PTFE 熱交換器の凝縮水膜の厚さと内部熱伝達に対するチューブ直径の影響は何ですか?

直径-熱伝達関係

PTFE 熱交換器チューブ内で蒸気が凝縮すると、内壁に凝縮水の薄い膜が形成されます。フィルムは重力と蒸気の流れからのせん断応力の影響を受けてチューブに沿って流れます。このフィルムの厚さによって内部熱伝達係数が決まります-フィルムが厚ければ厚いほど、蒸気と管壁の間の熱抵抗が高くなります。

膜の厚さは、凝縮水の流量、チューブの直径、およびチューブの向きによって異なります。所定の凝縮水負荷の場合、チューブの直径が小さいほど膜が厚くなり (凝縮水が断面のより大きな部分を占める)、内部熱伝達係数が低くなります。チューブの直径が大きいほど、フィルムは薄くなり、係数が高くなります。

ただし、直径が大きいチューブでは同じ質量流量でも蒸気速度が低くなり、凝縮液の移動に役立つせん断応力が減少します。せん断応力が低いと、チューブ出口付近の膜が厚くなり、直径の利点が部分的に相殺される可能性があります。最適なチューブ直径により、これらの競合する効果のバランスがとれます。

膜厚の計算

水平管の内壁上の凝縮水の層流の場合、膜の厚さは δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3)、ここで、μ は凝縮水の粘度、Γ は管周囲の単位幅あたりの凝縮水の質量流量、ρ は凝縮水の密度、 ρ_v は蒸気密度、g は重力です。

単位幅あたりの凝縮水流量は、Γ=m_cond / (π × D) です。ここで、m_cond はチューブあたりの凝縮水の質量流量、D はチューブの内径です。直径が大きくなると、同じ凝縮水の流れがより大きな周囲に広がり、Γが減少し、膜が薄くなります。

1.5 kg/h の凝縮水を運ぶ内径 10 mm のチューブの場合、チューブ出口での膜の厚さは約 0.15 mm です。同じ凝縮水負荷の内径 6 mm チューブの場合、フィルムの厚さは約 0.22 mm ～ 50% 厚くなります。内部熱伝達係数は 1/δ に比例するため、小さいチューブの内部熱伝達係数は約 30% 低くなります。

水平管、層流フィルム、3 barg 飽和蒸気の値。

凝縮水ブリッジングのリスク

水平管では、凝縮水は管の底に沿って流れます。膜の厚さがチューブの直径に比べて大きくなりすぎると、凝縮水がチューブを橋渡しして、ある時点で断面全体を満たしてしまう可能性があります。-これにより、蒸気の流れを妨げる液体のスラグが生成され、スラグが蒸気の圧力によって推進されるときにウォーターハンマーが発生します。

チューブの直径が減少し、凝縮水の負荷が増加すると、ブリッジングのリスクが増加します。内径 6 mm チューブの場合、凝縮水負荷が高い場合（チューブあたり約 2 kg/h 以上）、ブリッジングが懸念されます。内径 10mm のチューブの場合、熱交換器の使用における一般的な凝縮水負荷 (チューブあたり 0.5-3 kg/h) ではブリッジが発生する可能性はほとんどありません。水平蒸気加熱チューブの推奨最小チューブ ID は、ブリッジに対する適切なマージンを確保するために 8 mm です。

設計上の推奨事項

ほとんどの PTFE 熱交換器用途では、チューブ ID 8 ～ 10 mm (壁 1 mm で外径 10 ～ 12 mm) により、内部熱伝達、凝縮水の排出、ブリッジ耐性のバランスが取れます。小さいチューブ (内径 6 mm) は、凝縮水の負荷が低い場合や、重力によって排水が促進され、ブリッジが問題にならない垂直方向の場合に使用できます。より大きなチューブ (内径 12mm 以上) は内部熱伝達を向上させますが、チューブのコストが増加し、表面積密度が減少します。

まとめ

チューブの直径は、PTFE 熱交換器の凝縮水膜の厚さと内部熱伝達係数に影響します。直径が小さいと、膜が厚くなり、内部係数が低くなり、凝縮水のブリッジングのリスクが増加します。水平チューブには 8 ～ 10mm のチューブ ID が推奨されます。垂直チューブでは、重力によってブリッジが防止されるため、より小さな直径を使用できます。最適な直径により、内部の熱伝達、排水の信頼性、表面積密度のバランスが取れます。

PTFE チューブの直径選択に関するエンジニアリング サポートは、チューブごとの凝縮水負荷、チューブの向き、蒸気圧力、および必要な熱量を提出すると利用できます。