De snelheid die de filmcoëfficiënt bepaalt
Een chemische verwerkingsfaciliteit die een PTFE-warmtewisselaar gebruikt met een buis{0}}zijsnelheid van 1,5 m/s rapporteert een totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van 250 W/m²·K. De filmcoëfficiënt aan de proceszijde- is ongeveer 1.200 W/m²·K, de buiswandweerstand draagt ongeveer 0,0032 m²·K/W bij, en de filmcoëfficiënt aan de service-zijde is ongeveer 3.000 W/m²·K.
De totale coëfficiënt is het omgekeerde van de som van de thermische weerstanden. De filmweerstand aan de proces-zijde is 1/1,200=0.00083 m²·K/W. De buiswandweerstand bedraagt 0,0032 m²·K/W. De filmweerstand aan de service-zijde is 1/3,000=0.00033 m²·K/W. De totale weerstand bedraagt 0,00436 m²·K/W en de algemene coëfficiënt bedraagt 229 W/m²·K.
De filmweerstand aan de proces-zijde bedraagt ongeveer 19% van de totale weerstand. De buiswandweerstand bedraagt circa 73% van het totaal. De filmweerstand aan de service-zijde bedraagt ongeveer 8% van het totaal.
Als de snelheid wordt verlaagd van 1,5 m/s naar 0,75 m/s, daalt de filmcoëfficiënt aan de proceszijde tot ongeveer 690 W/m²·K, en neemt de filmweerstand toe tot 0,00145 m²·K/W. De totale weerstand neemt toe tot 0,0050 m²·K/W, en de totale coëfficiënt daalt tot 200 W/m²·K. De totale coëfficiënt daalt met 13%, ook al werd de snelheid gehalveerd.
Waarom het effect kleiner is dan verwacht
Het effect van de snelheid op de totale coëfficiënt is kleiner dan het effect op de filmcoëfficiënt, omdat de filmweerstand slechts een fractie is van de totale weerstand. In een PTFE-warmtewisselaar domineert de buiswandweerstand, en de filmweerstand levert een secundaire bijdrage.
Dit is anders dan bij een metalen warmtewisselaar, waarbij de buiswandweerstand verwaarloosbaar is en de filmweerstand domineert. In een metalen warmtewisselaar vermindert een snelheidsvermindering van 50% de totale coëfficiënt met ongeveer 43%. In een PTFE-warmtewisselaar vermindert dezelfde snelheidsreductie de totale coëfficiënt met slechts 10–15%.
Het kleinere effect betekent dat de snelheid minder kritisch is voor de algehele prestaties in een PTFE-warmtewisselaar dan in een metalen warmtewisselaar. De snelheid is echter nog steeds belangrijk om andere redenen, waaronder vervuilingsbeheersing, stroomverdeling en buistrillingen.
Het snelheidseffect bij verschillende wanddiktes
Het snelheidseffect op de totale coëfficiënt hangt af van de buiswanddikte. Een dunnere wand heeft een lagere wandweerstand, wat betekent dat de filmweerstand een groter deel is van de totale weerstand en dat het snelheidseffect groter is.
Voor een PTFE buis met een wanddikte van 0,5 mm en een warmtegeleidingsvermogen van 0,25 W/m·K bedraagt de wandweerstand 0,0020 m²·K/W. De totale weerstand met een filmcoëfficiënt aan de proceszijde- van 1.200 W/m²·K en een filmcoëfficiënt aan de- servicezijde van 3.000 W/m²·K is 0,00316 m²·K/W, en de algemene coëfficiënt is 316 W/m²·K. De filmweerstand aan de proces-zijde is 26% van het totaal.
Als de snelheid wordt gehalveerd, daalt de filmcoëfficiënt aan de proceszijde- tot 690 W/m²·K, en neemt de filmweerstand toe tot 0,00145 m²·K/W. De totale weerstand neemt toe tot 0,00378 m²·K/W, en de algemene coëfficiënt daalt tot 265 W/m²·K. De totale coëfficiënt daalt met 16%, vergeleken met 13% voor de wand van 0,8 mm.
Het snelheidseffect is groter bij dunnere wanden omdat de wandweerstand een kleiner deel is van de totale weerstand.
Het snelheidseffect bij verschillende buisdiameters
Het snelheidseffect op de filmcoëfficiënt hangt af van de buisdiameter. Een buis met een kleinere diameter heeft een hogere filmcoëfficiënt voor dezelfde snelheid omdat de stroming turbulenter is en de grenslaag dunner is.
Voor een buis van 6 mm bij 1,5 m/s is het Reynoldsgetal ongeveer 9.000, wat zich in het overgangsstromingsregime bevindt. De filmcoëfficiënt bedraagt ongeveer 1.000 W/m²·K.
Voor een buis van 12 mm bij 1,5 m/s is het Reynoldsgetal ongeveer 18.000, wat zich in het turbulente stromingsregime bevindt. De filmcoëfficiënt bedraagt circa 1.500 W/m²·K.
De buis met grotere diameter heeft een hogere filmcoëfficiënt bij dezelfde snelheid omdat het Reynoldsgetal hoger is. De buis met grotere diameter heeft echter ook een kleiner oppervlak per volume-eenheid, waardoor het totale warmteoverdrachtsoppervlak voor een gegeven warmtewisselaarvolume kleiner wordt.
Kwantificering van het snelheidseffect op de algehele coëfficiënt
De volgende tabel geeft een samenvatting van de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt bij verschillende buis-zijsnelheden voor een PTFE-warmtewisselaar met een wand van 0,8 mm, een buisdiameter van 9,5 mm en een filmcoëfficiënt aan de service-zijde van 3.000 W/m²·K.
| Buis-Zijsnelheid | Reynoldsnummer | Proces-Zijfilmcoëfficiënt | Proces-Zijfilmweerstand | Totale weerstand | Algemene coëfficiënt | Verandering ten opzichte van de basislijn |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | Basislijn |
| 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% |
Bij de algemene coëfficiëntwaarden wordt uitgegaan van een PTFE-wand van 0,8 mm met een thermische geleidbaarheid van 0,25 W/m·K en een filmcoëfficiënt aan de servicezijde- van 3.000 W/m²·K. De filmcoëfficiënt aan de proceszijde- wordt berekend op basis van de Dittus-Boelter-correlatie voor turbulente stroming.
Het praktische snelheidsbereik voor PTFE-warmtewisselaars
Het praktische snelheidsbereik voor PTFE-warmtewisselaars wordt bepaald door de afweging-tussen het voordeel van de warmteoverdracht en de drukval. Een hogere snelheid verhoogt de filmcoëfficiënt, maar vergroot ook de drukval, waardoor de pompenergie toeneemt.
Voor de meeste PTFE-warmtewisselaartoepassingen bedraagt het praktische snelheidsbereik 1,0–2,0 m/s. Beneden 1,0 m/s is de filmcoëfficiënt laag en de vervuilingssnelheid hoog. Boven de 2,0 m/s nemen de drukval en de pompenergie snel toe en neemt het risico op buistrillingen en erosie toe.
De optimale snelheid is afhankelijk van de specifieke toepassing. Voor schoon gebruik met een laag vervuilingspotentieel is een snelheid van 1,0–1,5 m/s voldoende. Voor vervuilingsservices wordt een snelheid van 1,5–2,0 m/s aanbevolen om de vervuilingssnelheid te verminderen.
Het snelheidseffect op vervuiling
De snelheid beïnvloedt niet alleen de filmcoëfficiënt, maar ook de vervuilingssnelheid. Een hogere snelheid verhoogt de schuifspanning aan de buiswand, waardoor de hechting van afzettingen en de vervuilingssnelheid afnemen.
De schuifspanning is evenredig met de snelheid in het kwadraat. Een verdubbeling van de snelheid verviervoudigt de schuifspanning. De hogere schuifspanning verwijdert afzettingen van de buiswand en voorkomt dat deze zich ophopen.
Bij vervuiling kan het snelheidseffect op de vervuilingssnelheid belangrijker zijn dan het snelheidseffect op de filmcoëfficiënt. Een hogere snelheid vermindert de reinigingsfrequentie en de onderhoudskosten, zelfs als de verbetering van de filmcoëfficiënt bescheiden is.
Het snelheidseffect op buistrillingen
Een hogere snelheid vergroot het risico op buistrillingen, vooral in de dwars-stroomrichting. De trillingen kunnen vermoeiingsscheuren veroorzaken bij de buissteunen en de buisplaatverbindingen.
Het trillingsrisico is afhankelijk van de eigenfrequentie van de buis, de steunafstand en de stroomsnelheid. Voor PTFE-buizen is de eigenfrequentie lager dan voor metalen buizen vanwege de lagere elasticiteitsmodulus. Het trillingsrisico is hoger voor PTFE-buizen bij dezelfde snelheid.
De praktische snelheidslimiet voor PTFE-buizen is doorgaans 2,0–2,5 m/s, waarboven het trillingsrisico aanzienlijk wordt. De limiet is afhankelijk van de steunafstand en de buisdiameter.
Ontwerpkenmerken die het snelheidseffect versterken
Verschillende ontwerpkenmerken versterken het snelheidseffect op de filmcoëfficiënt.
Kleinere buisdiameter.Een buis met een kleinere diameter heeft een hogere filmcoëfficiënt voor dezelfde snelheid omdat het Reynoldsgetal hoger is.
Verbeterd buisoppervlak.Een buisoppervlak met vinnen of groeven verhoogt de filmcoëfficiënt door het oppervlak te vergroten en turbulentie te bevorderen.
Stroomverdelingskop.Een stroomverdelingskop zorgt voor een uniforme stroom door de buizenbundel, waardoor plaatselijke lage- zones met lage snelheid worden voorkomen.
Variabele frequentieaandrijving.Dankzij een frequentieregelaar op de pomp kan het debiet worden aangepast aan de procesvraag, waardoor de snelheid op de optimale waarde wordt gehouden.
Specificatieparameters voor optimale snelheid
Apparatuuringenieurs die een PTFE-warmtewisselaar specificeren, moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Ontwerpsnelheid.Specificeer de ontwerpbuis-zijsnelheid. Voor de meeste toepassingen wordt een snelheid van 1,0–2,0 m/s aanbevolen.
Stroomsnelheid.Specificeer het ontwerpdebiet en het verwachte bereik.
Buisdiameter.Specificeer de buisdiameter op basis van het debiet en de snelheid.
Drukval.Specificeer de maximaal toegestane drukval.
Vervuilingspotentieel.Specificeer het vervuilingspotentieel van de procesvloeistof. Bij vervuiling wordt een hogere snelheid aanbevolen.
Trillingsrisico.Specificeer de afstand van de buissteun en de vereisten voor trillingsanalyse.
Pompregeling.Specificeer de pompbesturingsmethode. Voor een optimale snelheidsregeling wordt een frequentieregelaar aanbevolen.
Temperatuurbewaking.Specificeer de temperatuursensoren en de bewakingsmethode voor het volgen van de prestaties van de warmteoverdracht.
Snelheid afstemmen op vereisten voor warmteoverdracht en vervuiling
De stroomsnelheid in de PTFE-warmtewisselaarbuizen beïnvloedt de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de film via een machtswetrelatie met een exponent van ongeveer 0,8. Het effect op de totale coëfficiënt is kleiner omdat bij PTFE-warmtewisselaars de buiswandweerstand domineert. De snelheid is echter nog steeds belangrijk voor het beheersen van vervuiling, de stroomverdeling en buistrillingen.
De snelheid moet worden geselecteerd op basis van de warmteoverdrachtsvereiste, het vervuilingspotentieel en de drukvallimiet. Voor de meeste toepassingen wordt een snelheid van 1,0–2,0 m/s aanbevolen. Voor vervuiling wordt een hogere snelheid aanbevolen, terwijl een lagere snelheid acceptabel is voor schone service.
Voor chemische verwerkingsfaciliteiten die opties voor PTFE-warmtewisselaars evalueren, moet de snelheid worden gespecificeerd in de aanbestedingsdocumenten en worden geverifieerd bij de inbedrijfstelling. De standaardconfiguratie die door de fabrikant wordt geleverd, is mogelijk geoptimaliseerd voor compactheid in plaats van voor warmteoverdrachtsprestaties, en de resulterende snelheid komt mogelijk niet overeen met de werkelijke procesvereisten.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars evalueren voor chemische verwerking of andere diensten voor warmteoverdracht kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot ontwerpsnelheid, stroomsnelheid, buisdiameter, drukval, vervuilingspotentieel en trillingsrisico om te bevestigen dat de eenheid is afgestemd op de werkelijke procesvereisten en kostenstructuur van de faciliteit.
