Izbira konfiguracije pretoka
Izmenjevalnik toplote-in-cevi iz PTFE v zanki s prisilnim kroženjem je lahko razporejen v nasprotnem-toku (procesna tekočina in para tečeta v nasprotnih smereh) ali vzporednem-toku (oba tečeta v isto smer). Konfiguracija vpliva na logaritemsko srednjo temperaturno razliko, temperaturni profil vzdolž izmenjevalnika in najvišjo temperaturo stene cevi.
Za večino ogrevalnih aplikacij je zaželen nasprotni{0}}tok, ker zagotavlja višjo LMTD za enake vstopne in izstopne temperature. Procesna tekočina izstopa pri temperaturi, ki se približuje vstopni temperaturi pare, kar poveča rekuperacijo toplote. Vendar pa ima vzporedni{3}}tok prednosti, ko je treba omejiti največjo temperaturo stene cevi-najbolj vroča procesna tekočina pride v stik z najbolj vročo paro na istem koncu, zato je temperatura stene bolj enakomerna po dolžini cevi.
Pri izmenjevalcih iz PTFE, kjer je najvišja temperatura stene pomembna za življenjsko dobo pri lezenju, izbira med proti-tokom in vzporednim-tokom vključuje kompromis-med toplotno zmogljivostjo in mehansko dolgo življenjsko dobo.
Primerjava LMTD
LMTD za proti{0}}tok je: LMTD_cf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), kjer je ΔT1 temperaturna razlika na enem koncu (vhod pare - procesni izstop) in ΔT2 razlika na drugem koncu (parni izhod - procesni vstop).
Za vzporedni-tok: LMTD_pf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), kjer je ΔT1 razlika na vstopnem koncu (vhod pare - procesni vstop) in ΔT2 razlika na izstopnem koncu (parni izhod - procesni izhod).
Za procesno tekočino, segreto od 20 stopinj do 60 stopinj z uporabo 3 barov nasičene pare pri 143 stopinjah, je LMTD za proti-tok približno 101 stopinja. Za vzporedni-tok je približno 96 stopinj. 5-odstotna razlika pomeni, da proti{11}}protitočni izmenjevalnik potrebuje 5 % manj površine za isto delovanje-kar je skromna, a resnična prednost.
| Parameter | Proti{0}}tok | Vzporedni-tok |
|---|---|---|
| Vhodna temperatura procesa | 20 stopinj | 20 stopinj |
| Izhodna temperatura procesa | 60 stopinj | 60 stopinj |
| Temperatura pare (konstantna) | 143 stopinj | 143 stopinj |
| LMTD | 101 stopinja | 96 stopinj |
| Relativna površina za enako obremenitev | 0,95 (manjše) | 1,00 (izhodišče) |
| Najvišja temperatura stene cevi | 143 stopinj na koncu procesa | 143 stopinj na koncu vstopa v proces |
| Enakomernost temperature stene | Spreminja se vzdolž cevi | Bolj enotno |
Upoštevanje temperature stene za PTFE
V proti{0}}izmenjevalniku je stena cevi najbolj vroča na izhodnem koncu procesa, kjer se para pri 143 stopinjah dotakne procesne tekočine pri 60 stopinjah. Lokalna temperatura stene se približa 140 stopinjam, kar povzroči lezenje z visoko hitrostjo v tem delu cevi.
V izmenjevalniku z vzporednim{0}}tokom se para s temperaturo 143 stopinj stika z vhodno procesno tekočino s temperaturo 20 stopinj na vstopnem koncu. Velika temperaturna razlika povzroča velik toplotni tok, vendar je temperatura stene dejansko nižja kot v primeru proti-toka, ker hladna procesna tekočina učinkoviteje hladi steno cevi. Temperatura stene je bolj enakomerna vzdolž dolžine cevi-tako para kot procesna tekočina se skupaj ohlajata, ko potujeta skozi izmenjevalec.
Pri PTFE ceveh, ki delujejo blizu svoje temperaturne meje, lahko vzporedni-tok zagotovi zmerno znižanje najvišje temperature stene in podaljša življenjsko dobo lezenja. Prednost je pri večini aplikacij majhna-zmanjšanje temperature stene za 5-10 stopinj – toda pri izmenjevalcih, ki delujejo na zgornji meji temperaturnega območja PTFE (nad 150 stopinj), je zmanjšanje lahko pomembno za življenjsko dobo.
Priporočilo
Za večino aplikacij toplotnega izmenjevalnika PTFE je priporočena konfiguracija proti{0}}toka. Prednost 5 % površine zmanjša velikost izmenjevalnika in stroške. Temperaturna razlika stene med obema konfiguracijama je majhna pri tipičnih delovnih temperaturah (pod 150 stopinj).
Pri aplikacijah s temperaturo pare nad 150 stopinj, kjer je življenjska doba lezenja glavna konstrukcijska omejitev, je treba razmisliti o vzporednem-toku. Bolj enakomerna temperatura stene zmanjša najvišjo hitrost lezenja na najbolj vročem delu cevi, kar podaljša celotno življenjsko dobo. Zmerno povečanje zahtevane površine je upravičeno z daljšim časom med zamenjavami cevi.
Povzetek
Konfiguracija s-protitokom zagotavlja 5 % višji LMTD in zahteva manjšo površino kot vzporedni{2}}tok za enako moč ogrevanja. Je prednostna izbira za večino aplikacij toplotnih izmenjevalcev PTFE. Vzporedni-tok nudi majhno znižanje najvišje temperature stene cevi, kar lahko podaljša življenjsko dobo lezenja za izmenjevalce, ki delujejo nad temperaturo pare 150 stopinj. Izbira uravnoteži toplotno učinkovitost in mehansko dolgo življenjsko dobo.
Inženirska podpora za izbiro konfiguracije pretoka toplotnega izmenjevalnika PTFE je na voljo ob predložitvi temperatur procesne tekočine, tlaka pare in zahtevane življenjske dobe.
