Вопрос плотности
ПТФЭ-теплообменник, установленный на дне технологического резервуара без перемешивания, использует естественную конвекцию-потока, создаваемого плавучестью-, создаваемого самими нагретыми трубками- для циркуляции технологической жидкости. Плотность труб-количество трубок на квадратный метр пола резервуара-определяет как общую поверхность теплопередачи, так и силу естественных конвекционных потоков.
Слишком мало трубок, и общая площадь поверхности недостаточна для теплового режима. Слишком много трубок упаковано слишком плотно, и пространство между трубками забивается. Плавучие шлейфы из соседних трубок сливаются в единый вялый столб. Холодная жидкость не может поступать сбоку и замещать поднимающуюся нагретую жидкость. Естественная конвекция прекращается, и коэффициент теплопередачи резко падает.
Оптимальная плотность труб максимизирует произведение площади поверхности и коэффициента теплопередачи естественной конвекции-на общую тепловую мощность на квадратный метр пола резервуара.
Физика взаимодействия шлейфов
Каждая нагретая горизонтальная трубка создает поднимающийся шлейф теплой жидкости. Шлейф имеет ширину примерно такую же, как диаметр трубы на поверхности трубы, и расширяется по мере подъема. Соседние трубки создают смежные шлейфы. Если трубки расположены слишком близко, шлейфы сливаются непосредственно над трубками. Объединенный шлейф имеет более высокую среднюю температуру и меньшую скорость, чем отдельные шлейфы. Более низкая скорость снижает коэффициент теплопередачи.
Если трубки расположены широко, шлейфы остаются отдельными. Холодная жидкость может течь вниз между шлейфами, замещая поднимающуюся жидкость. Кровообращение энергичное. Коэффициент теплопередачи высокий. Но общая площадь поверхности ограничена большим расстоянием.
Оптимальное расстояние – это минимальное расстояние, при котором все же возможно развитие отдельных шлейфов и возврат холодной жидкости между шлейфами. Это примерно 2,5-3,5 диаметра трубы от центра-до центра для горизонтальных трубок, находящихся в воде при типичных температурах процесса.
| Расстояние между трубками (× наружный диаметр трубки) | Труб на м² (внешний диаметр 10 мм) | Площадь поверхности на м² (м²) | Относительный коэффициент теплопередачи | Относительная тепловая мощность на м² |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 4,444 | 1.40 | 0.55 | 0.77 |
| 2.0 | 2,500 | 0.79 | 0.72 | 0.57 |
| 2.5 | 1,600 | 0.50 | 0.85 | 0.43 |
| 3.0 | 1,111 | 0.35 | 0.93 | 0.33 |
| 3.5 | 816 | 0.26 | 0.97 | 0.25 |
| 4.0 | 625 | 0.20 | 1.00 | 0.20 |
Базовая линия: изолированная трубка на расстоянии 4,0×. Внешний диаметр трубки=10 мм.
Рекомендации по оптимальной плотности
Максимальная теплоотдача на квадратный метр дна резервуара достигается при расстоянии примерно 2,0-2,5 диаметра труб-при плотности труб 1600–2500 трубок на квадратный метр. Такое расстояние обеспечивает наилучший компромисс между площадью поверхности и коэффициентом конвекции для большинства технологических применений.
Для резервуаров, где тепловая нагрузка является основным ограничением, а площадь пола резервуара ограничена, меньшее расстояние (2,0 × наружный диаметр трубы) обеспечивает большую тепловую мощность на единицу площади. Для резервуаров, где энергоэффективность является приоритетом и имеется свободное пространство, более широкое расстояние (2,5–3,0 × наружный диаметр трубы) обеспечивает более высокий коэффициент теплопередачи и более низкое потребление пара при той же тепловой нагрузке.
Эффект вертикального пространства
Если пучок труб состоит из нескольких рядов, расположенных вертикально, вертикальное расстояние между рядами влияет на конвекцию иначе, чем горизонтальное расстояние. Трубки верхних рядов располагаются в шлейфах трубок под ними. Расстояние по вертикали должно быть достаточным для того, чтобы шлейф смешивался с более холодной окружающей жидкостью и терял часть своего повышения температуры, прежде чем достигнет следующего ряда.
Рекомендуемое вертикальное расстояние составляет 3,0-4,0 диаметра трубы от центра-до центра. Это позволяет шлейфу из нижней трубки уносить достаточно прохладной жидкости, чтобы в верхней трубке все еще сохранялась полезная разница температур для теплопередачи.
Краткое содержание
Оптимальная плотность трубок для напольного-теплообменника из ПТФЭ с естественной конвекцией составляет 1600–2500 трубок на квадратный метр, что соответствует шагу между трубками 2,0–2,5 диаметра трубок. Такое расстояние уравновешивает конкурирующие требования к площади поверхности и коэффициенту конвекции, чтобы максимизировать общую тепловую мощность. Вертикальные ряды следует располагать на расстоянии 3,0–4,0 диаметра. Более узкое расстояние душит конвекцию; более широкое расстояние приводит к потере площади пола.
Инженерная поддержка для оптимизации плотности трубок теплообменника из ПТФЭ доступна после предоставления данных о размерах резервуара, тепловой нагрузке, свойствах технологической жидкости и состоянии перемешивания.
