نحوه تشخیص و جلوگیری از توزیع نادرست جریان در یک مبدل PTFE Shell-و-Tube

یک مبدل حرارتی PTFE ممکن است تمیز و بدون نشتی باشد، اما به دلیل یک مشکل هیدرولیکی ظریف: عدم توزیع جریان، همچنان عملکرد ضعیفی دارد. هنگامی که سیال سمت پوسته به جای جاروب کردن یکنواخت در تمام لوله‌ها، مسیر کمترین مقاومت را طی می‌کند، انتقال حرارت آسیب می‌بیند و نقاط گرم یا سرد ایجاد می‌شوند. توزیع نادرست جریان اغلب نادیده گرفته می شود زیرا علائم خارجی آشکاری مانند نشت یا لرزش ایجاد نمی کند. با این حال، تأثیر آن بر راندمان حرارتی می‌تواند شدید باشد و در موارد شدید، ناحیه انتقال حرارت مؤثر را 20 تا 40 درصد کاهش دهد. تشخیص و تصحیح عدم توزیع برای حفظ عملکرد یک مبدل پوسته و لوله PTFE ضروری است.

Flow Maldistribution چیست؟

توزیع نادرست جریان به توزیع ناهموار سیال در سراسر دسته لوله در سمت پوسته (یا، کمتر رایج، جریان ناهموار در میان لوله های موازی در سمت لوله) اشاره دارد. در یک مبدلی که به درستی طراحی شده است، سیال سمت پوسته توسط بافل ها مجبور می شود تا در سراسر بسته لوله در یک الگوی جریان متقاطع جریان یابد و با تمام لوله ها کم و بیش به طور مساوی تماس برقرار کند. هنگامی که توزیع نادرست رخ می دهد، برخی از مناطق بسته دارای سرعت جریان بالایی هستند در حالی که سایر مناطق جریان بسیار کم یا راکد دریافت می کنند. مناطق با سرعت بالا ممکن است افت فشار بیش از حد را تجربه کنند، در حالی که مناطق با سرعت پایین سهم کمی در انتقال حرارت دارند. ضریب انتقال حرارت کلی کمتر از مقدار طراحی شده است و مبدل نمی تواند وظیفه حرارتی خود را برآورده کند.

علل شایع عدم توزیع جریان

تجربه میدانی سه دلیل اصلی عدم توزیع جریان در مبدل‌های پوسته و لوله PTFE را نشان می‌دهد: بافل‌های آسیب‌دیده یا مفقود، لوله‌های مسدود شده، و طراحی نامناسب نازل ورودی.

بافل های آسیب دیده یا از دست رفته

بافل ها صفحات فلزی (معمولاً فولاد ضد زنگ) هستند که سیال سمت پوسته را به جلو و عقب در سراسر بسته لوله هدایت می کنند. یک بافل سگمنتال معمولی سیال را مجبور می کند تا در سراسر لوله ها، سپس در اطراف لبه بافل و سپس در بخش بعدی جریان یابد. اگر بافل ها شل شوند، خورده شوند یا کاملاً از بین بروند، سیال به طور کامل دسته لوله را دور می زند و مستقیماً از ورودی به خروجی از طریق کانالی با مقاومت کم در نزدیکی دیواره پوسته جریان می یابد. به این جریان بای پس می گویند. علامت نشانگر افت فشار سمت پوسته به طور قابل توجهی کمتر از مقدار طراحی است، همراه با انتقال حرارت ضعیف.

بافل ها ممکن است در موارد زیر آسیب ببینند:

خوردگی بافل های فلزی در سرویس های تهاجمی (اگرچه لوله های PTFE مقاوم هستند، بافل های فولادی ممکن است خورده شوند).

ضربه مکانیکی در حین جاگذاری یا برداشتن دسته لوله.

فاصله نادرست بافل در طول تولید (فاصله باید 0.2 تا 1.0 برابر قطر پوسته باشد؛ فاصله بیشتر سرعت جریان متقاطع را کاهش می دهد و باعث توزیع نادرست می شود).

لوله های مسدود شده

در سمت لوله، زباله هایی مانند سرباره جوش، زنگ زدگی یا مواد جامد فرآیندی می توانند تا حدی یا به طور کامل یک یا چند لوله PTFE را مسدود کنند. هنگامی که یک لوله مسدود می شود، مایعی که از آن عبور می کند دوباره به لوله های باز باقی مانده توزیع می شود. مساحت کل جریان کاهش می یابد، بنابراین سرعت در لوله های باز افزایش می یابد، اما سطح موثر انتقال حرارت کاهش می یابد. مبدل باید تمیز شود یا لوله های مسدود شده تعویض شوند. در آرایش لوله چند گذری، یک لوله مسدود شده می تواند توزیع جریان را در کل یک گذر مختل کند.

طراحی نامناسب نازل ورودی

نازل ورودی سمت پوسته نقطه ورود سیال است. اگر اندازه نازل کمتر باشد، سیال ورودی تا سرعت بالایی شتاب می گیرد و مستقیماً به تعداد کمی از لوله ها برخورد می کند. این یک جت با سرعت بالا ایجاد می کند که به اعماق بسته نرم افزاری نفوذ می کند، در حالی که مناطق دور از جت راکد باقی می مانند. حتی با فاصله مناسب بافل ها، توزیع نادرست ناشی از طراحی ضعیف نازل همچنان ادامه دارد، زیرا مایع هرگز به طور کامل در سطح مقطع بسته نرم افزاری توزیع نمی شود.

اشکالات رایج طراحی نازل عبارتند از:

قطر نازل برای سرعت جریان بسیار کوچک است (سرعت > 3 تا 5 متر بر ثانیه).

نازل بسیار نزدیک به بسته لوله بدون صفحه برخورد یا پخش کننده قرار دارد.

جهت گیری نازل به صورت مماس یا محوری بدون صاف کردن جریان مناسب.

در عمل، اندازه نازل ورودی باید به گونه ای باشد که سرعت سمت پوسته در نازل بیش از 2 تا 3 برابر میانگین سرعت جریان متقاطع در سراسر بسته نباشد. یک صفحه برخورد (یک صفحه فلزی مسطح که در مقابل نازل قرار گرفته است) جت ورودی را پراکنده می کند و اولین ردیف لوله های PTFE را از فرسایش محافظت می کند.

روش‌های تشخیص برای توزیع نادرست جریان

تشخیص بد توزیع نیاز به ترکیبی از تکنیک های بازرسی حرارتی، هیدرولیکی و بصری دارد.

تصویربرداری حرارتی از پوسته خارجی

یک دوربین تصویربرداری حرارتی (ترموگرافی مادون قرمز) می تواند الگوهای دما را در سطح بیرونی پوسته نشان دهد. در جریان معمولی و به خوبی توزیع شده، دمای سطح پوسته باید در طول طول نسبتاً یکنواخت باشد، با تغییر دمای تدریجی از ورودی به خروجی. با توزیع نادرست، رگه های سرد یا گرم ظاهر می شوند. به عنوان مثال:

جریان بای پس در امتداد دیواره پوسته رگه ای از دمای پایین (در سمت سرد) یا دمای بالا (در سمت گرم) ایجاد می کند که به صورت طولی اجرا می شود.

یک جت از یک نازل که به درستی طراحی نشده است، یک نقطه گرم یا سرد موضعی در نزدیکی ورودی ایجاد می کند.

تصویربرداری حرارتی باید در شرایط عملیاتی حالت پایدار انجام شود. سطح پوسته ممکن است نیاز به تمیز کردن یا استفاده از رنگ مات موقت برای دستیابی به انتشار یکنواخت داشته باشد.

اندازه گیری افت فشار

افت فشار سمت پوسته یک شاخص قابل اعتماد است. افت فشار اندازه گیری شده (در نرخ جریان طراحی) باید با مقدار طراحی سازنده مقایسه شود. اگر افت اندازه‌گیری شده به‌طور قابل‌توجهی کمتر باشد (مثلاً کمتر از 70٪ طراحی)، سیال به احتمال زیاد دسته لوله را-از میان بافل‌های آسیب‌دیده یا شکاف بین دسته لوله و پوسته دور می‌زند. اگر افت اندازه گیری شده بیشتر از طراحی باشد، انسداد لوله یا رسوب بیش از حد نشان داده می شود.

برای سمت لوله، افت فشاری که بسیار بیشتر از طراحی است، نشان دهنده مسدود شدن لوله ها یا رسوب داخلی است. یک افت فشار که بسیار کمتر از طراحی است (بدون تغییر در سرعت جریان)، نشان دهنده نشتی لوله یا بای پس در مدار لوله است.

اندازه گیری مشخصات دما

اندازه‌گیری دمای خروجی لوله‌های جداگانه یا گروه‌های کوچک لوله‌ها می‌تواند نادرست توزیع را مشخص کند. با این حال، این نیاز به دسترسی به صفحه لوله دارد که ممکن است در یک مبدل مهر و موم شده عملی نباشد. یک جایگزین اندازه گیری دمای سطح پوسته در چندین نقطه در طول محیط و طول است، همانطور که در بالا توضیح داده شد.

بازرسی بصری در حین تعمیر و نگهداری

هنگامی که مبدل برای تمیز کردن یا بازرسی باز می شود، موارد زیر باید بررسی شود:

وضعیت بافل: آیا هیچ بافلی شل، گم شده یا به شدت خورده شده است؟ آیا فاصله بافل یکنواخت و مطابق نقشه است؟

انسداد لوله: آیا هیچ لوله ای به وضوح با زباله مسدود شده است؟ می توان از چراغ قوه یا بوروسکوپ استفاده کرد.

ناحیه نازل ورودی: آیا صفحه برخوردی وجود دارد؟ آیا چند ردیف اول لوله ها در اثر برخورد جت تغییر شکل داده یا آسیب دیده اند؟

اقدامات پیشگیرانه

توزیع نادرست جریان تا حد زیادی از طریق طراحی مناسب، نصب و بازرسی دوره ای قابل پیشگیری است.

دیفیوزر ورودی مناسب یا صفحه برخورد

برای مبدل های جدید، نازل ورودی باید با یک صفحه برخورد یا یک پخش کننده جریان طراحی شود. صفحه برخورد یک صفحه فلزی است که در فاصله کوتاهی از دهانه نازل نصب شده است و جت ورودی را مجبور می کند قبل از تماس با بسته لوله به صورت شعاعی پخش شود. متناوبا، یک بخش پخش کننده (گسترش تدریجی مسیر جریان) را می توان در داخل پوسته اضافه کرد. این دستگاه ها سرعت ورودی را کاهش می دهند و توزیع یکنواخت جریان را افزایش می دهند.

بازرسی منظم بافل

در طول تعمیر و نگهداری سالانه، بافل ها باید برای علائم آسیب یا شل شدن بازرسی شوند. در مبدل های PTFE با بافل های فلزی، خوردگی بافل ها نگران کننده است زیرا خود لوله های PTFE خوردگی نمی کنند. بافل های فولادی ضد زنگ (316L) برای خدمات خورنده توصیه می شود. میله های بافل یا میله های اتصال باید محکم باشند. بافل های شل را می توان دوباره محکم کرد یا تعویض کرد.

صافی و فیلتراسیون

برای جلوگیری از انسداد لوله، باید صافی یا فیلتر روی خط ورودی لوله نصب شود. اندازه مش باید کوچکتر از قطر داخلی لوله باشد. برای رسوب گیری از سمت پوسته، اگر سیال حاوی مواد جامد باشد، یک صافی در ورودی سمت پوسته نیز مفید است. تمیز کردن دوره ای صافی از ورود زباله به مبدل جلوگیری می کند.

طراحی و فاصله گذاری مناسب بافل ها

فاصله بافل باید بر اساس سرعت جریان متقاطع مورد نیاز انتخاب شود. یک قانون کلی این است که فاصله باید بین 0.2 تا 1.0 برابر قطر داخلی پوسته باشد. فاصله کوچکتر افت فشار را افزایش می دهد اما توزیع را بهبود می بخشد. برای مبدل‌های PTFE، جایی که لوله‌ها نسبتاً انعطاف‌پذیر هستند، سرعت بیش از حد جریان متقابل می‌تواند باعث لرزش لوله شود. بنابراین، یک فاصله متوسط ​​(0.4-0.6 × قطر پوسته) اغلب انتخاب می شود.

دستگاه های توزیع جریان در سمت لوله

برای مبدل‌های چند گذری بزرگ، یک توزیع‌کننده ورودی (یک صفحه سوراخ‌دار یا یک نازل با ورودی باز شده) می‌تواند توزیع جریان سمت لوله را بهبود بخشد. این امر به ویژه زمانی مهم است که سیال سمت لوله دارای ویسکوزیته بالایی باشد یا زمانی که مبدل تعداد زیادی لوله در هر گذر دارد.

چک لیست تشخیصی برای عدم توزیع جریان مشکوک

هنگامی که مبدلی مشکوک به عدم توزیع جریان است، چک لیست زیر تحقیقات را راهنمایی می کند.

اقدامات اصلاحی

اگر توزیع نادرست تأیید شود، اقدامات اصلاحی به علت اصلی بستگی دارد.

بافل های آسیب دیده یا گم شده اند- مبدل باید باز شود و بافل ها تعمیر یا تعویض شوند. در برخی موارد، کل دسته لوله ممکن است نیاز به بازگردانی مجدد داشته باشد.

لوله های مسدود شده- لوله ها باید به صورت شیمیایی تمیز شوند (راهنمای مربوط به تمیز کردن مبدل های حرارتی PTFE را ببینید). اگر لوله ای را نمی توان پاک کرد، ممکن است وصل شود (اگر چند لوله مسدود شده باشد) یا تعویض شود.

نازل ورودی نامناسب- یک صفحه برخورد مقاوم سازی شده را می توان در داخل پوسته روبروی نازل جوش داد. اگر فضا محدود باشد، می توان یک صاف کننده جریان یا بافل سوراخ دار در نزدیکی ورودی اضافه کرد.

دور زدن به دلیل شکاف بسته به پوسته- مهر و موم های بای پس (نوارهای فلزی متصل به بافل هایی که با پوسته تماس دارند) را می توان برای مسدود کردن شکاف اضافه کرد.

نتیجه گیری

عدم توزیع جریان یک مشکل هیدرولیکی قابل اصلاح است که بر عملکرد حرارتی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله PTFE تأثیر می گذارد. این ناشی از بافل های آسیب دیده یا از دست رفته، لوله های مسدود شده یا طراحی نامناسب نازل ورودی است. روش های تشخیص شامل تصویربرداری حرارتی، اندازه گیری افت فشار و بازرسی بصری در حین تعمیر و نگهداری است. اقدامات پیشگیرانه-طراحی مناسب دیفیوزر ورودی، بازرسی منظم بافل، صافی‌ها، و فاصله صحیح حفاظ-توزیع نادرست را قبل از شروع متوقف می‌کند. کلمه کلیدیمبدل حرارتی PTFE بد توزیع جریانیک مفهوم تشخیصی مهم را نشان می دهد: جریان ناهموار ناحیه انتقال حرارت موثر را کاهش می دهد و نقاط گرم یا سرد را حتی در یک مبدل تمیز ایجاد می کند. با استفاده از راهبردهای تشخیص و پیشگیری شرح داده شده، مبدل را می توان به عملکرد حرارتی مورد نظر خود بازگرداند. طراحی خوب مبدل و بازرسی دوره ای از این مشکل جلوگیری می کند و از عملکرد قابل اعتماد اطمینان می دهد و عمر سرویس را افزایش می دهد.