החלטת הסדר השורות
צרור מחליף חום PTFE מורכב ממספר שורות של צינורות. הסידור של שורות אלה-בין אם הצינורות בשורה אחת נמצאים ישירות מאחורי אלו שבשורה הקודמת (בשורה) או מאופקים בחצי מרווח בין צינורות (מקומם)-משפיע הן על העברת החום והן על ירידת הלחץ.
שורות מדורגות מגבירות את המערבולת. הנוזל הזורם דרך הצרור נתקל בצינורות ישירות בדרכו במקום לעבור דרך מרווחים מיושרים. מערבולת זו מגדילה את מקדם העברת החום הצד- של המעטפת. אבל זה גם מגביר את ירידת הלחץ על הצרור. אנרגיית השאיבה עולה.
שורות מוטבעות מאפשרות לנוזל לעבור דרך תעלות מיושרות עם פחות הפרעות. העברת החום נמוכה יותר, אבל גם ירידת הלחץ. הדפוס האופטימלי תלוי בשאלה אם התהליך מרוויח יותר מהעברת חום משופרת או מהפחתת עלות השאיבה.
עבור מחליפי חום PTFE, המוליכות התרמית הנמוכה של דופן הצינור הופכת את שיפור העברת החום החיצוני לבעל ערך במיוחד. התנגדות דופן הצינור כבר גבוהה; כל שיפור במקדם החיצוני משפר ישירות את ערך ה-U- הכולל.
ההבדל בהעברת חום
בחבילות זרימה צולבת על פני צינורות, מספר Nusselt-מקדם העברת החום חסר הממדים-תלוי במספר ריינולדס, מספר Prandtl וסידור הצינורות. עבור מספר ריינולדס נתון, סידורים מדורגים מייצרים מספרי נוסלט גבוהים ב-15-25% מאשר סידורים מוטבעים.
המנגנון הוא שפיכת מערבולת. בסידור מדורג, כל צינור משיל מערבולות שפוגעות בצינורות במורד הזרם, משבשות את שכבת הגבול ומשפרות את הערבוב. בסידור מוטבע, צינורות במורד הזרם יושבים בעקבות צינורות במעלה הזרם. נוזל ההתעוררות איטי יותר וכבר חומם, מה שמפחית את הפרש הטמפרטורה האפקטיבי.
יתרון העברת החום של סידור מדורג בולט ביותר במספרים מתונים של ריינולדס (500-5,000), שהוא הטווח הטיפוסי לזרימה בצד המעטפת במחלפי חום PTFE המשרתים אמבטיות ציפוי וכבישה.
טבלה 1: השוואת ביצועים של דפוסי צינורות מוטבעים לעומת דפוסי צינור מדורגים (צינורות PTFE OD של 10 מ"מ, מרווח מרכזי של 25 מ"מ)
| פָּרָמֶטֶר | דפוס מוטבע (מרובע). | דפוס מדורג (משולש). | הֶבדֵל |
|---|---|---|---|
| מספר נוסלט יחסי (Re=2,000) | 1.0 (קו בסיס) | 1.18 | +18% |
| מקדם העברת חום יחסי | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| מקדם חיכוך (לכל שורת צינור) | 1.0 (קו בסיס) | 1.35 | +35% |
| ירידת לחץ יחסית (אותה זרימה) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| צינורות ליחידת נפח | 1.0 (קו בסיס) | 1.15 (אריזה צפופה יותר) | +15% יותר צינורות |
| שיפור כללי של -ערך U (עם קיר PTFE) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| הגברת כוח השאיבה | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| יישום מומלץ | התנגדות זרימה נמוכה קריטית | העברת חום קריטית | רוב יישומי ה-PTFE מעדיפים את ה-staggered |
יחס הגובה-ל-קוטר
המרווח-למרכז-המרכז של הצינורות ביחס לקוטר-היחס בין הגובה-ל-קוטר-משפיע על שתי התבניות. מרווח קרוב יותר מגביר את המערבולת והעברת החום אך גם מגביר את ירידת הלחץ ומצמצם את הגישה לניקוי.
עבור צינורות PTFE בסידור מדורג, יחס גובה-ל-קוטר של 2.0-2.5 מספק את האיזון הטוב ביותר בין שיפור העברת החום לבין ירידת לחץ סבירה. יחסים מתחת ל-1.8 יוצרים אריזה כה הדוקה שהזרימה בצד המעטפת מוגבלת יתר על המידה. יחסים מעל 3.0 מאבדים את יתרון הטורבולנטיות של התבנית המדורגת.
עבור סידורים מוטבעים, יחס גובה-ל-קוטר של 2.0 הוא סטנדרטי. ערוצי הזרימה המיושרים פחות רגישים למרווחים מאשר התבנית המדורגת.
השיקול הספציפי של PTFE-
צינורות PTFE גמישים. בסידורים מדורגים, הצינורות חייבים לשמור על המרווח המדויק שלהם כדי להשיג את שיפור העברת החום החזוי. אם צינורות צונחים או זזים, דפוס הסטואר מתדרדר, והעברת החום יורדת לכיוון הערך המוטבע.
לוחות תמיכה במרווחים שאינם חורגים ממגבלות המרווחים של תמיכת הצינור חיוניים כדי לשמור על הסידור המיועד. יש לקדוח את חורי לוחית התמיכה לפי התבנית המדורגת ולשמור על מיקום הצינור לאורך חיי השירות.
תַקצִיר
דפוסי שורות צינורות מדורגים בחבילות מחליפי חום PTFE מגדילות את מקדם העברת החום ב-15-25% בהשוואה לדפוסים מוטבעים, במחיר של ירידה של 30-40% בלחץ בצד המעטפת. עבור רוב יישומי PTFE, שבהם התנגדות דופן הצינור משמעותית, רווח העברת החום מצדיק את עונש ירידת הלחץ.
יחס גובה-ל-קוטר של 2.0-2.5 בסידור מדורג מייעל את האיזון. מרווח הולם של לוחות התמיכה שומר על תבנית הסטוד לאורך כל חיי הציוד.
המלצות הנדסיות לאופטימיזציה של סידור צינורות PTFE זמינות עם הגשת קצב הזרימה הצדדית של מעטפת-, ירידת לחץ מותרת, תכונות נוזל ודרישות העברת חום.
