقام رينولدز المعتدلة (500-5,000)، وهو النطاق النموذجي للتدفق من جانب الصدفة في المبادلات الحرارية PTFE التي تخدم حمامات الطلاء والتخليل.
الجدول 1: مقارنة أداء أنماط الأنابيب المضمنة مقابل أنماط الأنابيب المتداخلة (أنابيب OD PTFE مقاس 10 مم، وتباعد مركزي يبلغ 25 مم)
| المعلمة | نمط مضمن (مربع). | نمط متداخلة (مثلث). | اختلاف |
|---|---|---|---|
| رقم نسلت النسبي (Re=2,000) | 1.0 (خط الأساس) | 1.18 | +18% |
| معامل انتقال الحرارة النسبي | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| عامل الاحتكاك (لكل صف أنبوب) | 1.0 (خط الأساس) | 1.35 | +35% |
| انخفاض الضغط النسبي (نفس التدفق) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| أنابيب لكل وحدة حجم | 1.0 (خط الأساس) | 1.15 (التعبئة الأكثر كثافة) | +15% المزيد من الأنابيب |
| تحسين القيمة الإجمالية -(باستخدام جدار PTFE) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| زيادة قوة الضخ | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| التطبيق الموصى به | مقاومة التدفق المنخفضة حرجة | نقل الحرارة أمر بالغ الأهمية | معظم تطبيقات PTFE تفضل التداخل |
نسبة العرض-إلى-القطر
تؤثر المسافة بين المركز-إلى-مركز الأنابيب بالنسبة لقطرها-درجة الميل-إلى-نسبة القطر-على كلا النموذجين. يزيد التباعد الأقرب من الاضطراب وانتقال الحرارة ولكنه يزيد أيضًا من انخفاض الضغط ويقلل من إمكانية الوصول للتنظيف.
بالنسبة لأنابيب PTFE ذات الترتيب المتدرج، توفر نسبة القطر -إلى-القطر 2.0-2.5 أفضل توازن بين تحسين نقل الحرارة وانخفاض الضغط المعقول. تؤدي النسب الأقل من 1.8 إلى إنشاء تعبئة محكمة بحيث يتم تقييد التدفق من جانب الصدفة بشكل مفرط. تفقد النسب الأعلى من 3.0 ميزة الاضطراب للنمط المتدرج.
بالنسبة للترتيبات المضمنة، تكون نسبة الملعب-إلى-القطر 2.0 بشكل قياسي. تكون قنوات التدفق المحاذاة أقل حساسية للتباعد من النمط المتدرج.
الاعتبارات الخاصة بـ PTFE-.
أنابيب PTFE مرنة. في الترتيبات المتداخلة، يجب أن تحافظ الأنابيب على التباعد الدقيق بينها لتحقيق تعزيز نقل الحرارة المتوقع. إذا تراجعت الأنابيب أو تحركت، فإن النمط المتدرج يتدهور، وينخفض نقل الحرارة نحو القيمة المضمنة.
تعتبر لوحات الدعم على فترات لا تتجاوز حدود تباعد دعم الأنبوب ضرورية للحفاظ على الترتيب المقصود. يجب حفر فتحات لوحة الدعم وفقًا للنمط المتدرج والحفاظ على موضع الأنبوب طوال فترة الخدمة.
ملخص
تعمل أنماط صفوف الأنابيب المتداخلة في حزم المبادلات الحرارية PTFE على زيادة معامل نقل الحرارة بنسبة 15-25% مقارنة بالأنماط المضمنة، بتكلفة 30-40% انخفاض ضغط أعلى من جانب الغلاف. بالنسبة لمعظم تطبيقات PTFE، حيث تكون مقاومة جدار الأنبوب كبيرة، فإن كسب نقل الحرارة يبرر عقوبة انخفاض الضغط.
تعمل نسبة الملعب-إلى-القطر من 2.0 إلى 2.5 بترتيب متدرج على تحسين التوازن. تحافظ المسافة الكافية بين لوحات الدعم على النمط المتدرج طوال عمر الجهاز.
تتوفر التوصيات الهندسية لتحسين ترتيب حزمة أنابيب PTFE عند تقديم متطلبات معدل التدفق الجانبي للهيكل، وانخفاض الضغط المسموح به، وخصائص السوائل، ونقل الحرارة.
