Как расположение трубок (треугольное или квадратное) влияет на боковой поток-корпуса и теплообмен в теплообменнике из ПТФЭ?

Когда жидкость со стороны оболочки- проходит через пучок трубок из ПТФЭ, расположение трубок, называемое «шагом», влияет на то, будет ли поток зигзагообразным или будет течь с меньшим сопротивлением. Выбор планировки — это основное и долгосрочное-операционное решение. Инженерам, разрабатывающим или определяющим теплообменник из ПТФЭ, необходимо учитывать-компромиссы между треугольными и квадратными шагами, чтобы сбалансировать эффективность теплопередачи и долгосрочную-ремонтопригодность.

Геометрия трубных конструкций
Схема расположения трубок описывается как положение центров трубок относительно направления потока на стороне корпуса. Наиболее популярными компоновками являются треугольный шаг (включая повернутый треугольник) и квадратный шаг (включая перевернутый квадрат). При любых обстоятельствах шаг трубок--межцентровое расстояние между соседними трубками обычно составляет от 1,25 до 1,5 наружного диаметра трубки. Расстояние рассчитано таким образом, чтобы обеспечить соответствующую механическую прочность, предотвратить контакт трубок и обеспечить протекание жидкости через пучок со стороны корпуса.

Шаг (в шахматном порядке) Треугольный
При треугольном шаге каждая трубка второго ряда смещена на полшага от первого ряда. Это приводит к шахматному расположению, при котором маршруты потоков не располагаются по прямой линии по всему пакету. Жидкость со стороны оболочки- вынуждена течь между трубками, постоянно меняя направление.

Ключевые особенности:

Больше трубок на единицу поперечного сечения-корпуса (более высокая плотность трубок)

Повышенная турбулентность потока.

Увеличенное падение давления на корпусе-

Гораздо больший коэффициент теплопередачи

Квадратный (линейный) шаг
Трубы расположены с квадратным шагом, расположены рядами и столбцами, образуя прямые коридоры или полосы в направлении бокового потока-корпуса. Жидкость может проходить через эти проходы практически беспрепятственно.

Ключевые особенности:

Меньшая плотность трубок (меньше трубок при том же диаметре корпуса)

Турбулентность с уменьшенным потоком

падение давления на нижней стороне корпуса

Меньший коэффициент теплопередачи (при аналогичном массовом расходе)

Дорожки механической очистки с прямым доступом

Влияние оболочки-Бокового потока и теплопередачи
Треугольное колебание тангажа разрушает ламинарные пограничные слои и вызывает непрерывное перемешивание следа. Жидкость не течет плавными потоками, а сталкивается, отделяется и снова присоединяется к трубкам. Такое хаотичное движение увеличивает передачу тепла за счет конвекции на поверхности трубы. При заданном расходе потока в обечайке коэффициент теплопередачи пучка с треугольным-шагом может быть на 20–30 % выше, чем у пучка с равным-шагом.

Минус – падение давления. Турбулентность, увеличивающая теплопередачу, также использует энергию накачки. Однако во многих случаях применения теплообменников из ПТФЭ, где текучими средами на стороне корпуса- обычно являются вода, пар или чистая охлаждающая среда, небольшое увеличение потери давления является приемлемым.

Линейная планировка обеспечивает чистоту полос движения на квадратном участке. Жидкость со стороны оболочки также ускоряется в узких зазорах между трубками, но поток более ламинарный или переходный с меньшим перекрестным-перемешиванием. В результате коэффициент теплопередачи снижается. Для того же теплового режима пучку с квадратным-шагом может потребоваться корпус большего диаметра или большая длина трубы.

Сравнение плотности трубок
При треугольном шаге вы можете иметь примерно на 15% больше трубок того же диаметра корпуса, что и при квадратном шаге. Это следствие эффективности упаковки. Стенки трубчатых теплообменников из ПТФЭ зачастую довольно толстые и имеют низкую теплопроводность (по сравнению с металлическими трубками), поэтому часто желательно максимально увеличить количество трубок, чтобы компенсировать присущее ПТФЭ термическое сопротивление. Треугольная компоновка увеличивает поверхность теплопередачи без увеличения размера корпуса.

Доступ к механической очистке — серьезная долгосрочная проблема
Важным долгосрочным фактором является доступ для очистки. Способность удалять загрязнения со стороны корпуса теплообменника будет определять, можно ли восстановить прежнюю производительность устройства после месяцев или лет использования.

При треугольном шаге шахматная геометрия не обеспечивает прямой и беспрепятственный обзор по всему пучку. Механические чистящие инструменты, такие как вращающиеся копья, струи воды под высоким давлением или проволочные щетки, нельзя подавать между трубками. Для треугольной-связки смол единственным способом очистки является химическая очистка (циркуляционные кислоты, растворители или моющие средства). Химическая очистка эффективна при удалении многих типов загрязнений (накипи, органических отложений, легкого осадка), но твердые стойкие отложения или отложения, которые не растворяются в безопасных химикатах, могут быть удалены менее успешно.

Квадратный шаг обеспечивает свободный доступ с прямыми коридорами между рядами труб. Механическое чистящее копье можно провести через сторону корпуса, обычно со стороны съемного конца канала, чтобы сдуть или смахнуть отложения с трубок. Квадратный шаг является выбором по умолчанию, когда известно, что жидкость со стороны корпуса-сильно загрязняет-например, нечистую охлаждающую воду, полимеризующиеся технологические потоки или жидкости, содержащие взвешенные частицы, которые припекаются на поверхности.

Применение в теплообменниках-из ПТФЭ
Для коррозионных условий со стороны труб (жидкость внутри труб) чаще всего используются теплообменники из ПТФЭ. Трубки из ПТФЭ выдерживают воздействие сильных кислот, щелочей и органических растворителей. На многих установках по корпусу транспортируется чистая рабочая жидкость, такая как охлаждающая вода, пар или масло-теплоноситель. Степень загрязнения незначительна, поскольку жидкости со стороны корпуса- обычно чистые. В результате в теплообменниках из ПТФЭ преобладает треугольный шаг. Непосредственно улучшает производительность за счет более высокого коэффициента теплопередачи и увеличенной плотности трубок без ущерба для очистки.

Однако возникает другая проблема, когда коррозионная или загрязняющая жидкость должна находиться на стороне корпуса. Это происходит в некоторых технологических схемах -, например, когда сторона корпуса должна быть открыта для проверки или когда сторона трубы предназначена для чистой жидкости, чтобы уменьшить падение давления. Если жидкость со стороны корпуса загрязняется, то предпочтительным является квадратный шаг. Потеря тепловых характеристик компенсируется возможностью механической очистки внешней поверхности трубок из ПТФЭ во время ежегодных перерывов в обслуживании.

Компромисс в двух словах
Особенность треугольного шагаPitch Square
Плотность трубок Выше (~ на 15% больше трубок) Меньше.
Турбулентность со стороны оболочкиВысокая (потоки расположены в шахматном порядке) От низкой до умеренной (параллельные полосы)
Коэффициент теплопередачиВыше Низкий
Падение давления на корпусе Выше Низкое
Доступ к механической очистке. Нет (только химическая очистка). Хорошо (прямые полосы доступа).
Обычное использование теплообменников из ПТФЭ. Чистая жидкость (вода, пар, масло) со стороны корпуса. Загрязнение боковой жидкости корпуса.-
Фактически, выбор между треугольным и квадратным шагом для треугольно-квадратной схемы компоновки труб теплообменника из ПТФЭ редко является вопросом чистого превосходства. Это компромисс между производительностью и ремонтопригодностью. Треугольная форма обеспечивает более компактный и эффективный теплообменник для работы на стороне чистого корпуса-. Квадратный рисунок немного ухудшает тепловые характеристики, чтобы получить возможность восстановить производительность с помощью копья или щетки для устранения загрязнений.

Влияние компоновки на стоимость жизненного цикла теплообменников из ПТФЭ
Помимо непосредственных тепловых и гидравлических проблем, на общую стоимость владения влияет схема расположения трубок. Треугольный-теплообменник может иметь меньшую первоначальную стоимость (меньший корпус при той же площади поверхности) и меньшую рабочую энергию (лучший КПД теплопередачи), но если сторона корпуса загрязняется и химическая очистка не восстанавливает рабочие характеристики, возможно, потребуется преждевременная замена устройства. С другой стороны, теплообменник с квадратным-шагом может иметь корпус большего размера и более высокую первоначальную стоимость, но его можно неоднократно подвергать механической очистке, что продлевает срок службы до бесконечности.