Скорость, определяющая коэффициент пленки
На предприятии химической обработки, использующем теплообменник из ПТФЭ со скоростью по трубке-1,5 м/с, общий коэффициент теплопередачи составляет 250 Вт/м²·К. Коэффициент пленки на технологической стороне- составляет примерно 1200 Вт/м²·К, сопротивление стенки трубки составляет примерно 0,0032 м²·К/Вт, а коэффициент пленки на стороне обслуживания- составляет примерно 3000 Вт/м²·К.
Общий коэффициент является обратной суммой термических сопротивлений. Сопротивление пленки на технологической- стороне составляет 1/1,200=0.00083 м²·К/Вт. Сопротивление стенки трубки составляет 0,0032 м²·К/Вт. Сопротивление пленки на сервисной- стороне составляет 1/3,000=0.00033 м²·К/Вт. Общее сопротивление составляет 0,00436 м²·К/Вт, а общий коэффициент – 229 Вт/м²·К.
Сопротивление пленки со стороны-технологической стороны составляет примерно 19 % от общего сопротивления. Сопротивление стенки трубки составляет примерно 73% от общего. Сопротивление пленки со стороны обслуживания-составляет примерно 8 % от общего значения.
Если скорость уменьшить с 1,5 м/с до 0,75 м/с, коэффициент пленки на стороне процесса - упадет примерно до 690 Вт/м²·К, а сопротивление пленки увеличится до 0,00145 м²·К/Вт. Общее сопротивление увеличивается до 0,0050 м²·К/Вт, а общий коэффициент снижается до 200 Вт/м²·К. Общий коэффициент снижается на 13%, хотя скорость уменьшилась вдвое.
Почему эффект меньше, чем ожидалось
Влияние скорости на общий коэффициент меньше, чем влияние на коэффициент пленки, поскольку сопротивление пленки составляет лишь часть общего сопротивления. В теплообменнике из ПТФЭ сопротивление стенки трубки доминирует, а сопротивление пленки играет второстепенную роль.
Это отличается от металлического теплообменника, в котором сопротивление стенки трубки незначительно, а сопротивление пленки преобладает. В металлическом теплообменнике снижение скорости на 50 % снижает общий коэффициент примерно на 43 %. В теплообменнике из ПТФЭ такое же снижение скорости снижает общий коэффициент всего на 10–15%.
Меньший эффект означает, что скорость менее критична для общей производительности теплообменника из ПТФЭ, чем для металлического теплообменника. Однако скорость по-прежнему важна по другим причинам, включая контроль загрязнения, распределение потока и вибрацию трубки.
Эффект скорости при различной толщине стенок
Влияние скорости на общий коэффициент зависит от толщины стенки трубы. Более тонкая стенка имеет более низкое сопротивление стенки, что означает, что сопротивление пленки составляет большую долю от общего сопротивления, и эффект скорости больше.
Для трубки из ПТФЭ со стенкой 0,5 мм и теплопроводностью 0,25 Вт/м·К сопротивление стенки составляет 0,0020 м²·К/Вт. Общее сопротивление с коэффициентом пленки на технологической-сторонней стороне 1200 Вт/м²·К и коэффициентом пленки на служебной- стороне 3000 Вт/м²·К составляет 0,00316 м²·К/Вт, а общий коэффициент составляет 316 Вт/м²·К. Сопротивление пленки на технологической стороне-составляет 26 % от общего значения.
Если скорость уменьшить вдвое, коэффициент пленки на технологической стороне-снизится до 690 Вт/м²·К, а сопротивление пленки увеличится до 0,00145 м²·К/Вт. Общее сопротивление увеличивается до 0,00378 м²·К/Вт, а общий коэффициент снижается до 265 Вт/м²·К. Общий коэффициент снижается на 16% по сравнению с 13% для стенки толщиной 0,8 мм.
Эффект скорости больше для более тонких стенок, поскольку сопротивление стенки составляет меньшую долю от общего сопротивления.
Эффект скорости при разных диаметрах трубок
Влияние скорости на коэффициент пленки зависит от диаметра трубки. Трубка меньшего диаметра имеет более высокий коэффициент пленки при той же скорости, поскольку поток более турбулентный, а пограничный слой тоньше.
Для трубы диаметром 6 мм при скорости 1,5 м/с число Рейнольдса составляет примерно 9000, что соответствует переходному режиму течения. Коэффициент пленки составляет примерно 1000 Вт/м²·К.
Для трубы диаметром 12 мм при скорости 1,5 м/с число Рейнольдса составляет примерно 18 000, что соответствует турбулентному режиму течения. Коэффициент пленки составляет примерно 1500 Вт/м²·К.
Трубка большего диаметра имеет более высокий коэффициент пленки при той же скорости, поскольку число Рейнольдса выше. Однако трубка большего диаметра также имеет меньшую площадь поверхности на единицу объема, что уменьшает общую площадь теплопередачи для данного объема теплообменника.
Количественная оценка влияния скорости на общий коэффициент
В следующей таблице приведены общие коэффициенты теплопередачи при различных скоростях на стороне трубы-для теплообменника из ПТФЭ со стенкой 0,8 мм, диаметром трубки 9,5 мм и коэффициентом пленки на рабочей- стороне, равном 3000 Вт/м²·К.
| Трубка-Боковая скорость | Число Рейнольдса | Технологический-Коэффициент боковой пленки | Обработка-Сопротивление боковой пленки | Общее сопротивление | Общий коэффициент | Изменение по сравнению с базовым уровнем |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Базовый уровень |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
Общие значения коэффициента предполагают стенку из ПТФЭ толщиной 0,8 мм с теплопроводностью 0,25 Вт/м·К и коэффициент пленки на служебной стороне -3000 Вт/м²·К. Коэффициент боковой пленки процесса-рассчитывается на основе корреляции Диттуса-Бельтера для турбулентного потока.
Практический диапазон скоростей для теплообменников из ПТФЭ
Практический диапазон скоростей для теплообменников из ПТФЭ определяется компромиссом-между выгодой теплопередачи и потерями при перепаде давления. Более высокая скорость увеличивает коэффициент пленки, но также увеличивает перепад давления, что увеличивает энергию накачки.
Для большинства применений теплообменников из ПТФЭ практический диапазон скоростей составляет 1,0–2,0 м/с. Ниже 1,0 м/с коэффициент пленки низкий, а скорость загрязнения высокая. При скорости выше 2,0 м/с падение давления и энергия накачки быстро возрастают, а риск вибрации и эрозии труб возрастает.
Оптимальная скорость зависит от конкретного применения. Для чистого обслуживания с низкой вероятностью загрязнения достаточно скорости 1,0–1,5 м/с. При работе с загрязнениями рекомендуется скорость 1,5–2,0 м/с, чтобы снизить скорость загрязнения.
Влияние скорости на загрязнение
Скорость влияет не только на коэффициент пленки, но и на скорость загрязнения. Более высокая скорость увеличивает напряжение сдвига на стенке трубы, что снижает прилипание отложений и скорость загрязнения.
Касательное напряжение пропорционально квадрату скорости. Удвоение скорости увеличивает напряжение сдвига в четыре раза. Более высокое напряжение сдвига удаляет отложения со стенок трубы и предотвращает их накопление.
При работе с загрязнениями влияние скорости на скорость загрязнения может быть более важным, чем влияние скорости на коэффициент пленки. Более высокая скорость снижает частоту очистки и затраты на техническое обслуживание, даже если улучшение коэффициента пленки незначительно.
Влияние скорости на вибрацию трубки
Более высокая скорость увеличивает риск вибрации трубки, особенно в направлении поперечного-потока. Вибрация может вызвать усталостное растрескивание трубных опор и соединений трубных решеток.
Риск вибрации зависит от собственной частоты трубки, расстояния между опорами и скорости потока. Для трубок из ПТФЭ собственная частота ниже, чем для металлических трубок, из-за более низкого модуля упругости. Риск вибрации выше для трубок из ПТФЭ при той же скорости.
Практический предел скорости для трубок из ПТФЭ обычно составляет 2,0–2,5 м/с, выше которого риск вибрации становится значительным. Предел зависит от расстояния между опорами и диаметра трубы.
Конструктивные особенности, усиливающие эффект скорости
Некоторые конструктивные особенности усиливают влияние скорости на коэффициент пленки.
Меньший диаметр трубки.Трубка меньшего диаметра имеет более высокий коэффициент пленки при той же скорости, поскольку число Рейнольдса выше.
Улучшенная поверхность трубки.Поверхность трубки с ребрами или канавками увеличивает коэффициент пленки за счет увеличения площади поверхности и содействия турбулентности.
Заголовок распределения потока.Распределительный коллектор обеспечивает равномерный поток по всему пучку труб, что предотвращает образование локализованных зон с низкой-скоростью.
Частотно-регулируемый привод.Частотно-регулируемый привод насоса позволяет регулировать скорость потока в соответствии с потребностями процесса, что поддерживает скорость на оптимальном значении.
Параметры спецификации для оптимальной скорости
Инженеры по оборудованию, выбирающие теплообменник из ПТФЭ, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Расчетная скорость.Укажите расчетную боковую скорость-трубы. Для большинства применений рекомендуется скорость 1,0–2,0 м/с.
Скорость потока.Укажите расчетный расход и ожидаемый диапазон.
Диаметр трубки.Укажите диаметр трубки в зависимости от расхода и скорости.
Падение давления.Укажите максимально допустимое падение давления.
Потенциал загрязнения.Укажите потенциал загрязнения технологической жидкости. Для работы с загрязнениями рекомендуется более высокая скорость.
Риск вибрации.Укажите расстояние между опорами труб и требования к анализу вибрации.
Управление насосом.Укажите метод управления насосом. Для оптимального управления скоростью рекомендуется использовать преобразователь частоты.
Мониторинг температуры.Укажите датчики температуры и метод мониторинга для отслеживания показателей теплопередачи.
Согласование скорости с требованиями теплопередачи и загрязнения
Скорость потока внутри трубок теплообменника из ПТФЭ влияет на коэффициент пленочной теплопередачи по степенной зависимости с показателем степени примерно 0,8. Влияние на общий коэффициент меньше, поскольку в теплообменниках из ПТФЭ преобладает сопротивление стенки трубы. Однако скорость по-прежнему важна для контроля загрязнения, распределения потока и вибрации трубы.
Скорость следует выбирать на основе требований к теплопередаче, вероятности загрязнения и предельного падения давления. Для большинства применений рекомендуется скорость 1,0–2,0 м/с. Более высокая скорость рекомендуется для работы с загрязнениями, а более низкая скорость приемлема для чистой работы.
Для химических перерабатывающих предприятий, оценивающих варианты теплообменников из ПТФЭ, скорость должна быть указана в закупочной документации и проверена при вводе в эксплуатацию. Конфигурация по умолчанию, предоставленная производителем, может быть оптимизирована с учетом компактности, а не эффективности теплопередачи, и результирующая скорость может не соответствовать фактическим требованиям процесса.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для химической обработки или других услуг по передаче тепла, могут запросить анализ конструкции, включающий расчетную скорость, расход, диаметр труб, перепад давления, потенциал загрязнения и риск вибрации, чтобы подтвердить, что устройство соответствует фактическим технологическим требованиям и структуре затрат объекта.
