چگونه یک مبدل حرارتی صفحه-و-قاب با واشر PTFE با یک واحد PTFE پوسته-و-لوله مقایسه می‌شود؟

مبدل‌های پوسته-و-لوله‌ای بر خدمات خورنده غالب هستند، اما مبدل‌های صفحه-و-صفحه‌ای با واشرهای فلوروپلیمری جایگزین قانع‌کننده‌ای هستند. هندسه اساسی آنها ویژگی های عملکرد متفاوتی را به همراه دارد که ممکن است در کاربردهای خاص سودمند باشد. برای سیالات فرآیندی که تمیز و با فشار متوسط ​​هستند، یک صفحه-و-طراحی قاب با واشرهای PTFE می‌تواند بازده انتقال حرارت عالی و ردپایی بسیار کوچک‌تر را در مقایسه با مبدل‌های سنتی پوسته و{{9} PTFE ارائه دهد.

نمای کلی طراحی: Plate-و-Frame در مقابل Shell-و-Tube

مبدل های حرارتی صفحه-و-قابشامل یک سری صفحات فلزی راه راه است که در یک قاب فشرده شده اند. هر صفحه دارای یک واشر است-که در این مورد از PTFE یا فلوروپلیمر دیگری ساخته شده است-که کانال های جریان را آب بندی می کند و سیالات سرد و گرم را به مسیرهای متناوب هدایت می کند. سیالات در الگوهای جریان متقابل یا متقاطع در شکاف های باریک و پرپیچ و خم بین صفحات جریان دارند. موج‌ها حتی در سرعت‌های جریان کم، تلاطم ایجاد می‌کنند و انتقال حرارت را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند.

مبدل های حرارتی پوسته PTFE-و-لوله(همانطور که در مقالات قبلی توضیح داده شد) از یک بسته لوله PTFE در داخل یک پوسته فلزی یا پلاستیکی استفاده کنید. سیال خورنده از طریق لوله ها (یا اطراف آنها) جریان می یابد، در حالی که سیال سرویس در سمت مخالف جریان دارد. انتقال حرارت متکی به رسانش از طریق دیواره های لوله PTFE نسبتاً ضخیم است و جریان معمولاً آرام آرام یا تلاطم کم-است مگر اینکه از سرعت های بالا استفاده شود.

یک تمایز کلیدی در مواد سطح انتقال حرارت نهفته است. در طراحی صفحه-و-قاب، صفحات فلزی هستند (معمولاً فولاد ضد زنگ، هاستلوی، تیتانیوم یا آلیاژهای دیگر) و فقط واشرها از جنس PTFE هستند. سیال فرآیند با صفحات فلزی و واشرهای PTFE تماس می گیرد. در پوسته-و-واحد لوله PTFE، همه سطوح خیس شده از جنس PTFE هستند که مقاومت در برابر خوردگی جهانی را ارائه می‌کنند اما به قیمت رسانایی حرارتی بسیار پایین‌تر.

عملکرد حرارتی: مقادیر U- بالاتر از هندسه صفحه

مهمترین مزیت مبدل صفحه-و{- ضریب انتقال حرارت کلی آن (U‑value) است. عوامل متعددی در این امر نقش دارند:

صفحات فلزی نازک- ضخامت صفحه معمولاً 0.5 تا 1.0 میلی متر در مقایسه با دیواره های لوله PTFE 1.0 تا 2.0 میلی متر است. رسانایی حرارتی فلز (فولاد ضد زنگ ~ 15 W/m·K، تیتانیوم ~17 W/m·K، Hastelloy ~10 W/m·K) مرتبه ای بالاتر از PTFE (~0.25 W/m·K) است. حتی با وجود مقاومت بیشتر درزگیرهای واشر PTFE (که تنها بخش کوچکی از مساحت کل هستند)، صفحه فلزی گرما را به مراتب کارآمدتر هدایت می کند.

تلاطم بالا- هندسه صفحه موجدار تلاطم موضعی شدید ایجاد می کند، لایه های مرزی را می شکند و مقاومت همرفتی را در هر دو طرف سیال تا حد زیادی کاهش می دهد. در واحدهای PTFE پوسته‌-و-لوله‌ای، جریان داخل لوله‌های PTFE با قطر کوچک-اغلب آرام است مگر اینکه قدرت پمپاژ بالا اعمال شود، و جریان جانبی پوسته نیز نسبتاً ملایم است.

جریان فعلی شمارنده واقعی-– طرح‌های صفحه-و-قاب می‌توانند جریان تقریباً-میزان‌گر- عالی را به دست آورند و اختلاف میانگین دمایی گزارش (LMTD) را به حداکثر برسانند. مبدل‌های PTFE پوسته-و-لوله‌ای اغلب از ترتیبات جریان متقاطع یا مختلط- استفاده می‌کنند که از نظر ترمودینامیکی کارایی کمتری دارند.

در عمل، یک مبدل صفحه-و-قاب با واشرهای PTFE می‌تواند به مقادیر U-کلی دست یابد.سه تا پنج برابر بیشتراز یک پوسته PTFE-و-واحد لوله برای یک جفت سیال مشابه. برای سرویس آب{3}}مبدل صفحه ای ممکن است به 3000-5000 W/m²·K برسد، در حالی که یک پوسته{8}}و-PTFE ممکن است فقط به 200-400 W/m²·K برسد. برای خدمات شیمیایی خورنده، مزیت قابل توجهی باقی می ماند، اگرچه مقادیر مطلق به خواص سیال و تمایلات رسوب بستگی دارد.

ردپای و وزن: فشردگی طراحی صفحه

از آنجا که مقدار U به طور قابل توجهی بالاتر است، یک مبدل صفحه-و{-به سطح بسیار کمتری برای انتقال یک وظیفه گرمایی معین نیاز دارد. ردپای حاصل معمولاً استیک سوم تا یک پنجمپوسته PTFE-و-مبدل لوله با عملکرد حرارتی معادل. وزن نیز به طور قابل ملاحظه ای کمتر است، زیرا بسته صفحه بسیار سبک تر از یک بسته لوله PTFE به همراه یک پوسته فلزی است.

در برنامه‌هایی که فضا در آنها ممتاز است-مانند مقاوم‌سازی در اسکیت‌های فرآیند موجود، سکوهای دریایی، یا کارخانه‌های شیمیایی مدولار-فشردگی صفحه-و{3}}طراحی قاب یک مزیت آشکار است. یک مبدل PTFE-و-مبدل لوله با کار مشابه ممکن است چندین متر طول داشته باشد و سطح کف بزرگی را اشغال کند، در حالی که یک مبدل صفحه را می توان به صورت عمودی یا افقی در کسری از آن فضا نصب کرد.

محدودیت های فشار و دما

پوسته PTFE-و-واحدهای لوله(با پوسته‌های فلزی) می‌تواند فشارهای متوسط ​​تا زیاد را تحمل کند-معمولاً تا 6 تا 10 بار در سمت لوله و 10 تا 20 بار در سمت پوسته، بسته به طرح. خود لوله‌های PTFE فشار محدودی دارند- اما پوسته فلزی محفظه‌ای قوی ایجاد می‌کند. دما برای لوله های PTFE می تواند به 110-120 درجه برسد. با لوله های PFA، تا 150-180 درجه امکان پذیر است.

مبدل های صفحه-و-قاب با واشر PTFEبا محدودیت های محدودتر مواجه می شوند:

فشار- واشرها باید به اندازه کافی فشرده شوند تا در برابر صفحات ببندند. با افزایش فشار داخلی، نیروی گیره مورد نیاز افزایش می یابد و خطر اکستروژن یا نشتی واشر افزایش می یابد. حداکثر فشار کاری معمولی برای مبدل های صفحه ای با واشر PTFE است6-10 بار (85-145 psi)، با برخی از طرح ها به 15 بار می رسد. فشارهای بالاتر به صفحات ضخیم‌تر، قاب‌های سنگین‌تر و پروفیل‌های واشر تخصصی نیاز دارد که هزینه را افزایش می‌دهد.

دما- واشرهای PTFE بسته به درجه فلوروپلیمر خاص (PTFE، PFA یا PTFE اصلاح شده) شروع به خزش می کنند و نیروی آب بندی را بیش از 150 تا 180 درجه از دست می دهند. عملکرد مداوم بالای 160 درجه به طور کلی توصیه نمی شود. در مقایسه، برخی از طرح‌های{5}}و{{6} لوله PTFE (با لوله‌های PFA) می‌توانند تا 180 تا 200 درجه کار کنند، اگرچه محدودیت‌های عملی اغلب کمتر است.

برای وظایف خورنده با فشار بالا یا دمای بالا، واحد PTFE پوسته-و-لوله ممکن است تنها انتخاب مناسب باشد. برای شرایط متوسط ​​(مثلاً 5 بار و 100 درجه)، مبدل صفحه کاملاً مناسب است.

مقاومت در برابر خوردگی: صفحات آلیاژی در مقابل فلوروپلیمر کامل

مبدل های پوسته PTFE-و-لولهمقاومت در برابر خوردگی جهانی را فراهم می کند. PTFE عملاً در برابر تمام مواد شیمیایی به جز فلزات قلیایی مذاب و فلوئور عنصری در دماهای بالا مصون است. این باعث می شود آنها برای اسیدهای مخلوط بسیار تهاجمی، آکوا رژیا، اسید نیتریک داغ و سایر مایعاتی که به اکثر فلزات حمله می کنند ایده آل باشند.

مبدل های صفحه-و-قاب با واشر PTFEبرای مقاومت در برابر خوردگی اولیه به صفحات فلزی تکیه کنید. فقط واشرها PTFE هستند. بنابراین، مواد صفحه باید برای مقاومت در برابر سیال فرآیند خاص انتخاب شود. گزینه های رایج عبارتند از:

فولاد ضد زنگ (304/316)- محدود به اسیدهای ملایم و محلول های خنثی.

Hastelloy C‑276 یا B‑3- مقاومت عالی در برابر اسید کلریدریک، اسید سولفوریک و محیط های کاهنده. توسط اسیدهای اکسید کننده قوی مورد حمله قرار می گیرد.

تیتانیوم (درجه 2، درجه 7)- مقاومت فوق العاده در برابر اسیدهای اکسید کننده (نیتریک، کرومیک) و کلریدها؛ مورد حمله اسید هیدروفلوئوریک و برخی اسیدهای احیا کننده قرار می گیرد.

زیرکونیوم یا تانتالیم- آلیاژهای عجیب و غریب برای شرایط سخت، اما بسیار گران.

اگر سیال فرآیند با یک آلیاژ صفحه موجود (مثلاً تیتانیوم برای اسید نیتریک، هاستلوی برای HCl) سازگار باشد، مبدل صفحه می‌تواند انتخابی مقرون به صرفه باشد. با این حال، اگر سیال حاوی چندین گونه مهاجم باشد (مثلاً اسید مخلوط با اجزای اکسید کننده و کاهنده)، هیچ فلز منفردی ممکن است مناسب نباشد. در چنین مواردی، پوسته PTFE-و-واحد لوله-با مقاومت جهانی آن{10}}گزینه ایمن‌تر است.

رسوب گیری، تمیز کردن و نگهداری

مبدل های صفحه-و-قاببه راحتی برای تمیز کردن جدا می شوند. صفحات را می توان به صورت جداگانه جدا کرد و به صورت مکانیکی (مسواک زدن، شستشوی فشار) یا شیمیایی تمیز کرد. این یک مزیت عمده برای سرویس هایی است که رسوب نرم یا چسبنده ایجاد می کنند. با این حال، شکاف های باریک بین صفحات (معمولاً 2-5 میلی متر) مستعد مسدود شدن توسط ذرات، الیاف یا جامدات متبلور هستند. یک مبدل صفحه‌ای برای حذف ذرات بزرگ‌تر از حدود 1 میلی‌متر به یک صافی یا فیلتر در بالادست طراحی شده نیاز دارد.

مبدل های پوسته PTFE-و-لولهگذرگاه‌های جریان بزرگ‌تری دارند (قطر داخلی لوله معمولاً 5-15 میلی‌متر) و کمتر مستعد مسدود شدن هستند. سطح صاف و کم اصطکاک PTFE همچنین در برابر چسبندگی بسیاری از رسوبات مقاومت می کند (همانطور که در مقاله انرژی سطح مورد بحث قرار گرفت). با این حال، تمیز کردن دشوارتر است. تمیز کردن مکانیکی فضای داخلی لوله به ابزارهای تخصصی (برس های لوله ای) نیاز دارد و اغلب از تمیز کردن شیمیایی استفاده می شود. لوله ها را نمی توان به صورت جداگانه برای بازرسی جدا کرد. کل بسته نرم افزاری باید از پوسته خارج شود.

مزیت قابل توجه مبدل صفحه این است که اگر یک واشر از کار بیفتد یا یک صفحه خورده شود، صفحات یا واشرهای جداگانه را می توان در عرض چند ساعت تعویض کرد. در یک پوسته PTFE-و-واحد لوله، یک شکست لوله ممکن است نیاز به وصل کردن لوله (کاهش سطح سطح) یا تعویض کل بسته لوله-پرهزینه و زمانبر{4}} داشته باشد.

کاربردهای معمولی برای هر فناوری

مبدل های صفحه-و-قاب با واشر PTFEبه طور گسترده در سرویس های بهداشتی تمیز (آب-آب، آب-گلیکول،-بخار کم فشار) که در آن سیال بسیار خورنده نیست استفاده می شود. در کاربردهای فرآیند شیمیایی، آنها در موارد زیر ظاهر می شوند:

خنک کردن اسیدهای رقیق (مثلاً اسید سولفوریک 10٪) که در آن فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم سازگار است.

گرم کردن حمام های آبکاری با فیلتراسیون خوب و دمای متوسط.

بازیابی گرما از جریان های خورنده نسبتاً تمیز.

مبدل های پوسته PTFE-و-لولهدر سرویس‌های اسیدی بسیار تهاجمی، ذره‌ای{0}}یا اکسیدکننده، از جمله:

خطوط ترشی اسید مخلوط (HNO3 + HF).

اسید هیدروکلریک غلیظ داغ.

Aqua regia و سایر مخلوط های تهاجمی.

تصفیه اسید زباله که در آن ترکیب مایع متغیر است.

جدول مقایسه: صفحه-و-قاب در مقابل پوسته-و{4}}لوله (PTFE)

راهنمای تصمیم گیری: انتخاب مبدل مناسب

انتخاب بین مبدل صفحه‌-و-صفحه‌ای با واشر PTFE و یک پوسته{2}}و{3}}PTFE باید بر اساس تمیزی سیال، خورندگی، فشار و فضای موجود باشد.

زمانی که:

سیال فرآیند تمیز، با ذرات کوچکتر از 1 میلی متر است (یا فیلتراسیون کافی ارائه می شود).

این سیال با یک آلیاژ فلزی با قیمت مناسب (فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، هاستلوی) در دمای عملیاتی سازگار است.

فشار عملیاتی زیر 10 بار و دما زیر 150 درجه است.

فضا محدود است و ردپای فشرده ضروری است.

سهولت جداسازی و تمیز کردن از اولویت بالایی برخوردار است.

مبدل به جای تماس مستقیم با اسیدهای مخلوط بسیار تهاجمی برای بازیابی گرما یا وظایف کاربردی استفاده می شود.

زمانی که:

این مایع حاوی اسیدهای اکسید کننده قوی (نیتریک، کرومیک) یا اسیدهای مخلوط است که به هر فلزی حمله می کند.

ترکیب سیال متغیر است یا کاملا مشخص نیست و انتخاب آلیاژ را مخاطره آمیز می کند.

این مایع حاوی ذرات، الیاف یا کریستال هایی است که می توانند شکاف های باریک صفحه را مسدود کنند.

فشار عملیاتی بیش از 10 بار یا دما از 150 درجه بیشتر است (با لوله های PFA).

مقاومت جهانی در برابر خوردگی بدون خطر حمله موضعی یا سوراخ شدن مورد نیاز است.

این تاسیسات منابع نگهداری برای جداسازی منظم و تعویض واشر را ندارد.

در بسیاری از محیط‌های فرآیند شیمیایی، هر دو فناوری در کنار هم وجود دارند. به عنوان مثال، یک مبدل پوسته PTFE و-می‌تواند برای گرم کردن اسید مخلوط بسیار خورنده استفاده شود، در حالی که یک مبدل صفحه-و{4}}با صفحات تیتانیومی و واشرهای PTFE وظیفه خنک‌کننده تمیز و رقیق اسید نیتریک را در جای دیگری در همان کارخانه انجام می‌دهد.

نتیجه گیری: راندمان فشرده در مقابل استحکام جهانی

مبدل‌های حرارتی صفحه-و-قاب با واشرهای PTFE به دلیل تلاطم زیاد و صفحات فلزی نازک، راندمان حرارتی و فشردگی بالاتری ارائه می‌دهند. مقادیر U آنها سه تا پنج برابر بیشتر از واحدهای پوسته-و- PTFE است که منجر به ردپای بسیار کوچک‌تر و وزن کمتر می‌شود. با این حال، محدودیت‌های فشار و دمای واشرها محدود می‌شوند، نیاز به سازگاری بین سیال فرآیند و آلیاژ صفحه دارند و مستعد مسدود شدن توسط ذرات هستند.

مبدل‌های PTFE پوسته-و-لوله، مقاومت جهانی در برابر خوردگی دارند، ذرات را بهتر تحمل می‌کنند و می‌توانند دماهای بالاتر (با لوله‌های PFA) و در برخی تنظیمات، فشارهای بالاتر را تحمل کنند. راندمان حرارتی پایین آنها به سطح و ردپاهای بزرگتری نیاز دارد.

انتخاب بستگی به ویژگی های خاص سیال و شرایط عملیاتی دارد. برای سیالات خورنده تمیز، با فشار متوسط،-و غیر اکسید کننده، طراحی صفحه-و-قاب دارای مزایای قانع کننده ای در کارایی و اندازه است. برای سرویس‌های اسیدی تهاجمی، ذرات-مبارزه، یا اکسیدکننده که مقاومت در برابر خوردگی جهانی از اهمیت بالایی برخوردار است، واحد پوسته-و-PTFE استاندارد اثبات شده و قابل اعتماد باقی می‌ماند.