Kuidas mõjutab toru paigutusmuster (kolmnurkne vs ruudukujuline) kesta-külgvoolu ja soojusülekannet PTFE-vahetis?

Kui kesta{0}}külgne vedelik liigub üle PTFE-torude kimbu, mõjutab torude muster – nn sammumuster – seda, kas vool liigub siksakiliselt turbulentselt või voolab väiksema takistusega. Paigutuse valik on põhiline ja kauakestev{2}}otsus. Insenerid, kes arendavad või täpsustavad PTFE-soojusvahetit, peavad hindama kompromisse kolmnurga ja ruudu sammu mustrite vahel, et tasakaalustada soojusülekande jõudlust ja pikaajalist{5}}hooldavust.

Torude paigutuse geomeetria
Toru paigutusmustreid kirjeldatakse kui torude tsentrite asukohta voolusuuna suhtes korpuse küljel. Kõige populaarsemad paigutused on kolmnurga samm (kaasa arvatud pööratud kolmnurk) ja ruudu samm (kaasa arvatud pööratud ruut). Kõigil juhtudel on toru samm--kõrvuti asetsevate torude vaheline kaugus keskpunktist 1,25–1,5 korda toru välisläbimõõdust. Vahekaugus on kavandatud nii, et see annab sobiva mehaanilise tugevuse, väldib torude kokkupuudet ja võimaldab vedelikul voolata läbi kimbu korpuse küljelt.

Samm (astmeline) Kolmnurkne
Kolmnurga sammu puhul on iga teise rea toru nihutatud esimesest reast poole sammu võrra. See toob kaasa astmelise paigutuse, nii et vooluteed ei asu kogu kimbu ulatuses sirgjooneliselt. Kesta{2}külgne vedelik on sunnitud torude vahel liikuma, muutes pidevalt suunda.

Põhifunktsioonid:

Rohkem torusid kesta ristlõike{0}}ühiku kohta (suurem torutihedus)

Suurem turbulents voolus

Suurenenud kesta{0}}küljerõhu langus

Palju suurem soojusülekandetegur

Ruudu (inline) samm
Torud on ruudukujulise sammuga, paigutatud ridadesse ja veergudesse, moodustades sirgeid koridore või sõiduradasid kesta{0}}külgvoolu suunas. Vedelik võib läbida need lõigud praktiliselt takistamatult.

Põhifunktsioonid:

Madalam torutihedus (vähem torusid sama kesta läbimõõduga)

Turbulents vähendatud vooluga

alumise kesta külje rõhu langus

Madalam soojusülekandetegur (sarnase massivoolukiiruse korral)

Vahetu juurdepääsuga rajad mehaaniliseks puhastamiseks

Shelli{0}}mõju ja soojusülekanne
Kolmnurkse sammuga nihkumine hävitab laminaarsed piirkihid ja kutsub esile pideva ärkamise segunemise. Vedelik ei liigu sujuva vooluna, vaid põrkub, eraldub ja kinnitub uuesti torudesse. Selline kaootiline liikumine suurendab soojusülekannet konvektsiooni teel torude pindadel. Antud voolukiiruse korral kestapoolsel küljel võib kolmnurkse-sammu kimbu soojusülekandetegur olla 20–30% kõrgem kui võrdse ruudukujulise-sammuga kimbu soojusülekandetegur.

Negatiivne on rõhu langus. Turbulents, mis suurendab soojusülekannet, kasutab ka pumpamisenergiat. Kuid paljudes PTFE-vahetite rakendustes, kus kesta{2}}külgmised vedelikud on tavaliselt vesi, aur või puhas jahutusaine, on rõhukadu kerge suurenemine vastuvõetav.

Lineaarne paigutus säilitab puhtad voolurajad ruudukujulise sammuga. Korpuse poolel olev vedelik kiireneb ka torudevahelistes kitsastes piludes, kuid vool on laminaarsem või üleminekuline ja vähem rist{1}}segamist. Selle tulemusena väheneb soojusülekande koefitsient. Sama termilise koormuse jaoks võib ruudukujuline-samm vajada suuremat kesta läbimõõtu või pikemat toru pikkust.

Toru tiheduse võrdlus
Kolmnurkse sammu korral võib sama kesta läbimõõduga torusid olla umbes 15% rohkem kui ruudukujulise sammuga. See on pakkimise tõhususe tagajärg. PTFE soojusvahetite puhul on toruseinad sageli üsna paksud ja madala soojusjuhtivusega (võrreldes metalltorudega), mistõttu on sageli soovitav torude arvu maksimeerimine, et kompenseerida PTFE omast soojustakistust. Kolmnurkne paigutus suurendab soojusülekande pinda ilma kesta suurust suurendamata.

Juurdepääs mehaanilisele puhastamisele, suur pikaajaline probleem
Suureks pikaajaliseks kaalutluseks on juurdepääs puhastamisele. Võime eemaldada saastejäägid soojusvaheti kesta küljelt määrab, kas seadet saab pärast kuude või aastatepikkust kasutamist taastada oma varasema töövõimega.

Kolmnurkses sammus ei võimalda ajastatud geomeetria otsest, takistusteta vaatevälja kogu kimbu ulatuses. Torude vahele ei saa toita mehaanilisi puhastusvahendeid, nagu tsentrifuugivad torud, kõrgsurveveejoad või traatharjad. Kolmnurkse-pigikimbu puhul on ainus puhastusviis keemiline puhastus (happed, lahustid või pesuained ringlevad). Keemiline puhastus on tõhus paljude saastetüüpide (katlakivi, orgaanilised sademed, kerge muda) eemaldamisel, kuid kõvasid püsivaid sadestusi või neid, mis ei lahustu ohututes kemikaalides, võib ravida vähem edukalt.

Ruudukujuline samm annab selge juurdepääsu sirgete koridoridega toruridade vahel. Mehaanilise puhastustoru võib juhtida läbi korpuse külje, tavaliselt eemaldatavast kanali otsast, et torudelt sademeid puhuda või harjata. Ruutsamm on vaikevalik, kui on teada, et kesta{2}}külgne vedelik määrdub tugevasti-, näiteks ebapuhas jahutusvesi, polümerisatsiooniprotsessi vood või vedelikud, mis sisaldavad pinnale küpsevaid hõljuvaid osakesi.

Rakendus PTFE{0}}soojusvahetites
Torupoolseks söövitavaks hoolduseks (torude sees olev vedelik) on kõige tüüpilisemalt ette nähtud PTFE soojusvahetid. PTFE torud taluvad tugevate hapete, leeliste ja orgaaniliste lahustite kahjustusi. Paljudes tehastes transpordib kesta pool puhast tarbevedelikku, nagu jahutusvesi, aur või soojusülekandeõli. Saaste on väike, kuna kesta{3}}külgmised vedelikud on üldiselt puhtad. Selle tulemusena on PTFE soojusvahetites valdav kolmnurkne samm. Parandab otseselt jõudlust kõrgema soojusülekandeteguri ja torude suurema tihedusega, ilma puhastustrahvita.

Siiski on erinev probleem, kui söövitav või saastet tekitav vedelik peab asuma kesta küljel. See juhtub mõne protsessikorraldusega -- nt kui korpuse pool tuleb kontrollimiseks avada või kui toru pool on rõhulanguse vähendamiseks reserveeritud puhta vedeliku jaoks. Kui kestapoolne vedelik rikub, siis eelistatakse ruudukujulist sammu. Soojusomaduste vähenemist kompenseerib võime PTFE-torude välispinda mehhaaniliselt puhastada iga-aastaste hoolduskatkestuste ajal.

Kompromiss lühidalt
Kolmnurkse sammu funktsioon Pitchi ruut
Toru tihedus kõrgem (~15% rohkem torusid) alla.
Korpusepoolne turbulents kõrge (voolu astmeline) madal kuni mõõdukas (paralleelsed sõidurajad)
SoojusülekandetegurKõrgem Madalam
Korpuse külje rõhulangusKõrgem Madalam
Juurdepääs mehaanilisele puhastamisele. Puudub (ainult keemiline puhastus) Hea (otsene juurdepääsuteed)
PTFE-soojusvahetite tavaline kasutamine Puhas vedelik (vesi, aur, õli) korpuse küljel. Shell{0}}külgvedeliku saastumine
Tegelikult on PTFE soojusvaheti toru kolmnurkse paigutuse mustri kolmnurkse ja ruudu sammu vahel valik harva puhta ülemvõimu küsimus. See on jõudluse ja hooldatavuse kompromiss. Kolmnurkne kuju tagab kompaktsema ja tõhusama soojusvaheti puhta kesta{3}}külgtöö jaoks. Ruudukujuline muster kahjustab vähesel määral termilist jõudlust, et saada võimalus taastada jõudlust, kasutades saastumise puhastamiseks toru või harja.

Paigutuse mõju PTFE soojusvahetite elutsükli kuludele
Lisaks vahetutele soojus- ja hüdraulikaprobleemidele mõjutab toru paigutus muster omamise kogumaksumust. Kolmnurksel-sammuvahetil võib olla odavam esmane maksumus (sama pindala jaoks väiksem kest) ja madalam tööenergia (parem soojusülekande efektiivsus), kuid kui kesta külg rikub ja keemiline puhastus ei taasta jõudlust, võib seade vajada enneaegset väljavahetamist. Seevastu ruut-pigivaheti võib olla suurema kestaga ja suurema algmaksumusega, kuid seda võib korduvalt mehaaniliselt puhastada, pikendades seega kasutusiga lõpmatuseni.