چگونه سرعت جریان در داخل لوله های مبدل حرارتی PTFE بر ضریب انتقال حرارت فیلم تأثیر می گذارد؟

سرعتی که ضریب فیلم را تعیین می کند

یک مرکز پردازش شیمیایی که یک مبدل حرارتی PTFE با سرعت جانبی لوله{0}1.5 متر بر ثانیه کار می‌کند، ضریب انتقال حرارت کلی 250 W/m²·K را گزارش می‌کند. ضریب فیلم جانبی فرآیند{4}تقریباً 1200 W/m²·K است، مقاومت دیواره لوله تقریباً 0.0032 m²·K/W است و ضریب فیلم جانبی سرویس تقریباً 3000 W/m²·K است.

ضریب کلی متقابل مجموع مقاومت های حرارتی است. مقاومت لایه جانبی فرآیند-1/1،200=0.00083 m²·K/W است. مقاومت دیواره لوله 0.0032 m²·K/W است. مقاومت فیلم جانبی سرویس 1/3،000=0.00033 m²·K/W است. مقاومت کل 0.00436 m²·K/W و ضریب کلی 229 W/m²·K است.

مقاومت لایه جانبی فرآیند-تقریباً 19٪ از مقاومت کل است. مقاومت دیواره لوله تقریباً 73٪ از کل است. مقاومت فیلم جانبی سرویس تقریباً 8٪ از کل است.

اگر سرعت از 1.5 متر بر ثانیه به 0.75 متر بر ثانیه کاهش یابد، ضریب فیلم طرف فرآیند به تقریباً 690 W/m²·K کاهش می یابد و مقاومت فیلم به 0.00145 m²·K/W افزایش می یابد. مقاومت کل به 0.0050 m²·K/W افزایش می یابد و ضریب کلی به 200 W/m²·K کاهش می یابد. ضریب کلی 13٪ کاهش می یابد، حتی اگر سرعت به نصف کاهش یابد.

چرا اثر کوچکتر از حد انتظار است؟

تأثیر سرعت بر ضریب کلی کمتر از تأثیر روی ضریب فیلم است زیرا مقاومت فیلم تنها کسری از مقاومت کل است. در یک مبدل حرارتی PTFE، مقاومت دیواره لوله غالب است و مقاومت فیلم یک عامل ثانویه است.

این با مبدل حرارتی فلزی متفاوت است، جایی که مقاومت دیواره لوله ناچیز است و مقاومت فیلم غالب است. در مبدل های حرارتی فلزی، کاهش 50 درصدی سرعت، ضریب کلی را تقریباً 43 درصد کاهش می دهد. در یک مبدل حرارتی PTFE، کاهش سرعت یکسان ضریب کلی را تنها 10-15٪ کاهش می دهد.

اثر کوچکتر به این معنی است که سرعت برای عملکرد کلی در یک مبدل حرارتی PTFE نسبت به یک مبدل حرارتی فلزی بسیار مهم است. با این حال، سرعت هنوز به دلایل دیگر مهم است، از جمله کنترل رسوب، توزیع جریان و ارتعاش لوله.

اثر سرعت در ضخامت های مختلف دیوار

اثر سرعت بر ضریب کلی بستگی به ضخامت دیواره لوله دارد. دیوار نازکتر دارای مقاومت دیواره کمتری است، به این معنی که مقاومت فیلم کسری بزرگتر از مقاومت کل است و اثر سرعت بزرگتر است.

برای یک لوله PTFE با دیواره 0.5 میلی متری و رسانایی حرارتی 0.25 W/m·K، مقاومت دیواره 0.0020 m²·K/W است. مقاومت کل با ضریب فیلم جانبی{4}1200 W/m²·K و ضریب فیلم جانبی سرویس-3000 W/m²·K 0.00316 m²·K/W و ضریب کلی 316 W/m²·K است. مقاومت فیلم جانبی فرآیند{13}26٪ از کل است.

اگر سرعت نصف شود، ضریب فیلم جانبی{0} به 690 W/m²·K کاهش می‌یابد و مقاومت فیلم به 0.00145 m²·K/W افزایش می‌یابد. مقاومت کل به 0.00378 m²·K/W افزایش می یابد و ضریب کلی به 265 W/m²·K کاهش می یابد. ضریب کلی 16٪ کاهش می یابد، در مقایسه با 13٪ برای دیوار 0.8 میلی متر.

اثر سرعت برای دیوارهای نازک بزرگتر است زیرا مقاومت دیوار کسری کوچکتر از مقاومت کل است.

اثر سرعت در قطرهای مختلف لوله

اثر سرعت بر ضریب فیلم به قطر لوله بستگی دارد. یک لوله با قطر کمتر ضریب فیلم بالاتری برای همان سرعت دارد زیرا جریان آشفته تر است و لایه مرزی نازک تر است.

برای یک لوله 6 میلی متری با سرعت 1.5 متر بر ثانیه، عدد رینولدز تقریباً 9000 است که در رژیم جریان انتقالی قرار دارد. ضریب فیلم تقریباً 1000 W/m²·K است.

برای یک لوله 12 میلی متری با سرعت 1.5 متر بر ثانیه، عدد رینولدز تقریباً 18000 است که در رژیم جریان آشفته است. ضریب فیلم تقریباً 1500 W/m²·K است.

لوله با قطر بزرگتر دارای ضریب فیلم بالاتر در همان سرعت است زیرا عدد رینولدز بیشتر است. با این حال، لوله با قطر بزرگتر همچنین دارای سطح کمتری در واحد حجم است که باعث کاهش کل مساحت انتقال حرارت برای حجم مبدل حرارتی معین می شود.

کمی سازی اثر سرعت بر ضریب کلی

جدول زیر ضریب انتقال حرارت کلی در سرعت‌های جانبی لوله‌های مختلف را برای مبدل‌های حرارتی PTFE با دیواره 0.8 میلی‌متری، قطر لوله 9.5 میلی‌متری و ضریب فیلم جانبی سرویس{{3} 3000 W/m²·K خلاصه می‌کند.

مقادیر ضریب کلی یک دیوار PTFE 0.8 میلی متری با رسانایی حرارتی 0.25 W/m·K و ضریب فیلم جانبی 3000 W/m²·K را در نظر می گیرند. فرآیند-ضریب لایه جانبی از همبستگی Dittus-برای جریان آشفته محاسبه می‌شود.

محدوده سرعت عملی برای مبدل های حرارتی PTFE

محدوده سرعت عملی برای مبدل‌های حرارتی PTFE با مبادله{0}} بین سود انتقال حرارت و جریمه افت فشار تعیین می‌شود. سرعت بالاتر ضریب فیلم را افزایش می دهد اما افت فشار را نیز افزایش می دهد که انرژی پمپاژ را افزایش می دهد.

برای اکثر کاربردهای مبدل حرارتی PTFE، محدوده سرعت عملی 1.0-2.0 متر بر ثانیه است. زیر 1.0 متر بر ثانیه، ضریب فیلم کم و میزان رسوب زیاد است. بیش از 2.0 متر بر ثانیه، افت فشار و انرژی پمپاژ به سرعت افزایش می یابد و خطر ارتعاش و فرسایش لوله افزایش می یابد.

سرعت بهینه به کاربرد خاص بستگی دارد. برای سرویس تمیز با پتانسیل رسوب کم، سرعت 1.0-1.5 متر بر ثانیه کافی است. برای سرویس رسوب گیری، سرعت 1.5-2.0 متر بر ثانیه برای کاهش میزان رسوب توصیه می شود.

اثر سرعت بر رسوب گیری

سرعت نه تنها بر ضریب فیلم بلکه بر میزان رسوب نیز تأثیر می گذارد. سرعت بالاتر باعث افزایش تنش برشی در دیواره لوله می شود که چسبندگی رسوبات و میزان رسوب را کاهش می دهد.

تنش برشی متناسب با مجذور سرعت است. دو برابر شدن سرعت، تنش برشی را چهار برابر می کند. تنش برشی بیشتر، رسوبات را از دیواره لوله حذف کرده و از تجمع آنها جلوگیری می کند.

در سرویس رسوب گیری، تأثیر سرعت بر میزان رسوب می تواند مهمتر از تأثیر سرعت بر ضریب فیلم باشد. سرعت بالاتر فرکانس تمیز کردن و هزینه نگهداری را کاهش می دهد، حتی اگر بهبود ضریب فیلم کم باشد.

اثر سرعت بر ارتعاش لوله

سرعت بالاتر خطر ارتعاش لوله را افزایش می دهد، به ویژه در جهت جریان متقاطع. ارتعاش می تواند باعث ایجاد ترک ناشی از خستگی در تکیه گاه های لوله و اتصالات ورق لوله شود.

خطر ارتعاش به فرکانس طبیعی لوله، فاصله پشتیبانی و سرعت جریان بستگی دارد. برای لوله های PTFE، فرکانس طبیعی کمتر از لوله های فلزی است زیرا مدول الاستیسیته کمتری دارند. خطر ارتعاش برای لوله های PTFE با همان سرعت بیشتر است.

حد سرعت عملی برای لوله های PTFE معمولاً 2.0-2.5 متر بر ثانیه است که بالاتر از آن خطر ارتعاش قابل توجه می شود. حد بستگی به فاصله پشتیبانی و قطر لوله دارد.

ویژگی های طراحی که اثر سرعت را افزایش می دهد

چندین ویژگی طراحی اثر سرعت بر ضریب فیلم را افزایش می دهد.

قطر لوله کوچکتریک لوله با قطر کمتر ضریب فیلم بالاتری برای همان سرعت دارد زیرا عدد رینولدز بیشتر است.

سطح لوله پیشرفتهسطح لوله با باله ها یا شیارها ضریب فیلم را با افزایش سطح و ایجاد آشفتگی افزایش می دهد.

هدر توزیع جریان.هدر توزیع جریان جریان یکنواخت را در سراسر بسته لوله تضمین می‌کند، که از مناطق با سرعت کم- موضعی جلوگیری می‌کند.

درایو فرکانس متغیریک درایو فرکانس متغیر روی پمپ اجازه می دهد تا نرخ جریان را برای مطابقت با تقاضای فرآیند تنظیم کنید که سرعت را در مقدار بهینه حفظ می کند.

پارامترهای مشخصات برای سرعت بهینه

مهندسان تجهیزاتی که مبدل حرارتی PTFE را مشخص می کنند باید پارامترهای زیر را با تامین کننده تایید کنند.

سرعت طراحیسرعت لوله طراحی-را مشخص کنید. سرعت 1.0-2.0 متر بر ثانیه برای اکثر کاربردها توصیه می شود.

نرخ جریان.نرخ جریان طراحی و محدوده مورد انتظار را مشخص کنید.

قطر لوله.قطر لوله را بر اساس دبی و سرعت مشخص کنید.

افت فشارحداکثر افت فشار مجاز را مشخص کنید.

پتانسیل رسوب.پتانسیل رسوب گیری سیال فرآیند را مشخص کنید. برای سرویس رسوب گیری سرعت بالاتری توصیه می شود.

خطر ارتعاشفاصله پشتیبانی لوله و الزامات آنالیز ارتعاش را مشخص کنید.

کنترل پمپ.روش کنترل پمپ را مشخص کنید. یک درایو فرکانس متغیر برای کنترل سرعت بهینه توصیه می شود.

نظارت بر دماسنسورهای دما و روش نظارت را برای ردیابی عملکرد انتقال حرارت مشخص کنید.

تطبیق سرعت با الزامات انتقال حرارت و رسوب

سرعت جریان درون لوله‌های مبدل حرارتی PTFE بر ضریب انتقال حرارت فیلم از طریق رابطه قانون توان با توان تقریباً 0.8 تأثیر می‌گذارد. اثر بر ضریب کلی کوچکتر است زیرا مقاومت دیواره لوله در مبدل های حرارتی PTFE غالب است. با این حال، سرعت همچنان برای کنترل رسوب، توزیع جریان و ارتعاش لوله مهم است.

سرعت باید بر اساس نیاز انتقال حرارت، پتانسیل رسوب گیری و حد افت فشار انتخاب شود. سرعت 1.0-2.0 متر بر ثانیه برای اکثر کاربردها توصیه می شود. سرعت بالاتر برای سرویس رسوب گیری توصیه می شود و سرعت کمتر برای سرویس تمیز قابل قبول است.

برای تأسیسات پردازش شیمیایی که گزینه‌های مبدل حرارتی PTFE را ارزیابی می‌کنند، سرعت باید در اسناد خرید مشخص شود و در هنگام راه‌اندازی تأیید شود. پیکربندی پیش‌فرض ارائه‌شده توسط سازنده ممکن است برای فشردگی به‌جای عملکرد انتقال حرارت بهینه‌سازی شود و سرعت حاصل ممکن است با الزامات فرآیند واقعی مطابقت نداشته باشد.

مهندسان تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای پردازش شیمیایی یا سایر خدمات انتقال حرارت ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی را در مورد سرعت طراحی، سرعت جریان، قطر لوله، افت فشار، پتانسیل رسوب‌زدگی و خطر ارتعاش درخواست کنند تا تأیید کنند که واحد با الزامات فرآیند واقعی و ساختار هزینه‌ی تاسیسات مطابقت دارد.