La scelta della configurazione del flusso
Uno scambiatore di calore a fascio tubiero-e-in PTFE in un circuito a circolazione forzata può essere disposto in contro-flusso (fluido di processo e flusso di vapore in direzioni opposte) o in parallelo-flusso (entrambi scorrono nella stessa direzione). La configurazione influenza la differenza di temperatura media logaritmica, il profilo di temperatura lungo lo scambiatore e la temperatura massima della parete del tubo.
Per la maggior parte delle applicazioni di riscaldamento, è preferibile il contro-flusso perché fornisce un LMTD più elevato per le stesse temperature di ingresso e di uscita. Il fluido di processo esce ad una temperatura prossima alla temperatura del vapore in ingresso, massimizzando il recupero di calore. Tuttavia, il flusso parallelo-presenta vantaggi quando è necessario limitare la temperatura massima della parete del tubo-il fluido di processo più caldo entra in contatto con il vapore più caldo alla stessa estremità, quindi la temperatura della parete è più uniforme lungo la lunghezza del tubo.
Per gli scambiatori in PTFE, dove la temperatura massima delle pareti è un problema per la resistenza allo scorrimento, la scelta tra flusso in contro-flusso e flusso-parallelo comporta un compromesso-tra prestazioni termiche e longevità meccanica.
Il confronto LMTD
L'LMTD per il contro-flusso è: LMTD_cf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), dove ΔT1 è la differenza di temperatura su un'estremità (ingresso vapore - uscita processo) e ΔT2 è la differenza sull'altra estremità (uscita vapore - ingresso processo).
Per flusso- parallelo: LMTD_pf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), dove ΔT1 è la differenza all'estremità di ingresso (ingresso vapore - ingresso processo) e ΔT2 è la differenza all'estremità di uscita (uscita vapore - uscita processo).
Per un fluido di processo riscaldato da 20 gradi a 60 gradi utilizzando vapore saturo a 3 barg a 143 gradi, l'LMTD per controflusso- è di circa 101 gradi. Per il flusso parallelo-, è di circa 96 gradi. La differenza del 5% significa che uno scambiatore in controflusso-richiede il 5% di superficie in meno per lo stesso servizio-un vantaggio modesto ma reale.
| Parametro | Contro-flusso | Flusso-parallelo |
|---|---|---|
| Temperatura di ingresso del processo | 20 gradi | 20 gradi |
| Temperatura di uscita del processo | 60 gradi | 60 gradi |
| Temperatura del vapore (costante) | 143 gradi | 143 gradi |
| LMTD | 101 gradi | 96 gradi |
| Superficie relativa per lo stesso servizio | 0,95 (più piccolo) | 1.00 (base) |
| Temperatura massima della parete del tubo | 143 gradi all'estremità dell'uscita del processo | 143 gradi all'estremità dell'ingresso del processo |
| Uniformità della temperatura della parete | Varia lungo il tubo | Più uniforme |
La considerazione della temperatura della parete per il PTFE
In uno scambiatore in contro-flusso, la parete del tubo è più calda all'estremità di uscita del processo, dove il vapore a 143 gradi entra in contatto con il fluido di processo a 60 gradi. La temperatura della parete locale si avvicina a 140 gradi, determinando un tasso elevato di scorrimento in quella sezione del tubo.
In uno scambiatore a flusso- parallelo, il vapore a 143 gradi entra in contatto con il fluido di processo in entrata a 20 gradi all'estremità di ingresso. La grande differenza di temperatura determina un flusso di calore elevato, ma la temperatura della parete è in realtà inferiore rispetto al caso in contro-flusso perché il fluido di processo freddo raffredda la parete del tubo in modo più efficace. La temperatura della parete è più uniforme lungo la lunghezza del tubo-sia il vapore che il fluido di processo si raffreddano insieme mentre attraversano lo scambiatore.
Per i tubi in PTFE che funzionano vicino al limite di temperatura, il flusso parallelo- può fornire una modesta riduzione della temperatura massima della parete, prolungando la durata dello scorrimento. Il vantaggio è minimo per la maggior parte delle applicazioni-riduzione della temperatura delle pareti di 5-10 gradi, ma per gli scambiatori che funzionano all'estremità superiore dell'intervallo di temperature del PTFE (superiore a 150 gradi), la riduzione può essere significativa per la durata di servizio.
La Raccomandazione
Per la maggior parte delle applicazioni con scambiatori di calore in PTFE, la configurazione consigliata-in controflusso è. Il vantaggio del 5% sulla superficie riduce le dimensioni e il costo dello scambiatore. La differenza di temperatura della parete tra le due configurazioni è piccola alle temperature operative tipiche (sotto i 150 gradi).
Per le applicazioni con temperature del vapore superiori a 150 gradi, dove la resistenza allo scorrimento viscoso è un vincolo di progettazione primario, è necessario prendere in considerazione il flusso-parallelo. La temperatura più uniforme delle pareti riduce la velocità di scorrimento di picco nella sezione più calda del tubo, prolungando la durata operativa complessiva. Il modesto aumento della superficie richiesta è giustificato dal tempo più lungo tra le sostituzioni dei tubi.
Riepilogo
La configurazione a flusso-controcorrente fornisce un LMTD superiore del 5% e richiede una superficie inferiore rispetto al flusso-parallelo per lo stesso servizio di riscaldamento. È la scelta preferita per la maggior parte delle applicazioni con scambiatori di calore in PTFE. Il flusso parallelo-offre una piccola riduzione della temperatura massima della parete del tubo che può prolungare la durata di scorrimento per gli scambiatori che operano a una temperatura del vapore superiore a 150 gradi. La selezione bilancia l'efficienza termica con la longevità meccanica.
Il supporto tecnico per la selezione della configurazione del flusso dello scambiatore di calore in PTFE è disponibile previa presentazione delle temperature del fluido di processo, della pressione del vapore e della durata di servizio richiesta.
