Чем байонетные-теплообменники из ПТФЭ отличаются от традиционных конструкций с фиксированной трубной решеткой?

Большинство кожухотрубных теплообменников имеют трубки, прикрепленные к обоим концам. Байонетный обменник переворачивает ситуацию с ног на голову: трубки зафиксированы только на одном конце, другой конец может свободно скользить внутри герметичной внешней оболочки. Эта простая конструкция позволяет решить две давние-проблемы: тепловой стресс и доступ для обслуживания. Байонетное соединение является заманчивой альтернативой для сложных задач по отделке поверхностей и химических процессов, в которых используются теплообменники из ПТФЭ, где высокий коэффициент теплового расширения материала (КТР) делает решения с фиксированной трубной решеткой затруднительными.

Конструкция штыка (объяснение)
Название теплообменника из ПТФЭ байонетного типа происходит от внешнего вида лампочки- или трубной муфты байонетного типа, в которой одна часть вставляется в другую и фиксируется в одной точке. Байонетная трубка состоит из двух концентрических трубок: внутренней и внешней, загерметизированных на дальнем конце в терминологии теплообменника. Сборка помещается внутри кожуха (или непосредственно в резервуар) и закрепляется только на входном/выходном конце-обычно на трубной решетке или фланце. Другой конец стержня может термически расширяться и сжиматься.

При байонетной конфигурации маршрут подачи жидкости обычно структурируется следующим образом:

Рабочая жидкость (пар, горячая вода или охлаждающая жидкость) подается через внутреннюю трубку и поступает к герметичному концу.

Жидкость разворачивается на герметичном конце и течет обратно в кольцевую область между внутренней и внешней трубками.

Тепло передается технологической жидкости на стороне корпуса (или резервуара) через внешнюю стенку трубы.

Затем жидкость выходит через кольцевое пространство с того же конца, с которого она вошла.

Канал потока «входной-и-выходной» указывает на то, что впускной и выпускной патрубки находятся на одном конце теплообменника. Свободный конец байонетной трубки свободен, за исключением уплотнения, и может свободно перемещаться в осевом направлении.

Основные отличия от традиционных конструкций с фиксированной трубной решеткой
В традиционном теплообменнике из ПТФЭ с фиксированной трубной решеткой трубы закреплены на обоих концах: одна трубная решетка на входном конце, а другая на выходном конце. Трубный пучок является неотъемлемой частью корпуса, и боковые патрубки корпуса-приварены к корпусу. Механическое поведение и простота обслуживания совершенно разные.

Термическая деформация
Кроме того, расширение ПТФЭ в 10–20 раз больше, чем у стали (от 120 до 150 × 10–6/градус против 11 × 10–6/градус). В конструкции с фиксированной трубной решеткой трубка из ПТФЭ длиной 2 м, нагретая от 20 до 100 градусов, расширяется примерно на 12–15 мм. Оба конца зафиксированы, поэтому это расширение создает сжимающие силы, которые могут деформировать трубку из ПТФЭ или повредить соединения трубной решетки. Чтобы избежать этого, теплообменник из ПТФЭ с фиксированной трубной решеткой должен:

Плавающая головка (позволяет перемещать одну трубную решетку) или

Компенсатор в оболочке; альтернативно,

Очень короткая длина трубок (ограничение мощности теплообменника)

Каждый из этих вариантов увеличивает расходы, сложность и возможные места утечек.

С другой стороны, теплообменник из ПТФЭ с байонетным соединением по своей природе устойчив к тепловому расширению. Свободный конец байонетной трубки скользит в осевом направлении внутри корпуса или внешней оболочки по мере расширения и сжатия ПТФЭ. Отпадает необходимость в компенсаторе, плавающей головке или уникальном подборе материалов. Байонетная форма особенно привлекательна для применений, связанных с большими перепадами температуры или частыми термическими циклами.

Доступ для обслуживания и возможность удаления комплектов
Байонетная конструкция имеет большое механическое преимущество, заключающееся в том, что весь пучок трубок можно снять с теплообменника, не повреждая трубопроводы со стороны корпуса-. Пучок вставляется в кожух с одного конца и удерживается на месте одним фланцем или трубной решеткой. Чтобы снять комплект для очистки, проверки или замены:

Впускная/выпускная труба со стороны трубки отсоединена.

Снимите фланцевые болты узла.

Пучок извлекают из оболочки в осевом направлении.

Корпус находится на своем месте, и все трубопроводы-со стороны корпуса (включая патрубки, прокладки и соединители) не повреждены.

В конструкции с фиксированной трубной решеткой снятие пучка труб значительно сложнее. Два конца корпуса должны быть открыты, и может потребоваться отсоединить боковые сопла корпуса или снять весь теплообменник с линии. Это может быть большим проектом для крупных обменников в загруженных технологических зонах.

Для сервисов, где необходима регулярная очистка (например, ванны для отделки поверхностей,-склонные к загрязнению), простота снятия жгута в байонетном обменнике является решающим преимуществом. Чтобы вынуть, очистить и вставить обратно связку штыков, требуется всего несколько часов; фиксированный пучок трубных решеток может означать простой в течение целого дня или более.

Термические проблемы с производительностью
Байонетная конструкция требует компромисса-с тепловыми характеристиками. Кольцевой путь потока (жидкость течет по внутренней трубке и обратно через кольцевое пространство) создает эффект двойной-трубы. Есть две причины, по которым общий коэффициент теплопередачи несколько ниже, чем у сопоставимой конструкции с фиксированной трубной решеткой с противотоком:

Уменьшенная эффективная разница температур - Схема потока представляет собой не чистый противоток, а смесь противотока и параллельного потока, что уменьшает логарифмическую среднюю разницу температур (LMTD).

Более низкая скорость на стороне кольцевого пространства - При одинаковой общей скорости потока кольцевой зазор может иметь более низкую скорость, чем одиночная трубка, и это влияет на коэффициент пленки.

Однако это снижение часто невелико (10-20%), и ему часто противодействует возможность использования более длинных трубок (поскольку тепловое расширение не является ограничивающим фактором) и работы с более высокими скоростями со стороны оболочки. Во многих случаях обработки поверхности преимущества, связанные с удобством эксплуатации, значительно перевешивают небольшой недостаток эффективности.

Материалы и конструкция
Байонетные теплообменники популярны в конструкциях из графита и ПТФЭ, поскольку они хрупкие или ползучие под нагрузкой, а эти материалы имеют значительное тепловое расширение. Конструкция штыка работает в соответствии с качествами материала, а не против него.

В байонетных теплообменниках из ПТФЭ внутренние и внешние трубки обычно изготавливаются из ПТФЭ или ПФА (перфторалкокси). Герметичный конец изготавливается путем сварки или термосплавления двух трубок вместе. Свободный конец открыт, и внутренняя трубка проходит через трубную решетку или муфту. Внешняя трубка герметично прилегает к трубной решетке с помощью прокладки из ПТФЭ или уплотнительного кольца, что обеспечивает осевое скольжение и предотвращает утечку.

Следует отметить, что свободный конец байонетной трубки необходимо удерживать во избежание вибрации. В длинных байонетных трубах (например, . 3-5 м) внутри корпуса используются промежуточные опорные кольца или перегородки, которые направляют внешнюю трубку, не препятствуя осевому движению. Без этой поддержки вибрация,-вызванная потоком, может привести к фрикционному износу и преждевременному выходу из строя.

Сравнительная таблица: байонетный и фиксированный трубный теплообменник из ПТФЭ. Особенность байонетного типа теплообменника из ПТФЭ с фиксированной трубной решеткой. Крепление трубки теплообменника из ПТФЭ. Один конец закреплен, другой конец свободен для перемещения. Оба конца прикреплены к трубным решеткам.
Неотъемлемое тепловое расширение – слайды со свободными концами; компенсатор не требуется. Требуется плавающая головка, компенсатор или очень короткие трубки.
Возможность снятия пучка. Легко вытащить пучок с одного конца, не повреждая кожух трубопровода. Сложная разборка обоих концов. Часто требуется снятие теплообменника с линии.
Форсунки в ShellМогут оставаться прикрепленными во время снятия комплекта. Обменник необходимо отсоединить или переместить.
Боковые соединения трубкиВход и выпуск на одном конце Впуск и выпуск на противоположных концах (обычно)
Путь потока Вход и выход через концентрические трубы (эффект двойной-трубы) Прямой (один проход) или многоходовой-ход с возвратной крышкой
Термический КПД Немного снижен (поправочный коэффициент LMTD 0,85–0,95) Выше (может возникнуть реальный противоток)
Средний Макс. Длина трубы Термическое напряжение, ограниченное обращением и вибрациейОграничено тепловым расширением (обычно 1,5–2,5 м для ПТФЭ без компенсатора)
Устойчивость к загрязнению Хорошая, комплект можно отсоединить для очистки. Удовлетворительная – очистка требует дополнительного времени без работы.
Цена для небольших устройств. Умеренная - одинарная трубная решетка, без компенсатора. Нижняя -. Более простая сборка коротких трубок.
Стоимость больших/длинных агрегатов Меньше – нет необходимости в дорогостоящих компенсаторах. Выше – плавающая головка или компенсатор увеличивают стоимость.
Практическое использование байонетных теплообменников из ПТФЭ
При химической обработке и отделке поверхностей штыковая конструкция предпочтительна в ряде специализированных случаев:

Жесткое термическое циклирование - Периодические процедуры с несколькими циклами нагрева и охлаждения теплообменника каждый день. Свободно-скользящие байонетные трубки позволяют выполнять езду на велосипеде без дополнительной нагрузки.

Услуги по борьбе с обрастанием - Ванны, оставляющие накипь, осадок или органические покрытия на поверхности теплопередачи. Важно иметь возможность регулярно вытаскивать связку для механической или химической чистки.

Агрессивные кислотные среды, требующие ПТФЭ - ПТФЭ химически инертен и предназначен для агрессивных кислот (например, соляной, серной, плавиковой). Байонетная конструкция уменьшает количество уплотнений и потенциальных мест утечек на стороне трубки.

Ограниченное пространство для доступа - Когда теплообменник необходимо установить в яме, у стены или в месте, где доступ к обоим концам невозможен. Байонетный обменник обслуживается только с одной стороны.

Модернизация установок - Замена существующего фиксированного теплообменника с трубной решеткой, имеющего проблемы с термической усталостью. Основная причина этих неисправностей устраняется байонетной конструкцией.

Напротив, системы с фиксированными трубными решетками по-прежнему конкурируют за:

Небольшие короткие теплообменники (длина труб < 1,5 м), когда тепловое расширение не является проблемой.

Применения без термоциклирования. Очень чистые жидкости.

Когда необходим чистый противоток для максимизации LMTD (например, рекуперация тепла при близком приближении температуры).

Проекты с бюджетными ограничениями, где основной движущей силой является минимальная первоначальная стоимость.

Рекомендации по установке и эксплуатации
При выборе теплообменника из ПТФЭ байонетного типа необходимо учитывать ряд практических аспектов.

Поддержка свободного конца. Свободный конец байонетной трубки следует поддерживать, но не фиксировать намертво. Контакт металла-с-ПТФЭ предотвращается благодаря износным втулкам из ПТФЭ или кольцам с низким-фрикционным трением.

Конструкция уплотнения - Скользящее уплотнение для входа внешней трубки в трубную решетку должно допускать осевое перемещение без утечек. Обычно используются манжетные уплотнения из ПТФЭ или уплотнительные кольца с пружинными пружинами.

Распределение потока - Убедитесь, что кольцевой зазор достаточно велик, чтобы избежать чрезмерного падения давления. Зазор обычно составляет 2–5 мм, в зависимости от диаметра трубки и скорости потока.

Вибрация трубы - Перегородки или опорные пластины должны быть расположены с интервалом 0,5–1,0 метра, чтобы избежать вибрации, вызванной вихрями-. Опоры должны допускать осевое скольжение.

Также обратите внимание, что байонетные теплообменники могут быть установлены в одном корпусе в нескольких количествах. В конструкции с несколькими-байонетными соединениями используется большое количество последовательно соединенных байонетных трубок, закрепленных на одной трубной решетке. Такое расположение обеспечивает большую площадь теплопередачи и доступ для обслуживания только с одного конца.

Заключение