Problem distribucije
PTFE izmjenjivač topline sa 60 cijevi spojenih na jedan kolektor pare trebao bi, u teoriji, primati jednak protok pare u svaku cijev. U praksi, cijevi najbliže ulazu kolektora primaju više pare od onih na udaljenom kraju. Neravnoteža stvara vruće i hladne zone u snopu cijevi. Hladne cijevi nepotpuno kondenziraju paru i mogu se preplaviti kondenzatom. Vruće cijevi rade na previsokim temperaturama stijenki.
Ujednačenost raspodjele pare ovisi o profilu tlaka unutar kolektora. Dok para teče duž kolektora, trenje i promjene momenta uzrokuju variranje statičkog tlaka. Cijevi na različitim mjestima doživljavaju različite pogonske tlakove. Veličina ove varijacije tlaka određuje neravnotežu protoka.
Broj cijevi po kolektoru primarna je varijabla dizajna koja kontrolira jednolikost distribucije. Manji broj cijevi po kolektoru smanjuje duljinu kolektora i varijacije tlaka duž njega. Više cijevi po kolektoru povećava ukupni protok, povećavajući varijacije tlaka i potencijal za pogrešnu distribuciju. Optimalan broj cijevi uravnotežuje kvalitetu distribucije s cijenom i složenošću višestrukih kolektora.
Profil tlaka kolektora
Para koja ulazi u kolektor doživljava dva konkurentna učinka pritiska. Trenje između pare i stijenke kolektora uzrokuje smanjenje tlaka duž smjera protoka. To ima tendenciju smanjenja protoka prema nizvodnim cijevima. Istovremeno, dok se para grana u cijevi, brzina u kolektoru se smanjuje. Kinetička energija usporavajućeg toka pretvara se u statički tlak, što se naziva oporavak tlaka. To ima tendenciju povećanja protoka prema nizvodnim cijevima.
Za parne kolektore s malom ulaznom brzinom i mnogo razgranatih cijevi, trenje dominira, a nizvodne cijevi su oslabljene. Za kolektore s velikom ulaznom brzinom i malo grana, oporavak tlaka može se prekomjerno kompenzirati, a nizvodne cijevi primaju višak protoka.
Optimalni dizajn uravnotežuje ove učinke kako bi se postigao gotovo-ujednačen tlak na svim ulazima cijevi. To se postiže odabirom promjera kolektora i broja cijevi tako da je varijacija tlaka na svim točkama grananja manja od 5% ukupne razlike pogonskog tlaka.
Tablica 1: Preporučeni broj cijevi po kolektoru prema tlaku pare i promjeru cijevi
| Tlak pare (barg) | OD cijevi (mm) | Preporučeni broj cijevi po zaglavlju | Maksimalan broj cijevi po zaglavlju | Promjer zaglavlja (mm) | Očekivana varijacija protoka |
|---|---|---|---|---|---|
| 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% |
Vrijednosti temeljene na jedinstvenoj duljini cijevi od 1,5 metara, vodoravnoj orijentaciji kolektora i ciljnoj varijaciji protoka ispod 5%. Dulje cijevi povećavaju individualni otpor cijevi, poboljšavajući distribuciju i dopuštajući malo veći broj cijevi.
Zahtjev za izjednačavanje kondenzata
Distribucija pare samo je pola problema. Uklanjanje kondenzata mora biti jednako ravnomjerno. Ako kolektor kondenzata na izlazima cijevi ima drugačiji profil tlaka od kolektora pare, neto pogonski tlak u svakoj cijevi varirat će čak i ako su dovodni tlakovi pare jednaki.
Sabirnik kondenzata obično radi s dvo-faznim protokom-kondenzata i pare. Njegova raspodjela tlaka složenija je od jedno-faznog kolektora pare. Izjednačavanje putanje kondenzata postiže se nagibom kolektora kondenzata prema dolje prema odvajaču pare, čime se osigurava da nijedna izlazna cijev nije uronjena u nakupljeni kondenzat i ograničavanjem broja cijevi po kolektoru kondenzata na isti ili manji od broja parne strane.
Praktične konfiguracije zaglavlja
Za PTFE izmjenjivač topline od 60 kW koji zahtijeva 60 cijevi od 10 mm OD, preporučena konfiguracija koristi tri parna kolektora, od kojih svaki dovodi 20 cijevi. Ovaj raspored ograničava varijaciju protoka na unutar 3-5% kroz sve cijevi. Svaki se kolektor povezuje s zasebnim kolektorom kondenzata jednakog broja cijevi.
Jednostruki-konstrukcije kolektora za 60 cijevi tehnički su izvedive s prevelikim promjerima kolektora, ali uvode varijacije protoka od 15-25%, što dovodi do rizika od poplave kondenzata u cijevima s najvećim nedostatkom. Ušteda troškova od smanjenja broja zaglavlja nadmašena je kaznom performansi zbog loše distribucije.
Za vrlo velike izmjenjivače koji prelaze 200 cijevi, sustav razdjelnika distribuira paru u više pod-zbirnika. Razdjelnik upravlja velikim protokom pare, a svaki pod-sabirnik dovodi upravljiv broj cijevi. Ovaj hijerarhijski pristup održava kvalitetu distribucije na bilo kojoj razini.
Sažetak
Broj cijevi po kolektoru izravno kontrolira ravnomjernost distribucije pare u više{0}}prolaznim PTFE izmjenjivačima topline. Preporučeni raspon od 10-30 cijevi po kolektoru, ovisno o tlaku pare i promjeru cijevi, ograničava varijaciju protoka na ispod 5% i sprječava preplavljivanje kondenzata u cijevima koje su iscrpljene. Višestruki manji kolektori nadmašuju jedan predimenzionirani kolektor u kvaliteti distribucije i toplinskoj izvedbi.
Odgovarajuće dimenzioniranje kolektora, u kombinaciji s pažljivim dizajnom kolektora kondenzata, osigurava da svaka cijev u PTFE snopu u potpunosti doprinosi ukupnom prijenosu topline. Skromni dodatni trošak višestrukih kolektora nadoknađuje se uklanjanjem hladnih točaka i natopljenih cijevi.
Inženjerske preporuke za konstrukciju kolektora PTFE izmjenjivača topline dostupne su nakon podnošenja potrebnih toplinskih opterećenja, tlaka pare, specifikacija cijevi i fizičkih ograničenja za postavljanje kolektora.
