Problem distribucije
PTFE toplotni izmenjevalnik s 60 cevmi, povezanimi z enim parnim zbiralnikom, bi moral teoretično prejeti enak pretok pare v vsako cev. V praksi cevi, ki so najbližje vstopu v glavo, prejmejo več pare kot tiste na skrajnem koncu. Neuravnoteženost ustvarja vroče in hladne cone v cevnem snopu. Hladne cevi ne kondenzirajo pare v celoti in lahko preplavijo kondenzat. Vroče cevi delujejo pri previsokih temperaturah sten.
Enakomernost porazdelitve pare je odvisna od profila tlaka v zbiralniku. Ko para teče vzdolž zbiralnika, trenje in spremembe gibalne količine povzročajo spreminjanje statičnega tlaka. Cevi na različnih lokacijah vidijo različne pogonske tlake. Velikost te spremembe tlaka določa neravnovesje pretoka.
Število cevi na glavo je primarna konstrukcijska spremenljivka, ki nadzoruje enakomernost porazdelitve. Manj cevi na glavo zmanjša dolžino glave in nihanje tlaka vzdolž nje. Več cevi na glavo poveča skupni pretok, poveča nihanje tlaka in možnost nepravilne porazdelitve. Optimalno število cevi uravnoteži kakovost distribucije s stroški in kompleksnostjo več glav.
Profil tlaka glave
Para, ki vstopa v zbiralnik, doživi dva konkurenčna učinka pritiska. Trenje med paro in steno zbiralnika povzroči zmanjšanje tlaka vzdolž smeri toka. To zmanjša pretok v spodnje cevi. Istočasno, ko se para razcepi v cevi, se hitrost v zbiralniku zmanjša. Kinetična energija upočasnjenega toka se pretvori v statični tlak, pojav, ki se imenuje obnovitev tlaka. To ponavadi poveča pretok v spodnje cevi.
Pri parnih zbiralnikih z nizko vstopno hitrostjo in številnimi odcepnimi cevmi prevladuje trenje, spodnje cevi pa manjkajo. Pri zbiralnikih z visoko vstopno hitrostjo in malo vejami se lahko povrnitev tlaka prekomerno kompenzira in spodnje cevi prejmejo presežek toka.
Optimalna zasnova uravnoteži te učinke, da doseže skoraj-enakomeren tlak na vseh vhodih cevi. To se doseže z izbiro premera razdelilnika in števila cevi tako, da je sprememba tlaka v vseh točkah razvejanja manjša od 5 % skupne razlike v pogonskem tlaku.
Tabela 1: Priporočeno število cevi na glavo glede na tlak pare in premer cevi
| Tlak pare (barg) | OD cevi (mm) | Priporočeno število cevi na glavo | Največje število cevi na glavo | Premer glave (mm) | Pričakovana sprememba pretoka |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Vrednosti temeljijo na enotni dolžini cevi 1,5 metra, vodoravni usmerjenosti zbiralnika in spremembi ciljnega pretoka pod 5 %. Daljše cevi povečajo individualno odpornost cevi, izboljšajo porazdelitev in omogočajo nekoliko večje število cevi.
Zahteva za izravnavo kondenzata
Distribucija pare je le polovica problema. Odstranjevanje kondenzata mora biti enako enakomerno. Če ima zbiralnik kondenzata na izhodih cevi drugačen profil tlaka kot zbiralnik pare, se bo neto pogonski tlak v vsaki cevi spreminjal, tudi če sta tlaka dovoda pare enaka.
Zbirnik kondenzata običajno deluje z dvo{0}}faznim tokom-kondenzata in bliskovite pare. Njegova porazdelitev tlaka je bolj zapletena kot enofazni zbiralnik pare-. Izenačitev poti kondenzata se doseže tako, da se zbiralnik kondenzata nagne navzdol proti parni lovilnik, s čimer se zagotovi, da nobena cevna odprtina ni potopljena v nakopičeni kondenzat, in omeji število cevi na zbiralnik kondenzata na enako ali manj kot na strani pare.
Praktične konfiguracije glave
Za toplotni izmenjevalnik PTFE z močjo 60 kW, ki zahteva 60 cevi z zunanjim premerom 10 mm, priporočena konfiguracija uporablja tri zbiralnike pare, od katerih vsak napaja 20 cevi. Ta ureditev omejuje variacijo pretoka na 3-5 % v vseh ceveh. Vsak zbiralnik je povezan z ločenim zbiralnikom kondenzata z enakim številom cevi.
Zasnove z enojnim-razvodnikom za 60 cevi so tehnično izvedljive s prevelikimi premeri razdelilnika, vendar uvajajo 15-25-odstotno variacijo pretoka, kar tvega poplavljanje kondenzata v najbolj izčrpanih ceveh. Prihranek stroškov zaradi zmanjšanja števila glav je odtehtan s slabšo zmogljivostjo zaradi nepravilne distribucije.
Pri zelo velikih izmenjevalnikih, ki presegajo 200 cevi, razdelilni sistem razdeli paro v več pod-razvodnikov. Razdelilnik skrbi za večji tok pare in vsak pod-razdelek napaja obvladljivo število cevi. Ta hierarhični pristop ohranja kakovost distribucije v katerem koli obsegu.
Povzetek
Število cevi na glavo neposredno nadzira enakomernost porazdelitve pare v več{0}}prehodnih PTFE izmenjevalnikih toplote. Priporočeno območje 10–30 cevi na razdelilnik, odvisno od tlaka pare in premera cevi, omejuje variacijo pretoka pod 5 % in preprečuje poplavljanje kondenzata v oslabljenih ceveh. Več manjših razdelilnikov prekaša en sam predimenzioniran razdelilnik v kakovosti porazdelitve in toplotni učinkovitosti.
Ustrezna velikost zbiralnika v kombinaciji s skrbno zasnovo zbiralnika kondenzata zagotavlja, da vsaka cev v snopu PTFE v celoti prispeva k skupnemu prenosu toplote. Skromni dodatni stroški več zbiralnikov se povrnejo z odpravo hladnih mest in poplavljenih cevi.
Inženirska priporočila za zasnovo glave toplotnega izmenjevalnika PTFE so na voljo ob predložitvi zahtevane toplotne moči, tlaka pare, specifikacij cevi in fizičnih omejitev pri postavitvi glave.
