בעיית ההפצה
מחליף חום PTFE עם 60 צינורות המחוברים לראש קיטור בודד אמור, בתיאוריה, לקבל זרימת קיטור שווה לכל צינור. בפועל, הצינורות הקרובים ביותר לכניסת הכותרת מקבלים יותר קיטור מאלו שבקצה הרחוק. חוסר האיזון יוצר אזורים חמים וקרים בצרור הצינורות. צינורות קרים מתעבים קיטור בצורה לא מלאה ועלולים להציף בעיבוי. צינורות חמים פועלים בטמפרטורות קיר גבוהות מדי.
אחידות חלוקת הקיטור תלויה בפרופיל הלחץ בתוך הכותרת. כאשר קיטור זורם לאורך הכותרת, שינויי חיכוך ותנופה גורמים ללחץ הסטטי להשתנות. צינורות במקומות שונים רואים לחצי נהיגה שונים. גודל שינוי הלחץ הזה קובע את חוסר איזון הזרימה.
ספירת צינורות לכל כותרת היא משתנה עיצובי ראשוני השולט באחידות ההפצה. פחות צינורות לכל כותרת מפחיתים את אורך הכותרת ואת שינוי הלחץ לאורכו. יותר צינורות לכל כותרת מגדילים את הזרימה הכוללת, ומגדילים את וריאציות הלחץ ואת הפוטנציאל לחלוקה לקויה. ספירת הצינורות האופטימלית מאזנת את איכות ההפצה מול העלות והמורכבות של מספר כותרות.
פרופיל לחץ הכותרת
קיטור הנכנס לכותרת חווה שתי השפעות לחץ מתחרות. החיכוך בין הקיטור לקיר הכותרת גורם לירידה בלחץ לאורך כיוון הזרימה. זה נוטה להפחית את הזרימה לצינורות במורד הזרם. במקביל, כאשר אדים מסתעפים לצינורות, המהירות בכותרת פוחתת. האנרגיה הקינטית של הזרימה המאיטה הופכת ללחץ סטטי, תופעה הנקראת התאוששות לחץ. זה נוטה להגביר את הזרימה לצינורות במורד הזרם.
עבור ראשי קיטור עם מהירות כניסה נמוכה וצינורות ענפים רבים, החיכוך שולט, והצינורות במורד הזרם מורעבים. עבור כותרים עם מהירות כניסה גבוהה ומעט ענפים, התאוששות לחץ יכולה לפצות יתר על המידה, וצינורות במורד הזרם מקבלים זרימה עודפת.
העיצוב האופטימלי מאזן את ההשפעות הללו כדי להשיג לחץ כמעט אחיד- בכל פתחי הצינור. זה מושג על ידי בחירת קוטר הכותרות וספירת הצינורות כך ששונות הלחץ על פני כל נקודות ההסתעפות תהיה פחות מ-5% מסך הפרש לחץ ההנעה.
טבלה 1: ספירת צינורות מומלצת לכל כותרת לפי לחץ הקיטור וקוטר הצינור
| לחץ קיטור (ברג) | צינור OD (מ"מ) | צינורות מומלצים לכל כותרת | מקסימום צינורות לכל כותרת | קוטר כותרת (מ"מ) | שינוי זרימה צפוי |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
ערכים מבוססים על אורך צינור אחיד של 1.5 מטר, כיוון כותרת אופקי ושונות זרימת יעד מתחת ל-5%. צינורות ארוכים יותר מגבירים את התנגדות הצינורות האישיים, משפרים את ההפצה ומאפשרים ספירת צינורות מעט גבוהה יותר.
דרישת השוויון הקונדנסט
הפצת Steam היא רק חצי מהבעיה. פינוי הקונדנסט חייב להיות אחיד באותה מידה. אם לראש הקונדנסט ביציאות הצינור יש פרופיל לחץ שונה מזה של כותרת הקיטור, לחץ ההנעה נטו על פני כל צינור ישתנה גם אם לחצי אספקת הקיטור שווים.
כותרת הקונדנסט פועלת בדרך כלל עם דו-זרימה-דו-פאבית וקיטור הבזק. חלוקת הלחץ שלו מורכבת יותר מכותרת הקיטור החד-פאזי-. השוויון של נתיב הקונדנסט מושג על ידי שיפוע כותרת העיבוי כלפי מטה לכיוון מלכודת הקיטור, תוך הבטחה שאף מוצא צינור אינו שקוע בקונדנסט מצטבר, והגבלת מספר הצינורות לכל כותרת עיבוי זהה או פחות מצד הקיטור.
תצורות כותרות מעשיות
עבור מחליף חום PTFE של 60 קילוואט הדורש 60 צינורות של 10 מ"מ OD, התצורה המומלצת משתמשת בשלושה ראשי קיטור, שכל אחד מהם מזין 20 צינורות. סידור זה מגביל את שונות הזרימה לטווח של 3-5% על פני כל הצינורות. כל כותרת מתחברת לראש עיבוי נפרד בעל ספירת צינורות שווה.
עיצובי כותרות בודדות-ל-60 צינורות ניתנים לביצוע טכנית עם קוטרי כותרות גדולים מדי, אך מציגים וריאציה של 15-25% בזרימה, מה שמסכן הצפת עיבוי בצינורות המורעבים ביותר. החיסכון בעלויות מהפחתת ספירת הכותרות עולה על עונש הביצועים של חלוקה לא נכונה.
עבור מחליפים גדולים מאוד העולה על 200 צינורות, מערכת סעפת מפיצה קיטור למספר כותרות משנה-. הסעפת מטפלת בזרימת הקיטור בתפזורת, וכל תת-כותרת-מזינה מספר צינורות שניתן לניהול. גישה היררכית זו שומרת על איכות הפצה בכל קנה מידה.
תַקצִיר
ספירת צינורות לכל כותרת שולטת ישירות באחידות חלוקת הקיטור במחלפי חום PTFE מרובי-מעברים. הטווח המומלץ של 10-30 צינורות לראש, תלוי בלחץ הקיטור ובקוטר הצינור, מגביל את וריאציות הזרימה מתחת ל-5% ומונע הצפת עיבוי בצינורות מורעבים. כותרות מרובות קטנות יותר עולות על כותרת אחת גדולה מדי באיכות ההפצה ובביצועים התרמיים.
גודל נכון של כותרות, בשילוב עם עיצוב קפדני של כותרות עיבוי, מבטיח שכל צינור בחבילת PTFE תורם במלואו לחובת העברת החום הכוללת. העלות הנוספת הצנועה של מספר כותרות מוחזרת באמצעות ביטול נקודות קר וצינורות מוצפים.
המלצות הנדסיות עבור תכנון ראשי מחליף חום PTFE זמינות עם הגשת חובת החום הנדרשת, לחץ קיטור, מפרטי צינור, ואילוצים פיזיים על מיקום הכותרות.
