Halaju Yang Menentukan Pekali Filem
Kemudahan pemprosesan kimia yang mengendalikan penukar haba PTFE dengan halaju sisi tiub-1.5 m/s melaporkan pekali pemindahan haba keseluruhan 250 W/m²·K. Pekali filem sisi-proses ialah lebih kurang 1,200 W/m²·K, rintangan dinding tiub menyumbang kira-kira 0.0032 m²·K/W, dan pekali filem sisi-perkhidmatan ialah lebih kurang 3,000 W/m²·K.
Pekali keseluruhan ialah timbal balik jumlah rintangan haba. Rintangan filem sisi proses- ialah 1/1,200=0.00083 m²·K/W. Rintangan dinding tiub ialah 0.0032 m²·K/W. Rintangan filem sisi-perkhidmatan ialah 1/3,000=0.00033 m²·K/W. Jumlah rintangan ialah 0.00436 m²·K/W, dan pekali keseluruhan ialah 229 W/m²·K.
Rintangan filem sisi proses-adalah kira-kira 19% daripada jumlah rintangan. Rintangan dinding tiub adalah kira-kira 73% daripada jumlah keseluruhan. Rintangan filem sisi-perkhidmatan ialah kira-kira 8% daripada jumlah keseluruhan.
Jika halaju dikurangkan daripada 1.5 m/s kepada 0.75 m/s, proses-pekali filem sisi turun kepada kira-kira 690 W/m²·K, dan rintangan filem meningkat kepada 0.00145 m²·K/W. Jumlah rintangan meningkat kepada 0.0050 m²·K/W, dan pekali keseluruhan turun kepada 200 W/m²·K. Pekali keseluruhan berkurangan sebanyak 13%, walaupun halaju dikurangkan separuh.
Mengapa Kesannya Lebih Kecil Daripada Jangkaan
Kesan halaju pada pekali keseluruhan adalah lebih kecil daripada kesan pada pekali filem kerana rintangan filem hanya sebahagian kecil daripada jumlah rintangan. Dalam penukar haba PTFE, rintangan dinding tiub mendominasi, dan rintangan filem adalah penyumbang sekunder.
Ini berbeza daripada penukar haba logam, di mana rintangan dinding tiub diabaikan dan rintangan filem mendominasi. Dalam penukar haba logam, pengurangan 50% dalam halaju mengurangkan pekali keseluruhan kira-kira 43%. Dalam penukar haba PTFE, pengurangan halaju yang sama mengurangkan pekali keseluruhan sebanyak 10–15% sahaja.
Kesan yang lebih kecil bermakna halaju kurang kritikal untuk prestasi keseluruhan dalam penukar haba PTFE berbanding penukar haba logam. Walau bagaimanapun, halaju masih penting atas sebab lain, termasuk kawalan kekotoran, pengagihan aliran, dan getaran tiub.
Kesan Halaju pada Ketebalan Dinding Berbeza
Kesan halaju pada pekali keseluruhan bergantung pada ketebalan dinding tiub. Dinding yang lebih nipis mempunyai rintangan dinding yang lebih rendah, yang bermaksud rintangan filem adalah pecahan yang lebih besar daripada jumlah rintangan, dan kesan halaju lebih besar.
Untuk tiub PTFE dengan dinding 0.5 mm dan kekonduksian terma 0.25 W/m·K, rintangan dinding ialah 0.0020 m²·K/W. Jumlah rintangan dengan proses-pekali filem sisi 1,200 W/m²·K dan pekali filem sisi-perkhidmatan 3,000 W/m²·K ialah 0.00316 m²·K/W, dan pekali keseluruhan ialah 316 W/m²·K. Rintangan filem sisi proses-adalah 26% daripada jumlah keseluruhan.
Jika halaju dibelah dua, proses-pekali filem sisi turun kepada 690 W/m²·K, dan rintangan filem meningkat kepada 0.00145 m²·K/W. Jumlah rintangan meningkat kepada 0.00378 m²·K/W, dan pekali keseluruhan turun kepada 265 W/m²·K. Pekali keseluruhan berkurangan sebanyak 16%, berbanding 13% untuk dinding 0.8 mm.
Kesan halaju adalah lebih besar untuk dinding yang lebih nipis kerana rintangan dinding adalah pecahan yang lebih kecil daripada jumlah rintangan.
Kesan Halaju pada Diameter Tiub Berbeza
Kesan halaju pada pekali filem bergantung pada diameter tiub. Tiub diameter yang lebih kecil mempunyai pekali filem yang lebih tinggi untuk halaju yang sama kerana alirannya lebih bergelora dan lapisan sempadan lebih nipis.
Untuk tiub 6 mm pada 1.5 m/s, nombor Reynolds adalah lebih kurang 9,000, iaitu dalam rejim aliran peralihan. Pekali filem adalah lebih kurang 1,000 W/m²·K.
Untuk tiub 12 mm pada 1.5 m/s, nombor Reynolds adalah lebih kurang 18,000, yang berada dalam rejim aliran gelora. Pekali filem adalah lebih kurang 1,500 W/m²·K.
Tiub diameter yang lebih besar mempunyai pekali filem yang lebih tinggi pada halaju yang sama kerana nombor Reynolds lebih tinggi. Walau bagaimanapun, tiub diameter yang lebih besar juga mempunyai luas permukaan yang lebih rendah per unit isipadu, yang mengurangkan jumlah kawasan pemindahan haba untuk isipadu penukar haba tertentu.
Mengira Kesan Halaju pada Pekali Keseluruhan
Jadual berikut meringkaskan keseluruhan pekali pemindahan haba pada halaju sisi tiub-yang berbeza untuk penukar haba PTFE dengan dinding 0.8 mm, diameter tiub 9.5 mm dan pekali filem sisi-perkhidmatan sebanyak 3,000 W/m²·K.
| Tiub-Halaju Sisi | Nombor Reynolds | Proses-Pekali Filem Sampingan | Proses-Kerintangan Filem Sampingan | Rintangan Jumlah | Pekali Keseluruhan | Tukar daripada 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 | Garis dasar |
| 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% |
Nilai pekali keseluruhan menganggap dinding PTFE 0.8 mm dengan kekonduksian terma 0.25 W/m·K dan pekali filem sisi-servis 3,000 W/m²·K. Proses-pekali filem sisi dikira daripada korelasi Dittus-Boelter untuk aliran gelora.
Julat Halaju Praktikal untuk Penukar Haba PTFE
Julat halaju praktikal untuk penukar haba PTFE ditentukan oleh pertukaran-antara faedah pemindahan haba dan penalti penurunan tekanan. Halaju yang lebih tinggi meningkatkan pekali filem tetapi juga meningkatkan penurunan tekanan, yang meningkatkan tenaga pengepaman.
Bagi kebanyakan aplikasi penukar haba PTFE, julat halaju praktikal ialah 1.0–2.0 m/s. Di bawah 1.0 m/s, pekali filem adalah rendah dan kadar fouling adalah tinggi. Di atas 2.0 m/s, penurunan tekanan dan tenaga pengepaman meningkat dengan cepat, dan risiko getaran dan hakisan tiub meningkat.
Halaju optimum bergantung pada aplikasi tertentu. Untuk servis bersih dengan potensi fouling rendah, halaju 1.0–1.5 m/s adalah memadai. Untuk servis fouling, halaju 1.5–2.0 m/s disyorkan untuk mengurangkan kadar fouling.
Kesan Halaju pada Fouling
Halaju mempengaruhi bukan sahaja pekali filem tetapi juga kadar fouling. Halaju yang lebih tinggi meningkatkan tegasan ricih pada dinding tiub, yang mengurangkan lekatan mendapan dan kadar kekotoran.
Tegasan ricih adalah berkadar dengan halaju kuasa dua. Menggandakan halaju menggandakan tegasan ricih. Tegasan ricih yang lebih tinggi menghilangkan mendapan dari dinding tiub dan menghalangnya daripada terkumpul.
Dalam perkhidmatan fouling, kesan halaju pada kadar fouling boleh menjadi lebih penting daripada kesan halaju pada pekali filem. Halaju yang lebih tinggi mengurangkan kekerapan pembersihan dan kos penyelenggaraan, walaupun peningkatan pekali filem adalah sederhana.
Kesan Halaju pada Getaran Tiub
Halaju yang lebih tinggi meningkatkan risiko getaran tiub, terutamanya dalam-arah aliran silang. Getaran boleh menyebabkan keletihan retak pada penyokong tiub dan sambungan kepingan tiub.
Risiko getaran bergantung pada frekuensi semula jadi tiub, jarak sokongan, dan halaju aliran. Untuk tiub PTFE, frekuensi semula jadi adalah lebih rendah daripada tiub logam kerana modulus keanjalan yang lebih rendah. Risiko getaran adalah lebih tinggi untuk tiub PTFE pada halaju yang sama.
Had halaju praktikal untuk tiub PTFE biasanya 2.0–2.5 m/s, di atasnya risiko getaran menjadi ketara. Had bergantung pada jarak sokongan dan diameter tiub.
Ciri Reka Bentuk Yang Meningkatkan Kesan Halaju
Beberapa ciri reka bentuk meningkatkan kesan halaju pada pekali filem.
Diameter tiub yang lebih kecil.Tiub diameter yang lebih kecil mempunyai pekali filem yang lebih tinggi untuk halaju yang sama kerana nombor Reynolds lebih tinggi.
Permukaan tiub yang dipertingkatkan.Permukaan tiub dengan sirip atau alur meningkatkan pekali filem dengan meningkatkan luas permukaan dan menggalakkan pergolakan.
Pengepala pengagihan aliran.Pengepala pengedaran aliran memastikan aliran seragam merentasi himpunan tiub, yang menghalang zon halaju rendah-rendah setempat.
Pemacu frekuensi boleh ubah.Pemacu frekuensi berubah-ubah pada pam membolehkan kadar aliran diselaraskan untuk memadankan permintaan proses, yang mengekalkan halaju pada nilai optimum.
Parameter Spesifikasi untuk Halaju Optimum
Jurutera peralatan yang menyatakan penukar haba PTFE harus mengesahkan parameter berikut dengan pembekal.
Kelajuan reka bentuk.Tentukan halaju sisi tiub reka bentuk-. Halaju 1.0–2.0 m/s disyorkan untuk kebanyakan aplikasi.
Kadar aliran.Nyatakan kadar aliran reka bentuk dan julat yang dijangkakan.
Diameter tiub.Nyatakan diameter tiub berdasarkan kadar alir dan halaju.
Penurunan tekanan.Nyatakan penurunan tekanan maksimum yang dibenarkan.
Potensi fouling.Nyatakan potensi kekotoran cecair proses. Halaju yang lebih tinggi disyorkan untuk perkhidmatan fouling.
Risiko getaran.Tentukan jarak sokongan tiub dan keperluan analisis getaran.
Kawalan pam.Nyatakan kaedah kawalan pam. Pemacu frekuensi berubah-ubah disyorkan untuk kawalan halaju optimum.
Pemantauan suhu.Nyatakan penderia suhu dan kaedah pemantauan untuk menjejak prestasi pemindahan haba.
Memadankan Halaju kepada Pemindahan Haba dan Keperluan Fouling
Halaju aliran di dalam tiub penukar haba PTFE mempengaruhi pekali pemindahan haba filem melalui hubungan undang-undang kuasa dengan eksponen lebih kurang 0.8. Kesan ke atas pekali keseluruhan adalah lebih kecil kerana rintangan dinding tiub mendominasi dalam penukar haba PTFE. Walau bagaimanapun, halaju masih penting untuk kawalan fouling, pengagihan aliran, dan getaran tiub.
Halaju hendaklah dipilih berdasarkan keperluan pemindahan haba, potensi kekotoran, dan had penurunan tekanan. Halaju 1.0–2.0 m/s disyorkan untuk kebanyakan aplikasi. Halaju yang lebih tinggi disyorkan untuk perkhidmatan fouling, dan halaju yang lebih rendah boleh diterima untuk perkhidmatan bersih.
Untuk kemudahan pemprosesan kimia yang menilai pilihan penukar haba PTFE, halaju hendaklah dinyatakan dalam dokumen perolehan dan disahkan semasa pentauliahan. Konfigurasi lalai yang disediakan oleh pengilang mungkin dioptimumkan untuk kekompakan dan bukannya prestasi pemindahan haba, dan halaju yang terhasil mungkin tidak sepadan dengan keperluan proses sebenar.
Jurutera peralatan dan pakar perolehan yang menilai spesifikasi penukar haba PTFE untuk pemprosesan kimia atau perkhidmatan pemindahan haba lain boleh meminta semakan reka bentuk yang meliputi halaju reka bentuk, kadar aliran, diameter tiub, penurunan tekanan, potensi kekotoran dan risiko getaran untuk mengesahkan unit dipadankan dengan keperluan proses sebenar dan struktur kos kemudahan.
