Il problema della distribuzione
Uno scambiatore di calore in PTFE con 60 tubi collegati a un singolo collettore di vapore dovrebbe, in teoria, ricevere lo stesso flusso di vapore su ciascun tubo. In pratica, i tubi più vicini all'ingresso del collettore ricevono più vapore di quelli all'estremità più lontana. Lo squilibrio crea zone calde e zone fredde nel fascio tubiero. I tubi freddi condensano il vapore in modo incompleto e potrebbero riempirsi di condensa. I tubi caldi funzionano a temperature delle pareti eccessive.
L'uniformità della distribuzione del vapore dipende dal profilo di pressione all'interno del collettore. Mentre il vapore scorre lungo il collettore, i cambiamenti di attrito e di quantità di moto fanno variare la pressione statica. I tubi in posizioni diverse subiscono pressioni di guida diverse. L'entità di questa variazione di pressione determina lo squilibrio del flusso.
Il conteggio dei tubi per collettore è una variabile di progettazione primaria che controlla l'uniformità della distribuzione. Un numero inferiore di tubi per collettore riduce la lunghezza del collettore e la variazione di pressione lungo di esso. Un numero maggiore di tubi per collettore aumenta il flusso totale, aumentando la variazione di pressione e il rischio di cattiva distribuzione. Il numero ottimale di tubi bilancia la qualità della distribuzione con il costo e la complessità di più intestazioni.
Il profilo di pressione dell'intestazione
Il vapore che entra in un collettore subisce due effetti di pressione concorrenti. L'attrito tra il vapore e la parete del collettore provoca una diminuzione della pressione lungo la direzione del flusso. Ciò tende a ridurre il flusso verso i tubi a valle. Contemporaneamente, quando il vapore si dirama nei tubi, la velocità nel collettore diminuisce. L'energia cinetica del flusso in decelerazione si converte in pressione statica, un fenomeno chiamato recupero di pressione. Ciò tende ad aumentare il flusso verso i tubi a valle.
Per i collettori di vapore con bassa velocità di ingresso e molti tubi diramati, l'attrito domina e i tubi a valle sono affamati. Per i collettori con velocità di ingresso elevata e poche diramazioni, il recupero della pressione può compensare eccessivamente e i tubi a valle ricevono un flusso in eccesso.
Il design ottimale bilancia questi effetti per ottenere una pressione quasi-uniforme su tutti gli ingressi dei tubi. Ciò si ottiene selezionando il diametro del collettore e il numero di tubi in modo tale che la variazione di pressione su tutti i punti di diramazione sia inferiore al 5% della differenza di pressione totale di guida.
Tabella 1: Numero di tubi consigliato per collettore in base alla pressione del vapore e al diametro del tubo
| Pressione del vapore (barg) | Diametro esterno del tubo (mm) | Tubi consigliati per testata | Numero massimo di tubi per testata | Diametro testata (mm) | Variazione di flusso prevista |
|---|---|---|---|---|---|
| 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% |
Valori basati su una lunghezza uniforme del tubo di 1,5 metri, orientamento orizzontale del collettore e variazione del flusso target inferiore al 5%. I tubi più lunghi aumentano la resistenza individuale dei tubi, migliorando la distribuzione e consentendo un numero di tubi leggermente più elevato.
Il requisito di equalizzazione della condensa
La distribuzione di Steam è solo metà del problema. L'eliminazione della condensa deve essere altrettanto uniforme. Se il collettore della condensa alle uscite dei tubi ha un profilo di pressione diverso rispetto al collettore del vapore, la pressione di guida netta attraverso ciascun tubo varierà anche se le pressioni di alimentazione del vapore sono uguali.
Il collettore della condensa funziona generalmente con-flusso bifase-condensa e vapore evaporato. La sua distribuzione della pressione è più complessa rispetto al collettore di vapore monofase-. L'equalizzazione del percorso della condensa si ottiene inclinando il collettore della condensa verso il basso verso lo scaricatore di condensa, garantendo che nessuna uscita del tubo sia sommersa dalla condensa accumulata e limitando il numero di tubi per collettore della condensa a un numero uguale o inferiore a quello del lato vapore.
Configurazioni pratiche di intestazione
Per uno scambiatore di calore in PTFE da 60 kW che richiede 60 tubi con diametro esterno di 10 mm, la configurazione consigliata utilizza tre collettori di vapore, ciascuno dei quali alimenta 20 tubi. Questa disposizione limita la variazione di flusso entro il 3-5% su tutti i tubi. Ciascun collettore si collega a un collettore di condensa separato con uguale numero di tubi.
I progetti a collettore singolo-per 60 tubi sono tecnicamente fattibili con diametri del collettore sovradimensionati, ma introducono una variazione di flusso del 15-25%, rischiando l'allagamento della condensa nei tubi più poveri. Il risparmio sui costi derivante dalla riduzione del numero di intestazioni è controbilanciato dalla penalizzazione in termini di prestazioni derivante dalla cattiva distribuzione.
Per scambiatori molto grandi che superano i 200 tubi, un sistema collettore distribuisce il vapore a più sotto-intestazioni. Il collettore gestisce il flusso di vapore in massa e ciascuna sotto-intestazione alimenta un numero gestibile di tubi. Questo approccio gerarchico mantiene la qualità della distribuzione su qualsiasi scala.
Riepilogo
Il numero di tubi per collettore controlla direttamente l'uniformità della distribuzione del vapore negli scambiatori di calore in PTFE multi-passaggio. L'intervallo consigliato di 10-30 tubi per collettore, a seconda della pressione del vapore e del diametro del tubo, limita la variazione di flusso al di sotto del 5% e previene l'allagamento di condensa nei tubi affamati. Più collettori più piccoli superano un singolo collettore sovradimensionato in termini di qualità di distribuzione e prestazioni termiche.
Il corretto dimensionamento del collettore, combinato con un'attenta progettazione del collettore della condensa, garantisce che ogni tubo nel fascio di PTFE contribuisca pienamente al carico totale di trasferimento di calore. Il modesto costo aggiuntivo dei collettori multipli viene recuperato eliminando i punti freddi e i tubi allagati.
I consigli tecnici per la progettazione del collettore dello scambiatore di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione del carico termico richiesto, della pressione del vapore, delle specifiche del tubo e dei vincoli fisici sul posizionamento del collettore.
