Vzťah prenosu tepla-priemeru
Para kondenzujúca vo vnútri rúrky PTFE výmenníka tepla vytvára tenký film kondenzátu na vnútornej stene. Film prúdi pozdĺž rúrky pod vplyvom gravitácie a šmykového napätia z prúdu pary. Hrúbka tejto fólie určuje koeficient vnútorného prestupu tepla-čím je fólia hrubšia, tým väčší je tepelný odpor medzi parou a stenou rúrky.
Hrúbka filmu závisí od prietoku kondenzátu, priemeru trubice a orientácie trubice. Pre dané zaťaženie kondenzátom má trubica s menším priemerom hrubší film (kondenzát zaberá väčšiu časť prierezu) a nižší vnútorný súčiniteľ prestupu tepla. Rúrka s väčším priemerom má tenší film a vyšší koeficient.
Rúry s väčším priemerom však majú nižšiu rýchlosť pary pri rovnakom hmotnostnom toku, čo znižuje šmykové napätie, ktoré pomáha posúvať kondenzát. Nižšie šmykové napätie môže viesť k hrubšiemu filmu v blízkosti výstupu rúrky, čo čiastočne kompenzuje výhodu priemeru. Optimálny priemer trubice vyvažuje tieto konkurenčné efekty.
Výpočet hrúbky filmu
Pre laminárne prúdenie kondenzátu na vnútornej stene horizontálnej trubice je hrúbka filmu: δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3), kde μ je viskozita kondenzátu, Γ je hmotnostný prietok kondenzátu na jednotku,_ρv je hustota trubice, kondenzát je hustota trubice hustota a g je gravitácia.
Prietok kondenzátu na jednotku šírky je: Γ=m_cond / (π × D), kde m_cond je hmotnostný prietok kondenzátu na rúrku a D je vnútorný priemer rúrky. Väčší priemer rozprestiera rovnaký tok kondenzátu po väčšom obvode, čím sa znižuje Γ a stenčuje sa film.
Pre 10 mm ID trubicu nesúcu 1,5 kg/h kondenzátu je hrúbka filmu na výstupe trubice približne 0,15 mm. Pre 6 mm ID trubicu s rovnakým zaťažením kondenzátom je hrúbka fólie približne o 0,22 mm – 50 % hrubšia. Vnútorný súčiniteľ prestupu tepla je úmerný 1/δ, takže menšia trubica má približne o 30 % nižší vnútorný súčiniteľ.
| ID rúry (mm) | Zaťaženie kondenzátu (kg/h) | Hrúbka filmu na výstupe (mm) | Vnútorná h (W/m²·K) | Riziko premostenia |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 0.22 | 1,100 | Stredný (malý priemer) |
| 8 | 1.5 | 0.17 | 1,400 | Nízka |
| 10 | 1.5 | 0.15 | 1,600 | Nízka |
| 12 | 1.5 | 0.13 | 1,800 | Veľmi nízka |
Hodnoty pre horizontálnu trubicu, laminárnu fóliu, 3 barg nasýtenej pary.
Riziko premostenia kondenzátu
V horizontálnych rúrach prúdi kondenzát pozdĺž spodnej časti rúry. Ak je hrúbka filmu v porovnaní s priemerom trubice príliš veľká, kondenzát môže v určitom bode premostiť trubicu -vyplniac celý- prierez. To vytvára kvapku kvapaliny, ktorá blokuje tok pary a spôsobuje vodné rázy, keď je guľa poháňaná tlakom pary.
Riziko premostenia sa zvyšuje so zmenšujúcim sa priemerom trubice a so zvyšujúcim sa zaťažením kondenzátom. V prípade rúrok s vnútorným priemerom 6 mm je premostenie problémom pri vysokom zaťažení kondenzátom (nad približne 2 kg/h na rúru). V prípade rúrok s vnútorným priemerom 10 mm je premostenie nepravdepodobné pri typickom zaťažení kondenzátom pri prevádzke výmenníka tepla (0,5-3 kg/h na rúru). Odporúčaný minimálny priemer rúrky pre horizontálne rúrky ohrievané parou je 8 mm, aby sa zabezpečila primeraná rezerva proti premosteniu.
Odporúčanie dizajnu
Pre väčšinu aplikácií výmenníkov tepla z PTFE poskytuje vnútorný priemer rúrky 8-10 mm (OD 10-12 mm s 1 mm stenou) dobrú rovnováhu medzi vnútorným prenosom tepla, odvodom kondenzátu a odolnosťou voči premosteniu. Menšie rúrky (vnútorný priemer 6 mm) sa môžu použiť pre nízke zaťaženie kondenzátom alebo vertikálnu orientáciu, kde gravitácia pomáha odvodňovaniu a premostenie nie je problémom. Väčšie rúrky (nad 12 mm ID) poskytujú lepší vnútorný prenos tepla, ale zvyšujú náklady na rúrky a znižujú hustotu povrchu.
Zhrnutie
Priemer rúrky ovplyvňuje hrúbku filmu kondenzátu a vnútorný koeficient prestupu tepla v PTFE výmenníku tepla. Menšie priemery vytvárajú hrubšie filmy a nižšie vnútorné koeficienty a zvyšujú riziko premostenia kondenzátu. Pre vodorovné rúry sa odporúča vnútorný priemer 8-10 mm. Vertikálne rúrky môžu používať menšie priemery, pretože gravitácia zabraňuje premosteniu. Optimálny priemer vyvažuje vnútorný prenos tepla, spoľahlivosť odvodnenia a hustotu povrchu.
Technická podpora pre výber priemeru PTFE trubice je k dispozícii po predložení množstva kondenzátu na trubicu, orientácie trubice, tlaku pary a požadovaného tepelného výkonu.
