Hastigheten som bestämmer filmkoefficienten
En kemisk bearbetningsanläggning som driver en PTFE-värmeväxlare med en rörsidohastighet på 1,5 m/s rapporterar en total värmeöverföringskoefficient på 250 W/m²·K. Process-sidofilmskoefficienten är cirka 1 200 W/m²·K, rörväggsmotståndet bidrar med cirka 0,0032 m²·K/W, och service-sidofilmskoefficienten är cirka 3 000 W/m²·K.
Den totala koefficienten är den reciproka av summan av de termiska resistanserna. Processens-sidofilmsmotstånd är 1/1,200=0.00083 m²·K/W. Rörväggens motstånd är 0,0032 m²·K/W. Service-sidofilmmotståndet är 1/3,000=0.00033 m²·K/W. Det totala motståndet är 0,00436 m²·K/W, och den totala koefficienten är 229 W/m²·K.
Processens-sidefilmresistans är cirka 19 % av den totala resistansen. Rörväggens motstånd är cirka 73 % av det totala. Service-filmmotståndet är cirka 8 % av det totala.
Om hastigheten minskas från 1,5 m/s till 0,75 m/s, sjunker process-sidofilmkoefficienten till ungefär 690 W/m²·K, och filmresistansen ökar till 0,00145 m²·K/W. Det totala motståndet ökar till 0,0050 m²·K/W, och den totala koefficienten sjunker till 200 W/m²·K. Den totala koefficienten minskar med 13 %, trots att hastigheten halverades.
Varför effekten är mindre än förväntat
Effekten av hastighet på den totala koefficienten är mindre än effekten på filmkoefficienten eftersom filmresistansen endast är en bråkdel av den totala resistansen. I en PTFE-värmeväxlare dominerar rörväggsmotståndet, och filmresistansen är en sekundär bidragande orsak.
Detta skiljer sig från en metallvärmeväxlare, där rörväggsmotståndet är försumbart och filmresistansen dominerar. I en metallvärmeväxlare minskar en hastighetsminskning på 50 % den totala koefficienten med cirka 43 %. I en PTFE-värmeväxlare minskar samma hastighetsreduktion den totala koefficienten med endast 10–15 %.
Den mindre effekten gör att hastigheten är mindre kritisk för den totala prestandan i en PTFE-värmeväxlare än i en metallvärmeväxlare. Men hastigheten är fortfarande viktig av andra skäl, inklusive nedsmutsningskontroll, flödesfördelning och rörvibrationer.
Hastighetseffekten vid olika väggtjocklekar
Hastighetseffekten på den totala koefficienten beror på rörets väggtjocklek. En tunnare vägg har ett lägre väggmotstånd, vilket innebär att filmresistansen är en större del av det totala motståndet, och hastighetseffekten är större.
För ett PTFE-rör med en 0,5 mm vägg och en värmeledningsförmåga på 0,25 W/m·K är väggmotståndet 0,0020 m²·K/W. Det totala motståndet med en process-sidofilmskoefficient på 1 200 W/m²·K och en service-sidefilmskoefficient på 3 000 W/m²·K är 0,00316 m²·K/W, och den totala koefficienten är 316 W/m²·K. Processens-sidefilmmotstånd är 26 % av det totala.
Om hastigheten halveras sjunker process-sidofilmskoefficienten till 690 W/m²·K, och filmresistansen ökar till 0,00145 m²·K/W. Det totala motståndet ökar till 0,00378 m²·K/W, och den totala koefficienten sjunker till 265 W/m²·K. Den totala koefficienten minskar med 16 %, jämfört med 13 % för 0,8 mm väggen.
Hastighetseffekten är större för tunnare väggar eftersom väggmotståndet är en mindre del av det totala motståndet.
Hastighetseffekten vid olika rördiametrar
Hastighetseffekten på filmkoefficienten beror på rördiametern. Ett rör med mindre diameter har en högre filmkoefficient för samma hastighet eftersom flödet är mer turbulent och gränsskiktet är tunnare.
För ett 6 mm rör vid 1,5 m/s är Reynolds-talet cirka 9 000, vilket är i övergångsflödesregimen. Filmkoefficienten är cirka 1 000 W/m²·K.
För ett 12 mm rör vid 1,5 m/s är Reynolds-talet cirka 18 000, vilket är i det turbulenta flödet. Filmkoefficienten är cirka 1 500 W/m²·K.
Röret med större diameter har en högre filmkoefficient vid samma hastighet eftersom Reynolds-talet är högre. Röret med större diameter har emellertid också en lägre yta per volymenhet, vilket minskar den totala värmeöverföringsarean för en given värmeväxlarvolym.
Kvantifiera hastighetseffekten på den totala koefficienten
Följande tabell sammanfattar den totala värmeöverföringskoefficienten vid olika rör-sidohastigheter för en PTFE-värmeväxlare med en 0,8 mm vägg, en 9,5 mm rördiameter och en service-sidefilmkoefficient på 3 000 W/m²·K.
| Rör-Sidohastighet | Reynolds nummer | Process-Sidofilmskoefficient | Process-Sidofilmmotstånd | Totalt motstånd | Total koefficient | Ändra från Baseline |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Baslinje |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
De totala koefficientvärdena förutsätter en 0,8 mm PTFE-vägg med en värmeledningsförmåga på 0,25 W/m·K och en service-filmkoefficient på 3 000 W/m²·K. Process-sidofilmskoefficienten beräknas från Dittus-Boelter-korrelationen för turbulent flöde.
Det praktiska hastighetsintervallet för PTFE-värmeväxlare
Det praktiska hastighetsintervallet för PTFE-värmeväxlare bestäms av avvägningen- mellan värmeöverföringsfördelen och tryckfallsstraffet. Högre hastighet ökar filmkoefficienten men ökar också tryckfallet, vilket ökar pumpenergin.
För de flesta PTFE värmeväxlarapplikationer är det praktiska hastighetsområdet 1,0–2,0 m/s. Under 1,0 m/s är filmkoefficienten låg och nedsmutsningshastigheten hög. Över 2,0 m/s ökar tryckfallet och pumpenergin snabbt och risken för rörvibrationer och erosion ökar.
Den optimala hastigheten beror på den specifika applikationen. För ren service med låg nedsmutsningspotential är en hastighet på 1,0–1,5 m/s tillräcklig. För nedsmutsning rekommenderas en hastighet på 1,5–2,0 m/s för att minska nedsmutsningshastigheten.
Hastighetseffekten på nedsmutsning
Hastigheten påverkar inte bara filmkoefficienten utan även nedsmutsningshastigheten. En högre hastighet ökar skjuvspänningen vid rörväggen, vilket minskar vidhäftningen av avlagringar och nedsmutsningshastigheten.
Skjuvspänningen är proportionell mot hastigheten i kvadrat. Fördubbling av hastigheten fyrdubblar skjuvspänningen. Den högre skjuvspänningen tar bort avlagringar från rörväggen och förhindrar att de ackumuleras.
Vid nedsmutsningstjänst kan hastighetseffekten på nedsmutsningshastigheten vara viktigare än hastighetseffekten på filmkoefficienten. En högre hastighet minskar rengöringsfrekvensen och underhållskostnaden, även om filmkoefficientförbättringen är blygsam.
Hastighetseffekten på rörvibrationer
En högre hastighet ökar risken för rörvibrationer, särskilt i tvärflödesriktningen-. Vibrationen kan orsaka utmattningssprickor vid rörstöden och rörplåtsfogarna.
Vibrationsrisken beror på rörets egenfrekvens, stödavståndet och flödeshastigheten. För PTFE-rör är den naturliga frekvensen lägre än för metallrör på grund av den lägre elasticitetsmodulen. Vibrationsrisken är högre för PTFE-rör vid samma hastighet.
Den praktiska hastighetsgränsen för PTFE-rör är typiskt 2,0–2,5 m/s, över vilken vibrationsrisken blir betydande. Gränsen beror på stödavståndet och rördiametern.
Designfunktioner som förstärker hastighetseffekten
Flera designfunktioner förbättrar hastighetseffekten på filmkoefficienten.
Mindre rördiameter.Ett rör med mindre diameter har en högre filmkoefficient för samma hastighet eftersom Reynolds-talet är högre.
Förbättrad röryta.En röryta med fenor eller spår ökar filmkoefficienten genom att öka ytan och främja turbulens.
Flödesfördelningshuvud.En flödesfördelningssamling säkerställer enhetligt flöde över rörbunten, vilket förhindrar lokaliserade zoner med låg-hastighet.
Frekvensomriktare.En frekvensomriktare på pumpen gör att flödeshastigheten kan justeras för att matcha processbehovet, vilket bibehåller hastigheten vid det optimala värdet.
Specifikationsparametrar för optimal hastighet
Utrustningsingenjörer som specificerar en PTFE-värmeväxlare bör bekräfta följande parametrar med leverantören.
Designhastighet.Ange designrörets-sidohastighet. En hastighet på 1,0–2,0 m/s rekommenderas för de flesta applikationer.
Flödeshastighet.Ange designflödet och det förväntade intervallet.
Rörets diameter.Specificera rördiametern baserat på flödeshastigheten och hastigheten.
Tryckfall.Ange maximalt tillåtet tryckfall.
Nedsmutsningspotential.Specificera nedsmutsningspotentialen för processvätskan. En högre hastighet rekommenderas för nedsmutsning.
Vibrationsrisk.Specificera rörstödsavståndet och kraven på vibrationsanalys.
Pumpkontroll.Ange pumpstyrningsmetod. En frekvensomformare rekommenderas för optimal hastighetskontroll.
Temperaturövervakning.Specificera temperatursensorerna och övervakningsmetoden för att spåra värmeöverföringsprestanda.
Matchande hastighet till värmeöverförings- och nedsmutsningskrav
Flödeshastigheten inuti PTFE-värmeväxlarrören påverkar filmens värmeöverföringskoefficient genom ett effektlagsförhållande med en exponent på ungefär 0,8. Effekten på den totala koefficienten är mindre eftersom rörväggsmotståndet dominerar i PTFE-värmeväxlare. Hastigheten är dock fortfarande viktig för nedsmutsningskontroll, flödesfördelning och rörvibrationer.
Hastigheten bör väljas baserat på värmeöverföringsbehovet, nedsmutsningspotentialen och tryckfallsgränsen. En hastighet på 1,0–2,0 m/s rekommenderas för de flesta applikationer. En högre hastighet rekommenderas för nedsmutsning, och en lägre hastighet är acceptabel för ren service.
För anläggningar för kemisk bearbetning som utvärderar alternativen för PTFE-värmeväxlare, bör hastigheten specificeras i upphandlingsdokumenten och verifieras vid driftsättning. Standardkonfigurationen som tillhandahålls av tillverkaren kan vara optimerad för kompakthet snarare än värmeöverföringsprestanda, och den resulterande hastigheten kanske inte matchar de faktiska processkraven.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för kemisk bearbetning eller annan värmeöverföringstjänst kan begära en designgranskning som täcker designhastighet, flödeshastighet, rördiameter, tryckfall, nedsmutsningspotential och vibrationsrisk för att bekräfta att enheten är anpassad till de faktiska processkraven och kostnadsstrukturen för anläggningen.
