Решение о расположении рядов
Пучок теплообменника из ПТФЭ состоит из нескольких рядов трубок. Расположение этих рядов-независимо от того, расположены ли трубы в одном ряду непосредственно за трубками в предыдущем ряду (в ряд) или смещены на половину расстояния между трубами (в шахматном порядке)-влияет как на теплопередачу, так и на падение давления.
Смещенные ряды увеличивают турбулентность. Жидкость, протекающая через пучок, сталкивается с трубками непосредственно на своем пути, а не проходит через выровненные зазоры. Эта турбулентность увеличивает коэффициент теплопередачи со стороны оболочки-. Но это также увеличивает перепад давления на пучке. Энергия накачки повышается.
Ряды позволяют жидкости проходить через совмещенные каналы с меньшими помехами. Теплопередача ниже, но и падение давления тоже. Оптимальная схема зависит от того, получит ли процесс больше пользы от улучшенной теплопередачи или от снижения затрат на перекачку.
Для теплообменников из ПТФЭ низкая теплопроводность стенок трубок делает усиление внешней теплопередачи особенно ценным. Сопротивление стенки трубки уже велико; любое улучшение внешнего коэффициента напрямую улучшает общее значение U-.
Разница в теплопередаче
При поперечном обтекании пучков труб число Нуссельта-безразмерный коэффициент теплопередачи-зависит от числа Рейнольдса, числа Прандтля и расположения трубок. Для заданного числа Рейнольдса шахматное расположение дает числа Нуссельта на 15-25% выше, чем линейное расположение.
Механизм – вихревой выброс. При шахматном расположении каждая трубка создает вихри, которые сталкиваются с последующими трубками, разрушая пограничный слой и улучшая перемешивание. При линейной компоновке расположенные ниже по потоку трубки располагаются после труб, расположенных выше по потоку. Следная жидкость движется медленнее и уже нагрета, что уменьшает эффективную разницу температур.
Преимущество теплопередачи при шахматном расположении наиболее выражено при умеренных числах Рейнольдса (500-5000), что является типичным диапазоном для потока со стороны корпуса в теплообменниках из ПТФЭ, обслуживающих гальванические и травильные ванны.
Таблица 1. Сравнение производительности линейных и шахматных трубок (трубки из ПТФЭ с внешним диаметром 10 мм, межосевое расстояние 25 мм)
| Параметр | Линейный (квадратный) узор | Ступенчатый (треугольный) узор | Разница |
|---|---|---|---|
| Относительное число Нуссельта (Re=2,000) | 1,0 (базовый уровень) | 1.18 | +18% |
| Относительный коэффициент теплопередачи | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| Коэффициент трения (на ряд труб) | 1,0 (базовый уровень) | 1.35 | +35% |
| Относительное падение давления (тот же расход) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Трубок на единицу объема | 1,0 (базовый уровень) | 1,15 (более плотная упаковка) | На +15% больше трубок |
| Общее улучшение показателя U- (со стенкой из ПТФЭ) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| Увеличение мощности накачки | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Рекомендуемое применение | Низкое сопротивление потоку критично | Теплопередача критическая | Большинство применений ПТФЭ предпочитают шахматное расположение. |
Отношение шага-к-диаметру
Расстояние между центрами-между-центрами трубок относительно их диаметра-отношение шага-к-диаметру- влияет на оба шаблона. Меньшее расстояние увеличивает турбулентность и теплообмен, но также увеличивает перепад давления и уменьшает доступ для очистки.
Для трубок из ПТФЭ, расположенных в шахматном порядке, отношение шага-к-диаметру 2,0-2,5 обеспечивает наилучший баланс улучшения теплопередачи и разумного падения давления. Коэффициенты ниже 1,8 создают настолько плотную упаковку, что поток со стороны оболочки чрезмерно ограничивается. Коэффициенты выше 3,0 теряют преимущества турбулентности шахматной схемы.
Для линейных компоновок стандартным является отношение шага-к-диаметру, равное 2,0. Выровненные каналы потока менее чувствительны к расстоянию, чем расположенные в шахматном порядке.
Особенности ПТФЭ-
Трубки из ПТФЭ являются гибкими. При расположении в шахматном порядке трубы должны сохранять точное расстояние для достижения прогнозируемого улучшения теплопередачи. Если трубы провисают или смещаются, структура смещения ухудшается, и теплопередача падает до линейного значения.
Опорные пластины, установленные с интервалами, не превышающими пределы расстояния между опорами труб, необходимы для поддержания запланированного расположения. Отверстия в опорной пластине должны быть просверлены в шахматном порядке и сохранять положение трубок на протяжении всего срока службы.
Краткое содержание
Расположение рядов труб в шахматном порядке в пучках теплообменников из ПТФЭ увеличивает коэффициент теплопередачи на 15-25 % по сравнению с линейными конструкциями, ценой увеличения перепада давления на корпусе на 30–40 %. Для большинства применений ПТФЭ, где сопротивление стенки трубы является значительным, выигрыш в теплопередаче оправдывает потери при перепаде давления.
Соотношение шага-к-диаметру 2,0–2,5 при шахматном расположении оптимизирует баланс. Соответствующее расстояние между опорными пластинами обеспечивает сохранение шахматного расположения на протяжении всего срока службы оборудования.
Инженерные рекомендации по оптимизации компоновки пучка труб из ПТФЭ доступны после предоставления данных о расходе со стороны корпуса-, допустимом перепаде давления, свойствах жидкости и требованиях к теплопередаче.
