The Tube Length Trade-Off
Dlhšie rúrky v jednom-prechodovom PTFE výmenníku tepla poskytujú väčšiu plochu na rúrku, čím sa znižuje počet potrebných rúrok a zjednodušuje sa dizajn zberača. Ale dlhšie rúrky tiež zvyšujú pokles tlaku pary od vstupu k výstupu. Tlak na konci trubice na kondenzát je nižší ako na vstupe pary. Pretože teplota nasýtenia pary klesá s tlakom, efektívna hnacia sila teploty na prenos tepla sa znižuje pozdĺž dĺžky rúrky.
Vzťah medzi dĺžkou trubice a poklesom tlaku určuje praktickú maximálnu dĺžku pre jedno-prechodové prevedenie. Za touto dĺžkou strata saturačnej teploty na výstupnom konci znižuje prenos tepla v dolnej časti rúrky na neprijateľnú úroveň.
Výpočet poklesu tlaku
Pokles tlaku pary v priamej PTFE trubici sa vypočíta z Darcyho{0}}Weisbachovej rovnice: ΔP=f × (L/D) × (ρ × v² / 2), kde f je Darcyho koeficient trenia, L je dĺžka trubice, D je vnútorný priemer trubice, ρ je hustota pary a v je rýchlosť pary.
Pre prúdenie pary v hladkých PTFE trubiciach závisí koeficient trenia od Reynoldsovho čísla. Pri typických rýchlostiach pary 5 – 20 m/s v rúrach s priemerom 6 – 10 mm je Reynoldsovo číslo 5 000 – 50 000 – v turbulentnom režime. Koeficient trenia pre hladké rúry je približne 0,02-0,03.
Keď para kondenzuje pozdĺž trubice, rýchlosť pary klesá. Pokles tlaku nie je lineárny s dĺžkou-úsek proti prúdu s vyššou rýchlosťou má vyšší pokles tlaku na meter ako časť po prúde.
| Dĺžka rúry (m) | Vstupný tlak (barg) | Výstupný tlak (barg) | Pokles tlaku (bar) | Výstupná saturačná teplota (stupeň) | Strata LMTD (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 3.0 | 2.96 | 0.04 | 142.5 | 0.5 |
| 2.0 | 3.0 | 2.91 | 0.09 | 141.8 | 1.2 |
| 3.0 | 3.0 | 2.85 | 0.15 | 140.8 | 2.2 |
| 5.0 | 3.0 | 2.70 | 0.30 | 138.5 | 4.8 |
| 8.0 | 3.0 | 2.45 | 0.55 | 135.0 | 9.5 |
Vypočítané pre PTFE trubicu s vonkajším priemerom 10 mm × vnútorným priemerom 8 mm, hmotnostný prietok pary 1,5 kg/h na trubicu, vstupný tlak 3 barg.
Efektívny teplotný rozdiel
Zníženie teploty nasýtenia pozdĺž trubice znižuje lokálny LMTD na výstupnom konci. Ak má procesná kvapalina 60 stupňov, LMTD na vstupe do rúrky (143 stupňov para) je približne 83 stupňov. Na výstupe z trubice s poklesom tlaku 0,15 bar (2,0 m trubica) je teplota pary 140,8 stupňa a LMTD je približne 80,8 stupňa -, čo je 2,6 % zníženie.
Na výpočty prenosu tepla sa používa priemerná hodnota LMTD po celej dĺžke rúry. Pre 2,0 m trubicu je priemerná LMTD približne 82 stupňov. Pre 5,0 m trubicu s poklesom tlaku 0,30 baru klesne priemerná hodnota LMTD na približne 79 stupňov -, čo je 5 % zníženie oproti 2,0 m puzdru.
Strata LMTD znamená, že dlhšia trubica poskytuje menší prenos tepla na jednotku dĺžky ako kratšia trubica. Celkový prenos tepla sa zvyšuje s dĺžkou, ale s klesajúcou návratnosťou.
Praktická maximálna dĺžka trubice
Praktická maximálna dĺžka trubice pre jeden-prechodový PTFE výmenník tepla je približne 3-4 metre. Za touto dĺžkou penalizácia poklesu tlaku-ako strata LMTD, tak aj zvýšený protitlak na odvádzači kondenzátu kompenzuje dodatočnú plochu. Pre aplikácie vyžadujúce väčšiu plochu povrchu sa uprednostňuje viacero kratších rúrok paralelne pred menším počtom dlhších rúrok.
Pri vertikálnych jednoprúdových konštrukciách, kde kondenzát odteká gravitáciou a parný-tok kondenzátu je súbežný-nadol, môžu byť prijateľné dĺžky rúrok do 5 metrov, pretože gravitácia napomáha odvodňovaniu a znižuje zložku poklesu tlaku-súvisiaceho s kondenzátom.
Zhrnutie
Pokles tlaku pary v jednom-priechode PTFE trubice výmenníka tepla sa zvyšuje s dĺžkou trubice, čím sa znižuje teplota nasýtenia na výstupe a efektívna LMTD. Praktická maximálna dĺžka trubice je 3-4 metre pre horizontálne trubice a až 5 metrov pre vertikálne dizajny so súprúdovým zostupným prúdením. Okrem týchto dĺžok zmenšujúca sa spätná väzba prenosu tepla a zvýšený protitlak na kondenzačnom systéme uprednostňujú viacero kratších rúrok paralelne.
Technická podpora pre optimalizáciu dĺžky rúrky výmenníka tepla z PTFE je k dispozícii po zadaní tlaku pary, tepelnej záťaže, rozmerov rúrky a teploty procesnej kvapaliny.
