Večina lupinastih-in-cevnih izmenjevalnikov ima cevi pritrjene na obeh koncih. Bajonetni izmenjevalnik obrne to konvencijo na glavo: cevi so pritrjene samo na enem koncu, drugi konec pa prosto drsi znotraj zaprtega zunanjega ovoja. Ta elegantna oblika rešuje dva vztrajna izziva-toplotni stres in dostop do vzdrževanja. Za PTFE toplotne izmenjevalnike, pri katerih visok koeficient toplotnega raztezanja (CTE) materiala otežuje zasnovo fiksnih cevnih plošč, ponuja bajonetna konfiguracija prepričljivo alternativo za zahtevno končno obdelavo površin in uporabo v kemičnih procesih.
Razložena konstrukcija bajoneta
A bajonetni toplotni izmenjevalnik PTFEje dobila ime po podobnosti z bajonetno-žarnico ali cevno spojko, kjer se ena komponenta vstavi v drugo in je pritrjena na eni točki. V terminologiji izmenjevalnika toplote je bajonetna cev sestavljena iz dveh koncentričnih cevi: notranje in zunanje cevi, ki sta na skrajnem koncu zatesnjeni skupaj. Sklop je vstavljen v ohišje (ali neposredno v rezervoar) in je pritrjen samo na vstopnem/izstopnem koncu-običajno na cevni plošči ali prirobnici. Nasprotni konec se lahko toplotno širi in krči.
Pot tekočine v bajonetnem dizajnu je običajno urejena na naslednji način:
Servisna tekočina (npr. para, vroča voda ali hladilna tekočina) vstopa skozi notranjo cev in teče do zatesnjenega konca.
Na zatesnjenem koncu tekočina obrne smer in teče nazaj skozi obročasti prostor med notranjo in zunanjo cevjo.
Toplota se prenaša skozi zunanjo steno cevi na procesno tekočino na strani lupine (ali strani rezervoarja).
Tekočina nato izstopi skozi obročasti prostor in se vrne na isti konec, kjer je vstopila.
Ta pretočna pot "v-in-ven" pomeni, da sta vhodni in izstopni priključek na istem koncu izmenjevalnika. Prosti konec bajonetne cevi ni podprt, razen pri tesnilu, kar omogoča neomejeno aksialno gibanje.
Ključne razlike od običajnih fiksnih modelov cevnih plošč
Običajni izmenjevalnik toplote iz PTFE s fiksno cevno ploščo ima cevi, ki sta pritrjeni na obeh koncih-ena cevna plošča na vstopnem koncu in druga na izstopnem koncu. Cevni snop je sestavni del ohišja, stranske -šobe ohišja pa so privarjene na samo ohišje. Razlike v mehanskem obnašanju in dostopnosti vzdrževanja so znatne.
Namestitev zaradi toplotnega stresa
PTFE ima koeficient toplotne razteznosti približno 10–20-krat večji od koeficienta jekla (120–150 × 10⁻⁶ / stopinjo v primerjavi z 11 × 10⁻⁶ / stopinjo). Pri fiksni zasnovi cevne plošče se PTFE cev, ki je dolga 2 metra in segreta od 20 stopinj do 100 stopinj, razširi za približno 12–15 mm. Ker sta oba konca pritrjena, ta razširitev ustvarja tlačne sile, ki lahko upogibajo PTFE cev ali poškodujejo spoje cevne plošče. Da bi to preprečili, PTFE izmenjevalec s fiksno cevno ploščo zahteva:
Lebdeča glava (ki omogoča premikanje ene cevne plošče) oz
Dilatacija v lupini, oz
Zelo kratke dolžine cevi (omejujejo kapaciteto izmenjevalnika).
Vsaka od teh rešitev doda stroške, zapletenost in potencialne točke puščanja.
Nasprotno pa abajonetni toplotni izmenjevalnik PTFEsama po sebi prilagaja toplotno raztezanje. Prosti konec bajonetne cevi drsi aksialno znotraj lupine ali zunanjega plašča, ko se PTFE širi in krči. Ni potreben noben raztezni spoj, plavajoča glava ali posebno ujemanje materiala. Zaradi tega je bajonetna zasnova posebej privlačna za aplikacije z velikimi temperaturnimi nihanji ali pogostimi toplotnimi cikli.
Dostop za vzdrževanje in odstranljivost svežnja
Ključna mehanska prednost bajonetne zasnove je, da je mogoče celoten cevni snop izvleči iz izmenjevalnika, ne da bi pri tem motili cev-na strani lupine. Snop je vstavljen v lupino z enega konca in pritrjen z eno samo prirobnico ali cevno ploščo. Če želite odstraniti sveženj za čiščenje, pregled ali zamenjavo:
Dovodna/izstopna cev na strani cevi je odklopljena.
Vijaki prirobnice svežnja so odstranjeni.
Snop se aksialno izvleče iz lupine.
Ohišje ostane na svojem mestu, cevi-na strani ohišja (vključno s šobami, tesnili in priključki) pa se ne dotaknejo.
Pri fiksni zasnovi cevne plošče je odstranjevanje snopa cevi veliko bolj zapleteno. Oba konca ohišja je treba odpreti in morda bo treba odklopiti -stranske šobe ohišja ali celoten izmenjevalnik odstraniti iz voda. Za velike izmenjevalnike v preobremenjenih procesnih območjih je to lahko velik podvig.
Pri storitvah, kjer je potrebno pogosto čiščenje-, kot so nastanek umazanije-kopeli, ki so nagnjene k zaključni obdelavi površin-, je enostavno odstranjevanje snopa v bajonetnem izmenjevalniku odločilna prednost. Bajonetni snop je mogoče izvleči, očistiti in znova vstaviti v nekaj urah, medtem ko bo fiksni snop cevnih plošč morda zahteval cel dan ali več izpadov.
Premisleki o toplotni učinkovitosti
Bajonetna zasnova ima kompromis pri toplotni učinkovitosti-. Obročasta pot toka (tekočina, ki teče v cevki in se vrača skozi obroč) ustvarja učinek dvojne -cevi. Celotni koeficient prenosa toplote je nekoliko nižji kot pri primerljivi protitočni fiksni cevni plošči iz dveh razlogov:
Zmanjšana efektivna temperaturna razlika– Vzorec toka ni čisti protitok; gre za kombinacijo protitoka in vzporednega toka, ki zmanjša logaritem srednje temperaturne razlike (LMTD).
Nižja hitrost na strani obroča– Pri enakem skupnem pretoku ima lahko obročasta reža nižjo hitrost kot ena cev, kar vpliva na koeficient filma.
Vendar je to zmanjšanje običajno skromno (10–20 %) in se pogosto izravna z zmožnostjo uporabe daljših cevi (ker toplotna ekspanzija ni omejitev) in delovanja pri višjih hitrostih-na strani lupine. V mnogih aplikacijah za končno obdelavo površin prednosti uporabnosti daleč odtehtajo skromno zmanjšanje učinkovitosti.
Konstrukcija in materiali
Bajonetni izmenjevalci so pogosti tako v grafitnih kot v PTFE konstrukcijah prav zato, ker imajo ti materiali visoko toplotno razteznost in so krhki ali nagnjeni k lezenju pod obremenitvijo. Bajonetna zasnova spoštuje lastnosti materiala, namesto da bi se z njimi borila.
Pri PTFE bajonetnih izmenjevalnikih sta notranja in zunanja cev običajno izdelani iz PTFE ali PFA (perfluoroalkoksi). Zatesnjeni konec se oblikuje z varjenjem ali toplotnim -taljenjem obeh cevi. Prosti konec ostane odprt, notranja cev pa sega skozi cevno ploščo ali obroček. Zunanja cev je zatesnjena proti cevni plošči s PTFE tesnilom ali O-obročem, kar omogoča aksialno drsenje in hkrati preprečuje puščanje.
Pomembno je upoštevati, da mora biti prosti konec bajonetne cevi podprt, da se preprečijo tresljaji. Pri dolgih bajonetnih ceveh (npr. 3–5 metrov) se v lupini uporabljajo vmesni podporni obroči ali pregrade za vodenje zunanje cevi brez omejevanja osnega gibanja. Brez takšne podpore lahko vibracije,-povzročene s tokom, povzročijo obrabo in prezgodnjo odpoved.
Primerjalna tabela: bajonetni izmenjevalnik v primerjavi s PTFE izmenjevalnikom s fiksno cevno ploščo
| Funkcija | Bajonetni PTFE izmenjevalec | PTFE izmenjevalnik s fiksno cevno ploščo |
|---|---|---|
| Pritrditev cevi | En konec pritrjen; drugi konec prosto drsi | Oba konca pritrjena na cevne plošče |
| Namestitev s toplotno širitvijo | Inherentno – prosti končni drsniki; dilatacija ni potrebna | Zahteva plavajočo glavo, raztezni spoj ali zelo kratke cevi |
| Odstranljivost svežnja | Enostavno – potegnite snop z enega konca, ne da bi pri tem poškodovali cevovod | Težko - zahteva razstavljanje obeh koncev; pogosto zahteva odstranitev izmenjevalnika iz linije |
| Stranske-šobe lupine | Med odstranjevanjem svežnja lahko ostane povezan | Izmenjevalnik je treba odklopiti ali premakniti |
| Cev{0}}stranske povezave | Vhod in izhod na istem koncu | Vhod in izstop na nasprotnih koncih (običajno) |
| Pot toka | V-in-ven skozi koncentrične cevi (učinek dvojne-cevi) | Ravni-prehod (en prehod) ali več-prehod s povratnim pokrovom |
| Toplotna učinkovitost | Nekoliko nižji (korekcijski faktor LMTD 0,85–0,95) | Višje (lahko doseže pravi protitok) |
| Tipična največja dolžina cevi | Omejeno z rokovanjem in vibracijami, ne s toplotno obremenitvijo | Omejeno zaradi toplotnega raztezanja (pogosto 1,5–2,5 m za PTFE brez razteznega spoja) |
| Toleranca obraščanja | Dobro – snop je odstranljiv za čiščenje | Pošteno – čiščenje zahteva več izpadov |
| Stroški za majhne enote | Zmerno – enojna cevna plošča, brez razteznega spoja | Nižje – preprostejša konstrukcija za kratke cevi |
| Cena za velike/dolge enote | Nižje – preprečuje drage dilatacijske fuge | Višje – plavajoča glava ali raztezni spoj povečuje stroške |
Praktična uporaba bajonetnih PTFE toplotnih izmenjevalcev
Pri končni obdelavi površin in kemični obdelavi je bajonetna zasnova prednostna v več posebnih scenarijih:
Hudo termično cikliranje– Šaržni procesi, pri katerih se izmenjevalnik segreva in ohlaja večkrat na dan. Prosto-drsne bajonetne cevi prenašajo to kroženje brez kopičenja obremenitev.
Storitve obraščanja– Kopeli, ki odlagajo vodni kamen, blato ali organske filme na površini za prenos toplote. Bistvena je sposobnost rednega vlečenja svežnja za mehansko ali kemično čiščenje.
Korozivna okolja, ki zahtevajo PTFE– Ker je PTFE kemično inerten, je predpisan za agresivne kisline (npr. klorovodikova, žveplova, fluorovodikova). Bajonetna zasnova zmanjšuje število tesnil in možnih mest puščanja na strani cevi.
Omejen dostopni prostor– Kadar je treba izmenjevalnik namestiti v jašek, ob steno ali na mesto, kjer je dostop do obeh koncev nemogoč. Bajonetni izmenjevalnik se servisira samo z enega konca.
Naknadne instalacije– Zamenjava obstoječega fiksnega cevnega izmenjevalnika, ki je utrpel okvare zaradi toplotne utrujenosti. Bajonetna zasnova odpravlja glavni vzrok teh napak.
Nasprotno pa fiksni modeli cevnih plošč ostajajo konkurenčni za:
Majhni, kratki izmenjevalniki (manj kot 1,5 m dolžine cevi), kjer je toplotna ekspanzija obvladljiva.
Uporaba z zelo čistimi tekočinami in brez toplotnega kroženja.
Primeri, ko je za povečanje LMTD potreben čisti protitok (npr. rekuperacija toplote pri bližnji temperaturi).
Projekti-z omejenim proračunom, pri katerih so najnižji vnaprejšnji stroški glavno gonilo.
Premisleki glede namestitve in delovanja
Pri določanju abajonetni toplotni izmenjevalnik PTFE, več praktičnih podrobnosti si zasluži pozornost:
Podpora prostega konca– Nepodprti prosti konec bajonetne cevi mora biti voden, vendar ne togo pritrjen. PTFE obrabne manšete ali nizko{1}}torni obroči se uporabljajo za preprečevanje stika kovin-in-PTFE.
Oblikovanje tesnila– Drsno tesnilo, kjer zunanja cev vstopa v cevno ploščo, mora omogočati aksialno gibanje brez puščanja. PTFE tesnila ali O-obročki z vzmetnimi vzmetmi so običajna.
Porazdelitev toka– Zagotavljanje, da je obročasta reža dovolj velika, da prepreči prevelik padec tlaka. Reža je običajno 2–5 mm, odvisno od premera cevi in pretoka.
Vibracija cevi– Pregrade ali podporne plošče je treba namestiti v intervalih 0,5–1,0 metra, da preprečite vrtinčno-vibriranje. Nosilci morajo omogočati aksialno drsenje.
Prav tako je treba omeniti, da so bajonetni izmenjevalniki lahko razporejeni v več enot znotraj ene lupine. Več-bajonetna zasnova uporablja veliko vzporednih bajonetnih cevi, ki so vse pritrjene na isto cevno ploščo. Ta konfiguracija zagotavlja veliko območje prenosa toplote, hkrati pa ohranja eno-dostop za vzdrževanje.
Zaključek
PTFE toplotni izmenjevalnik v bajonetnem slogu se bistveno razlikuje od običajnih fiksnih cevnih plošč s pritrditvijo cevi samo na enem koncu, drugemu koncu pa omogoča prosto drsenje. Ta preprosta mehanska inovacija odpravlja potrebo po dilatacijskih spojih ali plavajočih glavah, prilagaja visoko toplotno ekspanzijo PTFE brez povzročanja obremenitev in omogoča odstranjevanje snopa brez motenj na -strani cevi.
Bajonetni PTFE izmenjevalniki so odlični v aplikacijah z močnim toplotnim ciklom ali tam, kjer je najpomembnejše preprosto vzdrževanje-, kot so kopeli za končno obdelavo površin, šaržni kemični reaktorji in naknadne vgradnje z omejenim dostopom. Zmerno zmanjšanje toplotne učinkovitosti v primerjavi s čisto protitočno fiksno cevno ploščo je majhna cena za znatno povečanje zanesljivosti in uporabnosti.
Inovativna mehanska zasnova razširja uporabnost PTFE pri zahtevnih storitvah prenosa toplote. Bajonetni koncept, ki se že dolgo preizkuša v grafitnih izmenjevalnikih, se učinkovito prevede v PTFE in ponuja inženirjem procesov robustno možnost, ko bi se fiksne zasnove cevnih plošč borile s toplotno obremenitvijo ali izpadi vzdrževanja.
