PTFE 熱交換器バンドル内の圧力降下を最小限に抑えながら熱伝達を最大化するための最適なチューブ列千鳥パターンとは何ですか?

列配置の決定

PTFE 熱交換器バンドルは複数列のチューブで構成されます。これらの列の配置は、-ある列のチューブが前の列のチューブのすぐ後ろにあるか（インライン）、チューブ間隔の半分だけオフセットしているか（千鳥）-}熱伝達と圧力損失の両方に影響します。

千鳥状の列は乱流を増大させます。束を通って流れる流体は、整列した隙間を通過するのではなく、その経路で直接チューブに遭遇します。この乱流により、シェル-側の熱伝達係数が増加します。ただし、バンドル全体の圧力損失も増加します。ポンピングエネルギーが上昇します。

インライン列により、流体は乱れが少なく整列したチャネルを通過できます。熱伝達は低くなりますが、圧力損失も低くなります。最適なパターンは、プロセスが熱伝達の強化からより多くの恩恵を受けるか、それともポンピングコストの削減からより多くの恩恵を受けるかによって異なります。

PTFE 熱交換器の場合、チューブ壁の熱伝導率が低いため、外部熱伝達の強化が特に価値があります。チューブの壁の抵抗はすでに大きくなっています。外部係数の改善は、全体的な U- 値を直接改善します。

熱伝達の違い

管束上のクロスフローでは、ヌッセルト数-無次元熱伝達係数-はレイノルズ数、プラントル数、管の配置に依存します。特定のレイノルズ数の場合、千鳥配置はインライン配置より 15 ～ 25% 高いヌッセルト数を生成します。

メカニズムは渦放出です。千鳥配置では、各チューブが下流のチューブに衝突する渦を放出し、境界層を破壊して混合を促進します。インライン配置では、下流のチューブは上流のチューブの後に配置されます。後流流体は速度が遅く、すでに加熱されているため、実効温度差が減少します。

千鳥配置による熱伝達の利点は、中程度のレイノルズ数 (500-5,000) で最も顕著になります。これは、めっき浴や酸洗浴に使用される PTFE 熱交換器のシェル側の流れの一般的な範囲です。

表 1: インラインチューブパターンと千鳥配置チューブパターンの性能比較 (外径 10mm PTFE チューブ、中心間隔 25mm)

ピッチ-対-の比率

直径に対するチューブの中心間の間隔-、-ピッチ-、-直径の比率-）は両方のパターンに影響します。間隔が狭くなると、乱流と熱伝達が増加しますが、圧力損失も増加し、洗浄のためのアクセスが減少します。

千鳥配置の PTFE チューブの場合、ピッチ-対-の直径比 2.0-2.5 が、熱伝達の強化と適度な圧力損失の最適なバランスを提供します。 1.8 未満の比率では、非常に密なパッキングが発生し、シェル側の流れが過度に制限されます。比率が 3.0 を超えると、千鳥パターンの乱流の利点が失われます。

インライン配置の場合、ピッチ-対-の比率は 2.0 が標準です。整列したフロー チャネルは、千鳥状パターンよりも間隔の影響を受けにくくなります。

PTFE-特有の考慮事項

PTFEチューブは柔軟性があります。千鳥配置では、予測された熱伝達の向上を達成するために、チューブは正確な間隔を維持する必要があります。チューブがたわんだりずれたりすると、千鳥パターンが低下し、熱伝達がインライン値に向かって低下します。

意図した配置を維持するには、チューブ支持間隔の制限を超えない間隔で支持プレートを配置することが不可欠です。サポートプレートの穴は千鳥状に開けられ、耐用年数を通じてチューブの位置を維持する必要があります。

まとめ

PTFE 熱交換器バンドルの千鳥状チューブ列パターンにより、インライン パターンと比較して熱伝達係数が 15-25% 増加しますが、シェル側の圧力損失は 30 ～ 40% 高くなります。ほとんどの PTFE アプリケーションでは、チューブ壁抵抗が大きく、熱伝達利得によって圧力損失のペナルティが正当化されます。

ピッチ-と-の直径比を 2.0 ～ 2.5 の千鳥配置にすることで、バランスが最適化されます。適切なサポート プレートの間隔により、機器の寿命全体にわたって千鳥パターンが維持されます。

PTFE チューブ束の配置を最適化するためのエンジニアリング上の推奨事項は、シェル側の流量、許容圧力降下、流体特性、熱伝達要件を提出すると入手できます。{0}}