De keuze voor stroomconfiguratie
Een warmtewisselaar met PTFE-mantel-en-buizen in een geforceerde circulatielus kan worden opgesteld in tegen-stroom (procesvloeistof en stoom stromen in tegengestelde richtingen) of parallelle-stroom (beide stromen in dezelfde richting). De configuratie beïnvloedt het logaritmische gemiddelde temperatuurverschil, het temperatuurprofiel langs de wisselaar en de maximale buiswandtemperatuur.
Voor de meeste verwarmingstoepassingen wordt de voorkeur gegeven aan tegenstroom- omdat deze een hogere LMTD oplevert voor dezelfde inlaat- en uitlaattemperaturen. De procesvloeistof komt naar buiten bij een temperatuur die de stoominlaattemperatuur benadert, waardoor de warmteterugwinning wordt gemaximaliseerd. Parallelle-stroming heeft echter voordelen wanneer het nodig is om de maximale temperatuur van de buiswand te beperken-de heetste procesvloeistof komt aan hetzelfde uiteinde in contact met de heetste stoom, zodat de wandtemperatuur gelijkmatiger is over de lengte van de buis.
Voor PTFE-wisselaars, waarbij de maximale wandtemperatuur van belang is voor de kruiplevensduur, impliceert de keuze tussen tegen{0}}stroom en parallelle-stroom een afweging- tussen thermische prestaties en mechanische levensduur.
De LMTD-vergelijking
De LMTD voor tegen-flow is: LMTD_cf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), waarbij ΔT1 het temperatuurverschil aan het ene uiteinde is (stoominlaat - procesuitlaat) en ΔT2 het verschil aan het andere uiteinde is (stoomuitlaat - procesinlaat).
Voor parallelle-stroom: LMTD_pf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), waarbij ΔT1 het verschil is aan het inlaatuiteinde (stoominlaat - procesinlaat) en ΔT2 het verschil is aan het uitlaatuiteinde (stoomuitlaat - procesuitlaat).
Voor een procesvloeistof die wordt verwarmd van 20 graden naar 60 graden met behulp van 3 barg verzadigde stoom van 143 graden, is de LMTD voor tegenstroom- ongeveer 101 graden. Voor parallelle-stroming is dit ongeveer 96 graden. Het verschil van 5% betekent dat een tegenstroomwisselaar-5% minder oppervlak nodig heeft voor hetzelfde gebruik-een bescheiden maar reëel voordeel.
| Parameter | Tegen-stroom | Parallelle-stroom |
|---|---|---|
| Procesinlaattemperatuur | 20 graden | 20 graden |
| Procesuitlaattemperatuur | 60 graden | 60 graden |
| Stoomtemperatuur (constant) | 143 graden | 143 graden |
| LMTD | 101 graden | 96 graden |
| Relatieve oppervlakte voor hetzelfde gebruik | 0,95 (kleiner) | 1,00 (basislijn) |
| Maximale buiswandtemperatuur | 143 graden aan het uiteinde van de procesuitlaat | 143 graden aan het uiteinde van de procesinlaat |
| Uniformiteit van de wandtemperatuur | Varieert langs de buis | Uniformer |
De wandtemperatuuroverweging voor PTFE
In een tegenstroomwisselaar- is de buiswand het heetst aan het uiteinde van de procesuitlaat, waar de stoom van 143 graden in contact komt met de procesvloeistof van 60 graden. De plaatselijke wandtemperatuur benadert de 140 graden, waardoor de kruip in dat deel van de buis snel toeneemt.
In een parallelle-stroomwisselaar komt de stoom van 143 graden in contact met de binnenkomende procesvloeistof van 20 graden aan het inlaatuiteinde. Het grote temperatuurverschil zorgt voor een hoge warmtestroom, maar de wandtemperatuur is feitelijk lager dan in het tegenstroomgeval, omdat de koude procesvloeistof de buiswand effectiever koelt. De wandtemperatuur is gelijkmatiger over de lengte van de buis.-Zowel de stoom als de procesvloeistof koelen samen af terwijl ze door de wisselaar reizen.
Voor PTFE-buizen die in de buurt van hun temperatuurlimiet werken, kan parallelle-stroming zorgen voor een bescheiden verlaging van de maximale wandtemperatuur, waardoor de kruiplevensduur wordt verlengd. Het voordeel is klein voor de meeste toepassingen-5-10 graden verlaging van de wandtemperatuur, maar voor wisselaars die aan de bovenkant van het PTFE-temperatuurbereik werken (boven 150 graden), kan de verlaging aanzienlijk zijn voor de levensduur.
De aanbeveling
Voor de meeste PTFE-warmtewisselaartoepassingen is tegenstroom- de aanbevolen configuratie. Het oppervlaktevoordeel van 5% vermindert de grootte en de kosten van de wisselaar. Het verschil in wandtemperatuur tussen de twee configuraties is klein bij typische bedrijfstemperaturen (lager dan 150 graden).
Voor toepassingen met stoomtemperaturen boven de 150 graden, waarbij de kruiplevensduur een primaire ontwerpbeperking is, moet parallelle-stroming worden overwogen. De meer uniforme wandtemperatuur vermindert de piekkruipsnelheid in het heetste gedeelte van de buis, waardoor de algehele levensduur wordt verlengd. De bescheiden toename van het benodigde oppervlak wordt gerechtvaardigd door de langere tijd tussen buisvervangingen.
Samenvatting
De tegen-stroomconfiguratie biedt een 5% hogere LMTD en vereist minder oppervlakte dan parallelle-stroom voor hetzelfde verwarmingsvermogen. Het heeft de voorkeur voor de meeste PTFE-warmtewisselaartoepassingen. Parallelle-stroming biedt een kleine verlaging van de maximale buiswandtemperatuur, waardoor de kruiplevensduur kan worden verlengd voor wisselaars die boven een stoomtemperatuur van 150 graden werken. De selectie balanceert thermische efficiëntie tegen mechanische levensduur.
Technische ondersteuning voor de selectie van de stromingsconfiguratie van de PTFE-warmtewisselaar is beschikbaar na opgave van procesvloeistoftemperaturen, stoomdruk en vereiste levensduur.
