كيف يختلف نمط المبادلات الحرارية PTFE-من نوع Bayonet عن تصميمات صفائح الأنابيب الثابتة التقليدية؟
ترك رسالة
تحتوي معظم مبادلات الغلاف والأنبوب على أنابيب متصلة من كلا الطرفين. يقوم مبادل الحراب بقلب هذا الأمر رأسًا على عقب: يتم تثبيت الأنابيب في طرف واحد فقط، ويكون الطرف الآخر حرًا في الانزلاق داخل غلاف خارجي مغلق. يتغلب هذا التصميم البسيط على اثنين-من المخاوف القائمة منذ فترة طويلة، وهما الإجهاد الحراري والوصول إلى الصيانة. يعد ترتيب الحربة بديلاً مغريًا لتطبيقات التشطيب السطحي والعمليات الكيميائية التي تتطلب مبادلات حرارية PTFE حيث يجعل معامل التمدد الحراري العالي للمادة (CTE) حلول صفائح الأنابيب الثابتة مزعجة.
بناء الحربة (موضح)
ينبع اسم المبادل الحراري PTFE بنمط الحربة من مظهر المصباح الكهربائي أو أداة توصيل الأنابيب بنمط الحربة-، حيث يتم إدخال جزء في جزء آخر وتثبيته عند نقطة واحدة. يتكون أنبوب الحربة من أنبوبين متحدين المركز، الأنبوب الداخلي والأنبوب الخارجي، مغلقان عند الطرف البعيد في مصطلحات المبادلات الحرارية. يتم وضع التجميع داخل غلاف (أو مباشرة في الخزان) ويتم تثبيته فقط عند طرف المدخل/المخرج-عادةً عند لوح أنابيب أو شفة. الطرف الآخر من القضيب حر في التمدد والانكماش حرارياً.
مع تكوين الحربة، عادة ما يتم تنظيم مسار السوائل على النحو التالي:
يتم توفير سائل الخدمة (البخار أو الماء الساخن أو المبرد) من خلال الأنبوب الداخلي ويتدفق إلى النهاية المغلقة.
يتم تدوير السائل عند النهاية المغلقة ويتدفق مرة أخرى في المنطقة الحلقية بين الأنابيب الداخلية والخارجية.
يتم تسليم الحرارة إلى سائل العملية على جانب الغلاف (أو جانب الخزان) من خلال جدار الأنبوب الخارجي.
ثم يغادر السائل عبر الفضاء الحلقي، من نفس النهاية التي دخل فيها.
تشير قناة التدفق "داخل-و-خارج" إلى أن كلا من موصلات السحب والتدفق الخارجي موجودة على نفس نهاية المبادل. الطرف الحر لأنبوب الحربة يكون حرًا إلا عند الختم ويكون حرًا في التحرك محوريًا.
اختلافات كبيرة مع تصاميم صفائح الأنابيب الثابتة التقليدية
في المبادل الحراري التقليدي PTFE ذو الألواح الأنبوبية الثابتة، يتم تثبيت الأنابيب عند كلا الطرفين، مع وجود ورقة أنبوبية عند طرف المدخل والأخرى عند طرف الخروج. تعد حزمة الأنبوب جزءًا لا يتجزأ من الغلاف ويتم لحام الفوهات الجانبية للهيكل- بالهيكل. يختلف السلوك الميكانيكي وسهولة الصيانة تمامًا.
الإقامة الإجهاد الحراري
بالإضافة إلى ذلك، فإن تمدد PTFE أكبر بـ 10 إلى 20 مرة من تمدد الفولاذ (120 إلى 150 × 10−6 / درجة مقابل 11 × 10−6 / درجة). في تصميم صفائح الأنابيب الثابتة، يتم توسيع أنبوب PTFE بطول 2 متر يتم تسخينه من 20 درجة إلى 100 درجة بحوالي 12-15 ملم. يتم تثبيت كلا الطرفين، وبالتالي ينتج هذا التمدد قوى ضغط يمكنها ربط أنبوب PTFE أو إتلاف مفاصل صفائح الأنابيب. لتجنب ذلك، سيحتاج مبادل PTFE ذو الألواح الأنبوبية الثابتة إلى إما:
رأس عائم (تمكين ورقة واحدة من التحرك)، أو
وصلة تمدد في الصدفة؛ بدلاً عن ذلك،
أطوال الأنابيب قصيرة جدًا (مما يحد من قدرة المبادل)
يضيف كل خيار من هذه الخيارات تكلفة وتعقيدًا ومواقع تسرب محتملة.
من ناحية أخرى، فإن المبادل الحراري PTFE ذو النمط الحربي يتحمل بشكل جوهري التمدد الحراري. ينزلق الطرف الحر لأنبوب الحربة بشكل محوري في الغلاف أو الغلاف الخارجي مع توسع PTFE وتقلصه. يتم التخلص من الحاجة إلى وصلة تمدد أو رأس عائم أو مطابقة فريدة للمواد. يعتبر شكل الحربة جذابًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتضمن تقلبات كبيرة في درجات الحرارة أو ركوب الدراجات الحرارية المتكررة.
الوصول إلى الصيانة وإمكانية إزالة الحزم
يتمتع تصميم الحربة بميزة ميكانيكية كبيرة تتمثل في أنه يمكن إزالة حزمة الأنابيب بالكامل من المبادل دون تعطيل الأنابيب الجانبية -. يتم وضع الحزمة في الغلاف من أحد طرفيها ويتم تثبيتها في مكانها بواسطة شفة واحدة أو لوح أنابيب. لإزالة الحزمة للتنظيف أو الفحص أو الاستبدال:
يتم فصل أنبوب الإدخال/الإخراج الموجود على جانب الأنبوب.
قم بإزالة مسامير شفة الحزمة.
يتم استخراج الحزمة من القشرة في الاتجاه المحوري.
الغلاف في مكانه وجميع الأنابيب الجانبية -للغلاف (بما في ذلك الفوهات والحشيات والموصلات) سليمة.
في تصميم صفائح الأنابيب الثابتة، تكون إزالة حزمة الأنابيب أكثر تعقيدًا. يجب فتح طرفي الغلاف، وقد يكون من الضروري فصل الفتحات الجانبية للغلاف أو إزالة المبادل بالكامل من الخط. قد يكون هذا مشروعًا كبيرًا للمبادلات الكبيرة في مواقع العمليات المزدحمة.
بالنسبة للخدمات التي يكون فيها التنظيف المنتظم ضروريًا (على سبيل المثال، -أحواض التشطيب السطحية المعرضة للتلوث)، فإن سهولة إزالة الحزمة في مبادل الحراب هي ميزة حاسمة. تستغرق حزمة الحربة ساعات فقط ليتم سحبها وتنظيفها وإعادتها؛ يمكن أن تعني حزمة الأنابيب الثابتة يومًا كاملاً أو أكثر من التوقف.
القضايا الحرارية مع الأداء
يتميز تصميم الحربة بميزة مقايضة الأداء الحراري-. يعطي مسار التدفق الحلقي (السائل الذي يتدفق في الأنبوب الداخلي ويعود عبر الحلقة) تأثيرًا مزدوجًا للأنبوب. هناك سببان لكون معامل نقل الحرارة الإجمالي أقل إلى حد ما من تصميم صفائح الأنابيب الثابتة ذات التدفق المعاكس:
انخفاض الفرق الفعال في درجة الحرارة - نمط التدفق ليس تدفقًا معاكسًا خالصًا، ولكنه خليط من التدفق المعاكس والتدفق الموازي، مما يقلل من سجل متوسط فرق درجة الحرارة (LMTD).
سرعة أقل على الجانب الحلقي - بالنسبة لنفس معدل التدفق الإجمالي، قد يكون للفجوة الحلقية سرعة أقل من الأنبوب الفردي وهذا يؤثر على معامل الفيلم.
ومع ذلك، غالبًا ما يكون هذا التخفيض صغيرًا (10-20%) وغالبًا ما تتم مواجهته من خلال إمكانية استخدام أنابيب أطول (نظرًا لأن التمدد الحراري ليس عاملاً مقيدًا) والعمل بسرعات أكبر على جانب الصدفة. في العديد من تطبيقات تشطيب الأسطح، تفوق مزايا قابلية الخدمة إلى حد كبير عيوب الكفاءة الضئيلة.
المواد والبناء
تحظى مبادلات الحربة بشعبية كبيرة في بناء الجرافيت وPTFE لأنها هشة أو تزحف تحت الضغط، كما أن هذه المواد تتمتع بتمدد حراري كبير. يعمل تصميم الحربة مع خصائص المادة وليس ضدها.
في مبادلات حربة PTFE، عادة ما يتم تصنيع الأنابيب الداخلية والخارجية من PTFE أو PFA (البيرفلوروالكوكسي). يتم تصنيع النهاية المختومة عن طريق اللحام أو الدمج الحراري للأنبوبين معًا. النهاية الحرة مفتوحة ويمر الأنبوب الداخلي عبر لوح أنابيب أو حلقة. يتم إغلاق الأنبوب الخارجي على صفيحة الأنابيب بواسطة حشية PTFE أو حلقة O- التي تسمح بالانزلاق المحوري وتمنع التسرب.
تجدر الإشارة إلى أنه يجب الإمساك بالطرف الحر لأنبوب الحربة لتجنب الاهتزاز. في أنابيب الحربة الطويلة (على سبيل المثال . 3-5 م) يتم استخدام حلقات الدعم المتوسطة أو الحواجز داخل الغلاف لتوجيه الأنبوب الخارجي دون تثبيط الحركة المحورية. بدون هذا الدعم، يمكن أن يؤدي الاهتزاز الناتج عن التدفق- إلى حدوث تآكل مقلق وفشل مبكر.
جدول المقارنة: حربة مقابل ميزة مبادل PTFE لصفائح الأنابيب الثابتة، مبادل PTFE بنمط الحربة، تثبيت أنبوب مبادل PTFE الثابت، طرف واحد ثابت، الطرف الآخر حر في التحرك، كلا الطرفين متصلان بصفائح الأنبوب
سكن التمدد الحراري المتأصل - الشرائح النهائية الحرة؛ لا حاجة إلى وصلة تمدد، فهي تتطلب رأسًا عائمًا أو وصلة تمدد أو أنابيب قصيرة للغاية
إمكانية إزالة الحزمة، سهولة سحب الحزمة من أحد الأطراف دون تعطيل الأنابيب الصدفية، تتطلب الحاجة إلى تفكيك كلا الطرفين في كثير من الأحيان إزالة المبادل من الخط
يمكن أن تظل الفوهات الموجودة في الغلاف متصلة أثناء إزالة الحزمة، ويجب فصل المبادل أو نقله
وصلات جانبية للأنبوب - مدخل ومخرج على نفس الطرف - مدخل ومخرج على طرفي نقيض (بشكل عام)
مسار التدفق للداخل والخارج عبر أنابيب متحدة المركز (تأثير الأنابيب-المزدوج)مباشرة عبر (ممر واحد) أو ممرات متعددة-مع غطاء محرك العودة
الكفاءة الحرارية منخفضة قليلاً (عامل تصحيح LMTD 0.85-0.95) أعلى (قد تحصل على تدفق مضاد حقيقي)
متوسط ماكس. طول الأنبوبالتعامل والاهتزاز محدودان الإجهاد الحراريمحدود بالتمدد الحراري (عادةً 1.5-2.5 متر لـ PTFE بدون وصلة التمدد)
تحمل الأوساخ جيد، الحزمة قابلة للفصل للتنظيف بشكل عادل - يستغرق التنظيف وقتًا إضافيًا خارج التشغيل
سعر الوحدات الصغيرة. متوسط - لوح أنابيب مفرد، بدون وصلة تمدد سفلية - تجميع أسهل للأنابيب القصيرة
تكلفة الوحدات الكبيرة/الطويلةأقل - لا حاجة إلى وصلات التمدد المكلفةأعلى - الرأس العائم أو وصلة التمدد تزيد من التكلفة
الاستخدامات العملية للمبادلات الحرارية Bayonet PTFE
في المعالجة الكيميائية والتشطيب السطحي، يُفضل تصميم الحربة لعدد من الحالات المتخصصة:
دورة حرارية شديدة - إجراءات دفعة مع عدة دورات تسخين وتبريد للمبادل كل يوم. تتيح أنابيب الحربة المنزلقة- الحرة ركوب الدراجة دون تراكم الضغط.
خدمات إزالة الأوساخ - الحمامات التي تترك قشورًا أو حمأة أو طبقات عضوية على سطح نقل الحرارة. من المهم أن تكون قادرًا على سحب الحزمة للتنظيف الميكانيكي أو الكيميائي على أساس منتظم.
البيئات الحمضية القوية التي تحتاج إلى PTFE - PTFE خامل كيميائيًا ومخصص للأحماض العدوانية (مثل الهيدروكلوريك، الكبريتيك، الهيدروفلوريك). تصميم الحربة يقلل من عدد الأختام وبقع التسرب المحتملة على جانب الأنبوب.
مساحة وصول محدودة - عندما يلزم بناء المبادل في حفرة، أو مقابل جدار، أو في موقع حيث لا يمكن الوصول إلى كلا الطرفين. يتم صيانة مبادل الحربة من طرف واحد فقط.
التركيبات التحديثية - استبدال مبادل صفائح الأنابيب الثابتة الحالي الذي يعاني من مشاكل التعب الحراري. تتم إزالة السبب الجذري لهذه الإخفاقات من خلال تصميم الحربة.
في المقابل، لا تزال أنظمة الأنابيب الثابتة تتنافس على:
مبادلات صغيرة وقصيرة (طول الأنبوب < 1.5 متر) عندما لا يكون التمدد الحراري مشكلة.
تطبيقات دون ركوب الدراجات الحرارية. سوائل نقية جداً.
عندما يكون التدفق المعاكس النقي ضروريًا لتعظيم LMTD (على سبيل المثال، استعادة الحرارة مع اقتراب درجة الحرارة القريبة).
المشاريع ذات القيود المفروضة على الميزانية حيث تكون التكلفة الأولية الأقل هي المحرك الرئيسي.
اعتبارات التثبيت والتشغيل
هناك عدد من الجوانب العملية التي يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد مبادل حراري PTFE على شكل حربة.
دعم الطرف الحر يجب دعم الطرف الحر لأنبوب الحربة، ولكن ليس مثبتًا بإحكام. يتم منع التلامس بين المعدن- و-PTFE عبر أكمام تآكل PTFE أو حلقات الاحتكاك المنخفضة-.
تصميم الختم - يجب أن يسمح الختم المنزلق لدخول الأنبوب الخارجي إلى صفيحة الأنابيب بالحركة المحورية دون تسرب. من الشائع استخدام أختام الشفاه PTFE أو الحلقات -المزودة بمنشطات زنبركية.
توزيع التدفق - تأكد من أن الفجوة الحلقية كبيرة بما يكفي لتجنب الانخفاض المفرط في الضغط. الفجوة عموما 2-5 ملم، اعتماداً على قطر الأنبوب وسرعة التدفق.
اهتزاز الأنبوب - يجب وضع الحواجز أو لوحات الدعم على مسافة 0.5-1.0 متر لتجنب الاهتزاز الناجم عن الدوامة-. يجب أن تسمح الدعامات بالانزلاق المحوري.
لاحظ أيضًا أنه يمكن تركيب مبادلات الحربة بأعداد عديدة في غلاف واحد. يستخدم تصميم الحراب- المتعدد عددًا كبيرًا من أنابيب الحراب جنبًا إلى جنب، وجميعها مثبتة في نفس صفيحة الأنابيب. يوفر هذا الترتيب مساحة كبيرة لنقل الحرارة والوصول للصيانة من طرف واحد فقط.
خاتمة
