Швидкість, яка визначає коефіцієнт плівки
Підприємство з хімічної обробки, яке використовує теплообмінник з PTFE зі швидкістю -збоку труби 1,5 м/с, повідомляє про загальний коефіцієнт теплопередачі 250 Вт/м²·K. Коефіцієнт плівки з-процесу становить приблизно 1200 Вт/м²·K, опір стінки труби становить приблизно 0,0032 м²·K/Вт, а коефіцієнт-збоку обслуговування становить приблизно 3000 Вт/м²·K.
Загальний коефіцієнт є величиною, зворотною сумі термічних опорів. Опір плівки-з боку процесу становить 1/1,200=0.00083 м²·K/Вт. Опір стінки труби становить 0,0032 м²·K/Вт. Опір-сервісної плівки становить 1/3,000=0.00033 м²·K/Вт. Загальний опір становить 0,00436 м²·K/Вт, а загальний коефіцієнт становить 229 Вт/м²·K.
Опір плівки-з боку процесу становить приблизно 19% від загального опору. Опір стінки труби становить приблизно 73% від загального. Опір-сервісної плівки становить приблизно 8% від загального.
Якщо швидкість зменшується з 1,5 м/с до 0,75 м/с, коефіцієнт-плівки на стороні процесу падає приблизно до 690 Вт/м²·K, а опір плівки зростає до 0,00145 м²·K/Вт. Загальний опір зростає до 0,0050 м²·K/Вт, а загальний коефіцієнт падає до 200 Вт/м²·K. Загальний коефіцієнт зменшується на 13%, хоча швидкість зменшилася вдвічі.
Чому ефект менший, ніж очікувалося
Вплив швидкості на загальний коефіцієнт є меншим, ніж вплив на коефіцієнт плівки, оскільки опір плівки становить лише частину загального опору. У теплообміннику з PTFE домінує опір стінки труби, а опір плівки є другорядним.
Це відрізняється від металевого теплообмінника, де опір стінки труби незначний, а опір плівки домінує. У металевому теплообміннику зниження швидкості на 50% зменшує загальний коефіцієнт приблизно на 43%. У теплообміннику з ПТФЕ таке саме зниження швидкості зменшує загальний коефіцієнт лише на 10–15%.
Менший ефект означає, що швидкість є менш критичною для загальної продуктивності теплообмінника з PTFE, ніж у металевому теплообміннику. Однак швидкість все ще важлива з інших причин, включаючи контроль забруднення, розподіл потоку та вібрацію труби.
Ефект швидкості при різній товщині стінки
Вплив швидкості на загальний коефіцієнт залежить від товщини стінки труби. Тонша стінка має менший опір стінки, що означає, що опір плівки є більшою частиною загального опору, а ефект швидкості більший.
Для PTFE трубки зі стінкою 0,5 мм і теплопровідністю 0,25 Вт/м·K опір стінки становить 0,0020 м²·K/Вт. Загальний опір із коефіцієнтом плівки-на стороні процесу 1200 Вт/м²·K і коефіцієнтом плівки-з боку обслуговування 3000 Вт/м²·K становить 0,00316 м²·K/Вт, а загальний коефіцієнт становить 316 Вт/м²·K. Опір плівки-з боку процесу становить 26% від загального.
Якщо швидкість зменшується вдвічі, коефіцієнт-плівки на стороні процесу падає до 690 Вт/м²·К, а опір плівки зростає до 0,00145 м²·К/Вт. Загальний опір зростає до 0,00378 м²·K/Вт, а загальний коефіцієнт падає до 265 Вт/м²·K. Загальний коефіцієнт зменшується на 16% порівняно з 13% для стінки 0,8 мм.
Ефект швидкості більший для тонших стінок, оскільки опір стінки є меншою частиною загального опору.
Ефект швидкості при різних діаметрах труб
Вплив швидкості на коефіцієнт плівки залежить від діаметра трубки. Трубка меншого діаметру має вищий коефіцієнт плівки за тієї самої швидкості, оскільки потік більш турбулентний, а прикордонний шар тонший.
Для трубки діаметром 6 мм зі швидкістю 1,5 м/с число Рейнольдса становить приблизно 9000, що відповідає перехідному режиму течії. Коефіцієнт плівки становить приблизно 1000 Вт/м²·K.
Для трубки діаметром 12 мм зі швидкістю 1,5 м/с число Рейнольдса становить приблизно 18 000, що відповідає режиму турбулентного потоку. Коефіцієнт плівки становить приблизно 1500 Вт/м²·K.
Трубка більшого діаметру має вищий коефіцієнт плівки за тієї самої швидкості, оскільки число Рейнольдса вище. Проте труба більшого діаметру також має меншу площу поверхні на одиницю об’єму, що зменшує загальну площу теплопередачі для даного об’єму теплообмінника.
Кількісна оцінка впливу швидкості на загальний коефіцієнт
У наведеній нижче таблиці підсумовано загальний коефіцієнт теплопередачі при різних швидкостях збоку -трубки для теплообмінника з ПТФЕ зі стінкою 0,8 мм, діаметром трубки 9,5 мм і коефіцієнтом -з боку робочої плівки 3000 Вт/м²·K.
| Трубка-Бічна швидкість | Число Рейнольдса | Процес-коефіцієнт бічної плівки | Стійкість-бічної плівки до процесу | Повний опір | Загальний коефіцієнт | Зміна базової лінії |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Базовий рівень |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
Загальні значення коефіцієнта передбачають стіну з ПТФЕ товщиною 0,8 мм з теплопровідністю 0,25 Вт/м·К і коефіцієнтом робочої -плівки 3000 Вт/м²·К. Коефіцієнт плівки-збоку процесу обчислюється на основі кореляції Діттуса-Бельтера для турбулентного потоку.
Практичний діапазон швидкостей для PTFE теплообмінників
Діапазон практичних швидкостей для теплообмінників з ПТФЕ визначається компромісом-між перевагою теплопередачі та поразкою падіння тиску. Вища швидкість збільшує коефіцієнт плівки, але також збільшує перепад тиску, що збільшує енергію накачування.
Для більшості теплообмінників з PTFE практичний діапазон швидкості становить 1,0–2,0 м/с. Нижче 1,0 м/с коефіцієнт плівки низький, а швидкість забруднення висока. Понад 2,0 м/с падіння тиску та енергія накачування швидко зростають, а ризик вібрації та ерозії труб зростає.
Оптимальна швидкість залежить від конкретного застосування. Для чистого обслуговування з низьким потенціалом забруднення достатньою є швидкість 1,0–1,5 м/с. Для служби забруднення рекомендується швидкість 1,5–2,0 м/с, щоб зменшити рівень забруднення.
Вплив швидкості на забруднення
Швидкість впливає не тільки на коефіцієнт плівки, але й на швидкість забруднення. Вища швидкість збільшує напругу зсуву на стінці труби, що зменшує адгезію відкладень і швидкість забруднення.
Напруга зсуву пропорційна квадрату швидкості. Подвоєння швидкості збільшує напругу зсуву в чотири рази. Вища напруга зсуву видаляє відкладення зі стінки труби та запобігає їх накопиченню.
У роботі з забрудненням вплив швидкості на швидкість забруднення може бути важливішим, ніж вплив швидкості на коефіцієнт плівки. Вища швидкість зменшує частоту очищення та витрати на технічне обслуговування, навіть якщо покращення коефіцієнта плівки є помірним.
Вплив швидкості на вібрацію труби
Вища швидкість збільшує ризик вібрації труби, особливо в поперечному-напрямку потоку. Вібрація може спричинити втомні тріщини на опорах труб і з’єднаннях трубної решетки.
Ризик вібрації залежить від власної частоти трубки, відстані між опорами та швидкості потоку. Для труб з PTFE власна частота нижча, ніж для металевих труб, через нижчий модуль пружності. Ризик вібрації вищий для PTFE трубок при однаковій швидкості.
Практична межа швидкості для PTFE труб зазвичай становить 2,0–2,5 м/с, вище якої ризик вібрації стає значним. Обмеження залежить від відстані між опорами та діаметра труби.
Конструктивні особливості, які посилюють ефект швидкості
Кілька конструктивних особливостей посилюють вплив швидкості на коефіцієнт плівки.
Менший діаметр труби.Трубка меншого діаметру має вищий коефіцієнт плівки за тієї самої швидкості, оскільки число Рейнольдса вище.
Покращена поверхня труби.Поверхня труби з ребрами або канавками збільшує коефіцієнт плівки за рахунок збільшення площі поверхні та сприяння турбулентності.
Потокорозподільний колектор.Колектор розподілу потоку забезпечує рівномірний потік через пучок труб, що запобігає локальним зонам низької-швидкості.
Частотно-регульований привод.Привід із змінною частотою на насосі дозволяє регулювати швидкість потоку відповідно до потреб процесу, що підтримує оптимальне значення швидкості.
Параметри специфікації для оптимальної швидкості
Інженери з обладнання, які вибирають теплообмінник з ПТФЕ, повинні підтвердити наступні параметри у постачальника.
Розрахункова швидкість.Укажіть проектну -бічну швидкість труби. Для більшості застосувань рекомендована швидкість 1,0–2,0 м/с.
Швидкість потоку.Вкажіть розрахункову витрату та очікуваний діапазон.
Діаметр труби.Вкажіть діаметр труби на основі витрати та швидкості.
Падіння тиску.Вкажіть максимально допустимий перепад тиску.
Потенціал забруднення.Вкажіть потенціал забруднення технологічної рідини. Вища швидкість рекомендована для служби забруднення.
Ризик вібрації.Вкажіть відстань між опорами труб і вимоги до аналізу вібрації.
Контроль насоса.Вкажіть спосіб керування насосом. Для оптимального контролю швидкості рекомендується частотно-регульований привод.
Контроль температури.Вкажіть датчики температури та метод моніторингу для відстеження продуктивності теплообміну.
Відповідність швидкості теплопередачі та вимогам до забруднення
Швидкість потоку всередині трубок теплообмінника з ПТФЕ впливає на коефіцієнт теплопередачі плівки через степеневу залежність із показником приблизно 0,8. Вплив на загальний коефіцієнт менший, оскільки в теплообмінниках з ПТФЕ домінує опір стінки труби. Однак швидкість все ще важлива для контролю забруднення, розподілу потоку та вібрації труби.
Швидкість слід вибирати на основі вимог теплопередачі, потенціалу забруднення та межі падіння тиску. Для більшості застосувань рекомендована швидкість 1,0–2,0 м/с. Вища швидкість рекомендована для забруднення, а менша швидкість прийнятна для чистого обслуговування.
Для об’єктів хімічної обробки, які оцінюють варіанти теплообмінника з ПТФЕ, швидкість має бути вказана в закупівельних документах і перевірена під час введення в експлуатацію. Конфігурація за замовчуванням, надана виробником, може бути оптимізована для компактності, а не для продуктивності теплопередачі, і кінцева швидкість може не відповідати фактичним вимогам процесу.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з ПТФЕ для хімічної обробки або іншої послуги теплообміну, можуть вимагати перевірки проекту, що охоплює проектну швидкість, швидкість потоку, діаметр труби, перепад тиску, потенціал забруднення та ризик вібрації, щоб підтвердити, що пристрій відповідає фактичним вимогам процесу та структурі витрат підприємства.
