Проблема спокойной жидкости
Многие технологические резервуары не имеют механического перемешивания. Единственное движение жидкости — это естественная конвекция-поток, обусловленный плавучестью-, создаваемый самим теплообменником. Горячая жидкость, прилегающая к трубкам, расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх. На смену ей поступает охлаждающая жидкость из наливного бака. Сила этой естественной конвекции определяет внешний коэффициент теплопередачи и, в значительной степени, общее значение U- теплообменника.
Расстояние между рядами труб-как по вертикали (между рядами в вертикальном направлении), так и по горизонтали (между трубками в одном ряду)- влияет на характер естественного конвекционного потока. Трубы, расположенные слишком близко друг к другу, заглушают плавучий шлейф. Трубки расположены слишком далеко друг от друга и уменьшают плотность поверхности резервуара. Оптимальное расстояние максимизирует коэффициент теплопередачи естественной конвекции для данного диаметра трубы и разницы температур.
Эффект взаимодействия шлейфа
Нагретая горизонтальная трубка создает восходящий шлейф теплой жидкости. Если вторая трубка расположена непосредственно над первой, она располагается в шлейфе нижней трубки. Жидкость, поступающая в верхнюю трубку, уже более теплая, что уменьшает разницу температур и передачу тепла от верхней трубки. Это эффект ряда труб.-Трубы в верхних рядах имеют более низкие коэффициенты теплопередачи, чем трубы в нижнем ряду.
Сила эффекта рядов зависит от вертикального расстояния между рядами. При близком расстоянии (менее 2 диаметров трубы) на верхнюю трубу сильно влияет шлейф нижней трубы. Коэффициент теплопередачи может быть на 30-40% ниже, чем у изолированной трубки. При большем расстоянии (4-6 диаметров) шлейф смешивается с более холодной окружающей жидкостью, и разница температур в значительной степени восстанавливается.
Для трубок из ПТФЭ с их более низкой теплопроводностью коэффициент внешней теплопередачи составляет значительную часть общего значения U-. Оптимизация межрядного расстояния для максимизации внешнего коэффициента оказывает большее относительное влияние на теплообменники из ПТФЭ, чем на металлические теплообменники, где сопротивление стенки незначительно.
| Междурядье по вертикали (× наружный диаметр трубы) | Относительный коэффициент теплопередачи (нижняя строка=1.0) |
|---|---|
| 1.5 | 0,60 (сильное влияние шлейфа) |
| 2.0 | 0.72 |
| 3.0 | 0.82 |
| 4.0 | 0.88 |
| 6.0 | 0.93 |
| 8.0 | 0,97 (приближается к изолированной трубке) |
Значения для трубок из ПТФЭ диаметром 10 мм в воде при температуре 60 градусов, ΔT=40 градусов.
Эффект горизонтального пространства
Горизонтальное расстояние-между трубками в одном ряду-влияет на ширину отдельных плавучих шлейфов. Близко расположенные трубки создают слитный шлейф, который действует как один широкий шлейф. Слияние увеличивает вертикальную скорость в ядре плюма, что улучшает теплообмен за счет увеличения скорости потока холодной жидкости, втягиваемой в пучок снизу.
Умеренное горизонтальное расстояние (2-3 диаметра труб) обеспечивает наилучшее сочетание слияния шлейфа и достаточного сечения потока для поступающей холодной жидкости. Более широкое расстояние разделяет шлейфы, но уменьшает общую поверхность теплопередачи в доступном объеме резервуара.
Для теплообменников из ПТФЭ в спокойных жидкостях шаг трубок 2,0–2,5 диаметра труб в горизонтальном направлении и 3,0–4,0 диаметра в вертикальном направлении обеспечивает хороший баланс усиления естественной конвекции и плотности площади поверхности.
Рекомендации по проектированию
Для резервуаров без механического перемешивания теплообменник из ПТФЭ должен быть спроектирован с естественной конвекцией в качестве основного механизма передачи тепла. Расстояние между рядами труб должно определяться с учетом оптимизации естественной конвекции, а не минимального расстояния, которое соответствует требуемой площади поверхности резервуара. Пакет большего размера с оптимизированным расстоянием обеспечит лучшие тепловые характеристики, чем компактный пакет с узким расстоянием, даже если оба имеют одинаковую общую площадь поверхности.
Нижняя часть пучка труб должна располагаться как можно ближе к дну резервуара (с учетом требований по очистке от ила), чтобы максимизировать вертикальную протяженность плавучего шлейфа. Верхняя часть пучка должна находиться достаточно ниже поверхности жидкости, чтобы шлейф не прорвал поверхность и не привел к испарению нагретой жидкости.
Краткое содержание
Теплопередача с естественной конвекцией в теплообменниках из ПТФЭ максимизируется за счет вертикального расстояния между рядами труб в 3-4 диаметра труб и горизонтального расстояния в 2-2,5 диаметра. Близкое вертикальное расстояние вызывает помехи в шлейфе, что снижает производительность верхнего ряда на 30-40%. Оптимальное расстояние обеспечивает баланс между развитием шлейфа и плотностью поверхности. Для резервуаров без перемешивания оптимизация естественной конвекции должна иметь приоритет над компактной конструкцией пакета.
Техническая поддержка конструкции теплообменника из ПТФЭ с естественной конвекцией доступна при условии предоставления размеров резервуара, свойств жидкости, рабочей температуры и режима обогрева.
