במעטפת PTFE-ו-מחליף צינורות, נוזל צד הצינורות- יכול לעשות מסע בודד מכניסה ליציאה, או שהוא יכול להיות מנותב הלוך ושוב דרך החבילה מספר פעמים. מספר המעברים משפיע על מהירות הנוזל, יעילות העברת החום וכוח השאיבה הנדרש. מכיוון של-PTFE יש מוליכות תרמית נמוכה מטבעה (כ-0.25 W/m·K), מקסום מקדם העברת החום בצד הצינור הוא לעתים קרובות בראש סדר העדיפויות. עם זאת, הבחירה בין עיצוב-יחיד ל-מעבר אינו פשוט-היא כרוכה במסחר-מכוון בין שיפור העברת חום לבין עונש של נפילת לחץ.
הבנת סידורי Tube Pass
מספר מעברי הצינור מתייחס לכמה פעמים הנוזל העובר דרך הצינורות חוצה את אורך המחליף. מעברים נוצרים על ידי התקנת מחיצות (מחיצות מעבר) בתעלה או במכסה המנוע באחד או בשני הקצוות של המחליף. מחלקים אלה מאלצים את הנוזל לזרום רק דרך חלק מהצינורות לפני שהופכים את הכיוון ונכנסים לסט אחר של צינורות.
עיצוב כרטיס-יחיד
במחליף-מעבר (1-מעבר) אחד, הנוזל בצד הצינור נכנס לתעלה בקצה אחד, זורם ישר דרך כל הצינורות במקביל, ויוצא בקצה הנגדי. אין שימוש במפרידים פנימיים. זוהי תצורת הזרימה הפשוטה ביותר.
עיצוב ריבוי-מעברים (2 מעברים, 4 מעברים וכו')
בעיצוב מרובה-מעברים, הנוזל מבצע מעברים מרובים על פני צרור הצינורות. לדוגמה, במחליף 2-מעבר, תעלת הכניסה מחולקת לשני חלקים. נוזל נכנס למקטע אחד, זורם דרך חצי מהצינורות לקצה הרחוק, הופך כיוון במכסה מחזיר, זורם בחזרה דרך הצינורות הנותרים ויוצא מהחלק השני של תעלת צד הכניסה. במחליף 4 מעברים, התהליך חוזר על עצמו פעמיים.
מספר המעברים הוא תמיד שווה כדי לשמור על חרירי הכניסה והיציאה באותו קצה של המחליף, מה שמפשט את חיבורי הצנרת.
הבדלים מרכזיים בביצועים-תרמיים הידראוליים
ההחלטה בין אמחליף חום PTFE מעבר יחיד לעומת רב מעברהתכנון תלוי באופן שבו מושפעים מהירות הנוזל, מקדם העברת החום, ירידת הלחץ והפרש הטמפרטורה הממוצע (LMTD).
מהירות נוזל ומקדם העברת חום
עבור קצב זרימה צדדי של-כל צינור נתון, מהירות הנוזל בתוך כל צינור נקבעת לפי מספר הצינורות הפעילים בכל מעבר. בעיצוב- יחיד, כל הצינורות פעילים בו זמנית. שטח החתך- הזמין לזרימה הוא שטח הזרימה הכולל של כל הצינורות. לכן, המהירות נמוכה יחסית אלא אם קצב הזרימה הכולל גבוה.
בתכנון מרובה-מעברים, אותה זרימה כוללת נאלצת דרך רק חלק מהצינורות בכל מעבר. עבור מחליף 2-מעברים עם שתי קבוצות צינורות שוות, כל מעבר מכיל מחצית מכלל הצינורות. המהירות בכל צינור מוכפלת בהשוואה למקרה עם מעבר יחיד (עבור אותו קצב זרימה כולל). עבור עיצוב של 4 מעברים, המהירות גדלה פי ארבעה.
מהירות גבוהה יותר מגדילה את מספר ריינולדס-בצד הצינור, אשר בתורו מעלה את מקדם העברת החום ההסעה. מכיוון שלצינורות PTFE כבר יש מוליכות תרמית נמוכה, ההתנגדות המגבילה להעברת חום היא לעתים קרובות על סרט הנוזל-בצד הצינור (אם הנוזל בצד-המעטפת הוא אד מתעבה או נוזל בעל מוליכות- גבוהה). הגדלת-מהירות הצדדית של הצינור יכולה לשפר באופן משמעותי את מקדם העברת החום הכולל.
השלכות ירידת לחץ
למהירות גבוהה יותר יש מחיר: ירידת הלחץ גדלה בריבוע המהירות (בערך). עבור תכנון של 2-מעבר, ירידת הלחץ בצד הצינור- היא בערך פי ארבעה מזו של עיצוב מעבר יחיד (מהירות כפולה, בתוספת הפסדים נוספים במכסה המנוע). עבור עיצוב של 4 מעברים, ירידת הלחץ יכולה להיות גבוהה פי 16, בתוספת הפסדים משמעותיים בתאי ההיפוך.
בפועל, כוח השאיבה הזמין או ירידת הלחץ המותרת בקו התהליך מגבילים לעתים קרובות כמה מעברים ניתן להשתמש. תצורה נפוצה עבור מחליפי חום PTFE היא 2-מעבר או 4-מעבר כאשר הנוזל בצד הצינור- הוא נוזל עם צמיגות בינונית ולמשאבה יש ראש מספיק. עיצובים במעבר יחיד מועדפים כאשר הנוזל בצד הצינור הוא גז (כאשר ירידת הלחץ קריטית יותר) או כאשר קצב הזרימה כבר גבוה.
תיקון רישום טמפרטורה ממוצעת (LMTD).
עדינות חשובה היא שתכנוני ריבוי-מעברים חורגים מזרימה נגדית טהורה, ומפחיתים את כוח המניע האפקטיבי של הטמפרטורה. במחליף-מעבר יחיד עם סידור זרימה נגדית (שפופרת-נוזל צד המנוגד לכיוון של נוזל הצד-), ה-LMTD נמצא במקסימום. במחליף מרובה-מעברים, דפוס הזרימה מתקרב לזרימה מעורבת או צולבת, הדורש מקדם תיקון (מסומן בדרך כלל כ-F) המוחל על LMTD הזרם הנגדי.
עבור מחליף 2-מעבר, מקדם תיקון LMTD הוא בדרך כלל בין 0.95 ל-0.99 עבור רוב תנאי ההפעלה-הפחתה מינורית. עבור מחליפי 4-מעבר, הפקטור עשוי לרדת ל-0.90-0.95. עבור יישומים של-טמפרטורות גבוהות (כאשר טמפרטורות הכניסה והיציאה קרובות מאוד), מקדם התיקון יכול להיות נמוך משמעותית, מה שעלול לשלול את היתרונות של מהירות גבוהה יותר. לכן, עיצובים רב-מעברים הם היעילים ביותר כאשר שינוי הטמפרטורה בצד הצינור מתון.
רלוונטיות למחלפי חום PTFE
מכיוון של-PTFE יש מוליכות תרמית נמוכה, התנגדות הסרט-בצד של הצינור שולטת לרוב בהעברת החום הכוללת. שיפור מקדם הצד של-הצינור הוא אפוא יעד עיצובי ראשוני. עיצובים מרובי-מעבר משיגים זאת מבלי לדרוש קצב זרימה כולל גבוה יותר ממשאבת המפעל, מה שהופך אותם לאטרקטיביים עבור שיפוץ או יישומים שבהם קצב הזרימה קבוע.
עם זאת, צינורות PTFE רכים מבחינה מכנית ונוטים לרטט במהירויות זרימה גבוהות. מהירות מופרזת עלולה לגרום לרפרוף של הצינור, מה שמוביל להתעצבנות מפני בבל או נזק ליריעת הצינור. מהירויות צד- מומלצות טיפוסיות עבור שפופרות PTFE נעות בין 0.5 ל-2.0 מ"ש (1.6 עד 6.6 רגל/שנייה). תכנון מרובה-מעברים שמעלה את המהירות מ-0.5 מ'/שניה ל-1.0 מ'/שניה מועיל; העלאתו ל-3.0 m/s עלולה לגרום לבעיות מכניות. יש לבחור את מספר המעברים כדי לשמור על המהירות בטווח המומלץ של היצרן.
חשוב גם לאזן את רווחי העברת החום מול עלות השאיבה. בפעולות רבות של גימור משטח, משאבת התהליך כבר קיימת עבור זרימת מיכל, וירידה בלחץ הנוספת ממחליף PTFE רב- עשוי להיות מקובל. במקרים אחרים, עיצוב מעבר- יחיד עם מעטפת גדולה יותר (יותר צינורות במקביל) עשוי להשיג את אותה חובה עם ירידת לחץ נמוכה יותר, אם כי בעלות הון גבוהה יותר.
טבלת השוואה: מחליפי חום PTFE יחידים-במעבר מול רב-
הטבלה שלהלן משווה מאפייני ביצועים טיפוסיים עבור קצב זרימה צדדי של צינור כולל- קבוע ואזור העברת חום קבוע. הערכים הם להמחשה; הביצועים בפועל תלויים במידות ספציפיות ובתכונות הנוזליות.
| מספר מעברי צינור | מהירות צינור יחסית* | Relative Tube-מקדם העברת חום צדדי** | ירידת לחץ יחסי (צד צינור) | טווח מקדם תיקון LMTD | יישומים אופייניים |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (תעודה-יחידה) | 1.0 (קו בסיס) | 1.0 (קו בסיס) | 1.0 (קו בסיס) | 1.00 (אפשרי זרימה נגדית טהורה) | מערכות ירידה-בלחץ-נמוך; גזים; נוזלים בקצב-זרימה- גבוה |
| 2 (שני-עובר) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | הנפוץ ביותר עבור מחליפי PTFE נוזליים; איזון טוב |
| 4 (ארבעה-עובר) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | נוזלים-בצמיגות גבוהה או כאשר נדרש ערך U- גבוה מאוד; לבדוק את עלות השאיבה |
| 6 או 8 עוברים | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | נָדִיר; רק עם נוזלים-בצמיגות נמוכה ו-ΔP מותר גבוה |
* מהירות ביחס לעיצוב-יחיד עם ספירת צינורות וקצב זרימה זהה.
** מוערך עבור זרימה סוערת או מעבר. השיפור בפועל תלוי במעריך מספרים של ריינולדס (בדרך כלל h ~ v^0.8 עבור זרימה סוערת).
שיקולים מעשיים עבור גימור משטח
ביישומי גימור משטחים (ציפוי, אנודיזציה, כבישה), נוזל הצינור-בצד הוא לעתים קרובות אמבט התהליך עצמו-תמיסה חומצית או אלקלית עם מוצקים מרחפים או מתכות מומסות. ההנחיות המעשיות הבאות חלות:
עיצובים-יחידיםמשמשים לעתים קרובות כאשר האמבט מוזרם בקצב זרימה גבוה לערבוב או סינון מיכל. במקרים כאלה, המהירות כבר עשויה להיות מספקת, והוספת מעברים רק תגביר את ירידת הלחץ ללא רווח פרופורציונלי בהעברת החום.
שני-עיצובי מעברהם התצורה הנפוצה ביותר עבור מחליפי חום PTFE בקווי ציפוי- בינוניים. הם מספקים דחיפה משמעותית להעברת החום תוך שמירה על ירידה בלחץ בקיבולת של משאבות צנטריפוגליות סטנדרטיות (בדרך כלל אובדן 1-3 בר).
ארבעה-עיצובי מעברמשמשים כאשר שטח העברת החום הזמין מוגבל (למשל, מחליף שהותקן בדיעבד שחייב להתאים לחלל הקיים) ולמשאבה יש ראש רזרבי. הם משמשים גם לחימום נוזלים צמיגים כמו חומצה זרחתית מרוכזת או אמבטיות תהליכיות אורגניות מסוימות.
ראוי לציין שסידור הצד-של המעטפת משפיע גם על המספר האופטימלי של מעברי צינור. אם נוזל הצד-מעבה קיטור (שיש לו מקדם העברת חום גבוה מאוד), התנגדות הצד של הצינור- שולטת, ועיצובים מרובי-מעברים מועילים מאוד. אם נוזל הצד- של המעטפת הוא מי קירור עם מקדם נמוך, ייתכן ששיפור צד הצינור לבדו לא יניב שיפור כללי גדול.
דוגמה לעיצוב: בחירת מספר המעברים
שקול מחליף חום PTFE המחמם אמבט ציפוי ניקל מ-55 מעלות ל-60 מעלות באמצעות קיטור בצד המעטפת. חובת החום הנדרשת היא 100 קילוואט. משאבת הסחרור הזמינה מספקת 30 מ"ק לשעה של נוזל אמבטיה דרך המחליף. תכנון ראשוני של מעבר יחיד- באמצעות 200 צינורות בעלי זיהוי 6 מ"מ מניב מהירות צד של צינור- של 0.5 מ"ר לשנייה, ירידת לחץ של 0.3 בר ומקדם העברת חום כולל (U) מחושב של 200 W/m²·K. השטח הנדרש הוא 12 מ"ר.
על ידי מעבר לעיצוב של 2-מעברים (100 צינורות למעבר), המהירות מכפילה את עצמה ל-1.0 מ"ש. מקדם הצד- של הצינור גדל בכ-40%, ומעלה את U ל-260 W/m²·K. השטח הנדרש יורד ל-9.2 מ"ר (מחליף קטן יותר ובעלות נמוכה יותר). ירידת הלחץ עולה לכ-1.2 בר, וזה עדיין בכושר המשאבה. העיצוב של 2 מעברים מעולה בבירור.
אם נחשב תכנון של 4 מעברים (50 צינורות למעבר), המהירות מגיעה ל-2.0 מ"ש, וה-U עולה לכ-300 W/m²·K. השטח הנדרש יורד ל-8 מ"ר. עם זאת, ירידת הלחץ עולה לכ-5 בר, מה שעלול לעלות על ראש המשאבה או לגרום לצריכת אנרגיה מוגזמת. מקדם תיקון LMTD יורד ל-0.93, מה שמפחית מעט את הכוח המניע בפועל. במקרה זה, עיצוב 2-מעברים מציע את האיזון הטוב ביותר.
מַסְקָנָה
המספר האופטימלי של מעברי צינורות במחליף חום PTFE תלוי במפלת הלחץ הזמינה ובצורך לשפר את העברת החום בתוך צינורות ה-PTFE עם המוליכות- הנמוכה. עיצובי מעבר- בודדים ממזערים את ירידת הלחץ ושומרים על LMTD מלא בזרם הנגד, מה שהופך אותם למתאימים לגזים או למערכות עם יכולת שאיבה מוגבלת. עיצובים מרובי-מעברים (בדרך כלל 2-מעבר או 4-מעבר) מגבירים את מהירות צד הצינור, ומגבירים את מקדם העברת החום במחיר של ירידת לחץ גבוהה יותר והפחתה קטנה ב-LMTD. עבור רוב יישומי גימור משטח נוזלי, עיצוב שני מעברים מספק פשרה יעילה, ומספק שיפורי ביצועים משמעותיים ללא דרישות שאיבה מוגזמות.
אופטימיזציה תרמית-הידראולית היא חלק סטנדרטי בתכנון מחליף חום PTFE. המספר הנכון של מעברים נקבע על ידי איזון שיפור העברת החום מול אילוצי ירידה בלחץ, תוך כיבוד מגבלות המהירות של PTFE כדי למנוע רטט בצינור. כאשר צוין כראוי, סידור המעבר שנבחר מבטיח שהמחלף יעמוד בחובתו בצורה מהימנה ויעילה לאורך חיי השירות שלו.
