Hastigheten som bestemmer filmkoeffisienten
Et kjemisk prosessanlegg som driver en PTFE-varmeveksler med en rør-sidehastighet på 1,5 m/s rapporterer en total varmeoverføringskoeffisient på 250 W/m²·K. Prosess-sidefilmkoeffisienten er omtrent 1200 W/m²·K, rørveggmotstanden bidrar med omtrent 0,0032 m²·K/W, og service-sidefilmkoeffisienten er omtrent 3000 W/m²·K.
Den totale koeffisienten er den resiproke av summen av de termiske motstandene. Prosess-sidefilmmotstanden er 1/1,200=0.00083 m²·K/W. Rørveggens motstand er 0,0032 m²·K/W. Tjeneste-sidefilmmotstanden er 1/3,000=0.00033 m²·K/W. Den totale motstanden er 0,00436 m²·K/W, og den totale koeffisienten er 229 W/m²·K.
Prosess-sidefilmmotstanden er omtrent 19 % av den totale motstanden. Rørveggmotstanden er omtrent 73 % av totalen. Tjeneste-sidefilmmotstanden er omtrent 8 % av totalen.
Hvis hastigheten reduseres fra 1,5 m/s til 0,75 m/s, synker prosess-sidefilmkoeffisienten til omtrent 690 W/m²·K, og filmmotstanden øker til 0,00145 m²·K/W. Den totale motstanden øker til 0,0050 m²·K/W, og den totale koeffisienten synker til 200 W/m²·K. Den totale koeffisienten synker med 13 %, selv om hastigheten ble halvert.
Hvorfor effekten er mindre enn forventet
Effekten av hastighet på den totale koeffisienten er mindre enn effekten på filmkoeffisienten fordi filmmotstanden bare er en brøkdel av den totale motstanden. I en PTFE varmeveksler dominerer rørveggens motstand, og filmmotstanden er en sekundær bidragsyter.
Dette er forskjellig fra en metallvarmeveksler, hvor motstanden i rørveggen er ubetydelig og filmmotstanden dominerer. I en metallvarmeveksler reduserer en 50 % reduksjon i hastighet den totale koeffisienten med omtrent 43 %. I en PTFE varmeveksler reduserer samme hastighetsreduksjon den totale koeffisienten med bare 10–15 %.
Den mindre effekten betyr at hastigheten er mindre kritisk for den totale ytelsen i en PTFE varmeveksler enn i en metallvarmeveksler. Imidlertid er hastigheten fortsatt viktig av andre grunner, inkludert begroingskontroll, strømningsfordeling og rørvibrasjoner.
Hastighetseffekten ved forskjellige veggtykkelser
Hastighetseffekten på den totale koeffisienten avhenger av rørets veggtykkelse. En tynnere vegg har lavere veggmotstand, noe som betyr at filmmotstanden er en større brøkdel av den totale motstanden, og hastighetseffekten er større.
For et PTFE-rør med en 0,5 mm vegg og en varmeledningsevne på 0,25 W/m·K, er veggmotstanden 0,0020 m²·K/W. Den totale motstanden med en prosess-sidefilmkoeffisient på 1200 W/m²·K og en service-sidefilmkoeffisient på 3000 W/m²·K er 0,00316 m²·K/W, og den totale koeffisienten er 316 W/m²·K. Prosess-sidefilmmotstanden er 26 % av totalen.
Hvis hastigheten halveres, synker prosess-sidefilmkoeffisienten til 690 W/m²·K, og filmmotstanden øker til 0,00145 m²·K/W. Den totale motstanden øker til 0,00378 m²·K/W, og den totale koeffisienten synker til 265 W/m²·K. Den totale koeffisienten reduseres med 16 %, sammenlignet med 13 % for 0,8 mm veggen.
Hastighetseffekten er større for tynnere vegger fordi veggmotstanden er en mindre brøkdel av den totale motstanden.
Hastighetseffekten ved forskjellige rørdiametre
Hastighetseffekten på filmkoeffisienten avhenger av rørdiameteren. Et rør med mindre diameter har en høyere filmkoeffisient for samme hastighet fordi strømmen er mer turbulent og grenselaget er tynnere.
For et 6 mm rør ved 1,5 m/s er Reynolds-tallet omtrent 9 000, som er i overgangsstrømningsregimet. Filmkoeffisienten er omtrent 1000 W/m²·K.
For et 12 mm rør ved 1,5 m/s er Reynolds-tallet omtrent 18 000, som er i det turbulente strømningsregimet. Filmkoeffisienten er omtrent 1500 W/m²·K.
Røret med større diameter har en høyere filmkoeffisient ved samme hastighet fordi Reynolds-tallet er høyere. Imidlertid har røret med større diameter også et lavere overflateareal per volumenhet, noe som reduserer det totale varmeoverføringsarealet for et gitt varmevekslervolum.
Kvantifisere hastighetseffekten på total koeffisient
Tabellen nedenfor oppsummerer den totale varmeoverføringskoeffisienten ved forskjellige rør-sidehastigheter for en PTFE-varmeveksler med en 0,8 mm vegg, en 9,5 mm rørdiameter og en service-sidefilmkoeffisient på 3000 W/m²·K.
| Rør-Sidehastighet | Reynolds nummer | Prosess-Sidefilmkoeffisient | Prosess-Sidefilmmotstand | Total motstand | Samlet koeffisient | Endre fra 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 | Grunnlinje |
| 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 totale koeffisientverdiene antar en 0,8 mm PTFE-vegg med en termisk ledningsevne på 0,25 W/m·K og en service-sidefilmkoeffisient på 3000 W/m²·K. Prosess-sidefilmkoeffisienten beregnes fra Dittus-Boelter-korrelasjonen for turbulent strømning.
Det praktiske hastighetsområdet for PTFE varmevekslere
Det praktiske hastighetsområdet for PTFE-varmevekslere bestemmes av avveiningen- mellom varmeoverføringsfordelen og trykkfallsstraffen. Høyere hastighet øker filmkoeffisienten, men øker også trykkfallet, noe som øker pumpeenergien.
For de fleste PTFE varmevekslerapplikasjoner er det praktiske hastighetsområdet 1,0–2,0 m/s. Under 1,0 m/s er filmkoeffisienten lav og begroingshastigheten høy. Over 2,0 m/s øker trykkfallet og pumpeenergien raskt, og risikoen for rørvibrasjoner og erosjon øker.
Den optimale hastigheten avhenger av den spesifikke applikasjonen. For ren service med lavt begroingspotensiale er en hastighet på 1,0–1,5 m/s tilstrekkelig. For begroingstjenester anbefales en hastighet på 1,5–2,0 m/s for å redusere begroingshastigheten.
Hastighetseffekten på begroing
Hastigheten påvirker ikke bare filmkoeffisienten, men også begroingshastigheten. En høyere hastighet øker skjærspenningen ved rørveggen, noe som reduserer adhesjonen av avleiringer og begroingshastigheten.
Skjærspenningen er proporsjonal med hastigheten i annen. Dobling av hastigheten firdobler skjærspenningen. Den høyere skjærspenningen fjerner avleiringer fra rørveggen og hindrer dem i å samle seg.
Ved begroingstjeneste kan hastighetseffekten på begroingshastigheten være viktigere enn hastighetseffekten på filmkoeffisienten. En høyere hastighet reduserer rengjøringsfrekvensen og vedlikeholdskostnadene, selv om filmkoeffisientforbedringen er beskjeden.
Hastighetseffekten på rørvibrasjoner
En høyere hastighet øker risikoen for rørvibrasjoner, spesielt i tverrstrømningsretningen. Vibrasjonen kan forårsake utmattelsessprekker ved rørstøttene og rørplateskjøtene.
Vibrasjonsrisikoen avhenger av rørets egenfrekvens, støtteavstanden og strømningshastigheten. For PTFE-rør er egenfrekvensen lavere enn for metallrør på grunn av den lavere elastisitetsmodulen. Vibrasjonsrisikoen er høyere for PTFE-rør med samme hastighet.
Den praktiske hastighetsgrensen for PTFE-rør er typisk 2,0–2,5 m/s, over hvilken vibrasjonsrisikoen blir betydelig. Grensen avhenger av støtteavstanden og rørdiameteren.
Designfunksjoner som forbedrer hastighetseffekten
Flere designfunksjoner forbedrer hastighetseffekten på filmkoeffisienten.
Mindre rørdiameter.Et rør med mindre diameter har en høyere filmkoeffisient for samme hastighet fordi Reynolds-tallet er høyere.
Forbedret røroverflate.En røroverflate med finner eller spor øker filmkoeffisienten ved å øke overflaten og fremme turbulens.
Overskrift for flytfordeling.En strømningsfordelingshode sikrer jevn strømning over rørbunten, noe som forhindrer lokaliserte soner med lav-hastighet.
Variabel frekvensomformer.En variabel frekvensomformer på pumpen gjør at strømningshastigheten kan justeres for å matche prosessbehovet, noe som opprettholder hastigheten på optimal verdi.
Spesifikasjonsparametre for optimal hastighet
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Designhastighet.Spesifiser designrørets-sidehastighet. En hastighet på 1,0–2,0 m/s anbefales for de fleste bruksområder.
Strømningshastighet.Spesifiser designstrømningshastigheten og det forventede området.
Rør diameter.Spesifiser rørdiameteren basert på strømningshastigheten og hastigheten.
Trykkfall.Angi maksimalt tillatt trykkfall.
Begroing potensial.Spesifiser begroingspotensialet til prosessvæsken. En høyere hastighet anbefales for begroing.
Vibrasjonsrisiko.Spesifiser rørstøtteavstanden og kravene til vibrasjonsanalyse.
Pumpekontroll.Spesifiser pumpekontrollmetoden. En variabel frekvensomformer anbefales for optimal hastighetskontroll.
Temperaturovervåking.Spesifiser temperatursensorene og overvåkingsmetoden for sporing av varmeoverføringsytelsen.
Tilsvarende hastighet til varmeoverførings- og begroingskrav
Strømningshastigheten inne i PTFE varmevekslerrør påvirker filmvarmeoverføringskoeffisienten gjennom et kraftlovforhold med en eksponent på omtrent 0,8. Effekten på den totale koeffisienten er mindre fordi motstanden i rørveggen dominerer i PTFE varmevekslere. Imidlertid er hastigheten fortsatt viktig for begroingskontroll, strømningsfordeling og rørvibrasjon.
Hastigheten bør velges basert på varmeoverføringsbehovet, begroingspotensialet og trykkfallsgrensen. En hastighet på 1,0–2,0 m/s anbefales for de fleste bruksområder. En høyere hastighet anbefales for tilgroing, og en lavere hastighet er akseptabel for ren service.
For kjemiske prosessanlegg som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør hastigheten spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for varmeoverføringsytelse, og den resulterende hastigheten samsvarer kanskje ikke med de faktiske prosesskravene.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som evaluerer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for kjemisk prosessering eller annen varmeoverføringstjeneste kan be om en designgjennomgang som dekker designhastighet, strømningshastighet, rørdiameter, trykkfall, begroingspotensiale og vibrasjonsrisiko for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske prosesskravene og kostnadsstrukturen til anlegget.
