Was sind die relativen Vorzüge von PTFE-Wärmetauscherkonstruktionen mit einem -Durchgang und mehreren {1}Durchgängen?

Bei einem PTFE-Rohrbündeltauscher kann die rohrseitige Flüssigkeit einmal vom Einlass zum Auslass strömen oder mehrmals durch das Bündel rezirkuliert werden. Die Anzahl der Durchgänge bestimmt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die Wärmeübertragungseffizienz und die erforderliche Pumpleistung. Ein Schwerpunkt liegt häufig auf der Maximierung des rohrseitigen Wärmeübertragungskoeffizienten, da PTFE eine intrinsisch niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist (ca. 0,25 W/m·K). Allerdings ist die Wahl eines Designs mit einem oder mehreren Durchgängen nicht trivial, sondern ein bewusster Kompromiss zwischen der Erhöhung der Wärmeübertragung und dem Nachteil des Druckabfalls.

Erläuterungen zu den U-Bahn-Pass-Vorkehrungen
Die Anzahl der Rohrdurchgänge gibt an, wie oft die durch die Rohre strömende Flüssigkeit über die Länge des Wärmetauschers fließt. Durchgänge werden hergestellt, indem Trennwände (Durchgangstrennwände) im Kanal oder in der Haube an einem oder beiden Enden des Wärmetauschers angebracht werden. Durch diese Trennwände kann die Flüssigkeit nur durch einige der Rohre fließen, bevor sie sich umkehrt und in den anderen Rohrsatz fließt.

Konstruktion in einem-Durchgang
Bei einem Single-Pass (1-Pass)-Wärmetauscher tritt die rohrseitige Flüssigkeit an einem Ende in den Kanal ein, läuft direkt durch alle Rohre parallel und tritt am gegenüberliegenden Ende aus. Es gibt keine Innenwände. Dies ist das einfachste Strömungsdesign.

Multi-Durchgangsdesign (2 Durchgänge, 4 Durchgänge usw.)
Bei einer Multi-Pass-Anordnung durchläuft die Flüssigkeit das Rohrbündel mehrmals. Beispielsweise wird bei einem 2--Wärmetauscher der Zuflusskanal in zwei Abschnitte aufgeteilt. Flüssigkeit wird in einen Teil eingeleitet, strömt durch die Hälfte der Rohre bis zum anderen Ende, ändert in einem Rückführungsaufsatz die Richtung, strömt durch die übrigen Rohre zurück und verlässt den zweiten Teil des einlassseitigen Kanals. Bei einem Wärmetauscher mit 4 Durchgängen wird dieser Vorgang zweimal wiederholt.

Die Anzahl der Durchgänge ist immer eine gerade Zahl, so dass sich die Einlass- und Auslassdüsen am gleichen Ende des Wärmetauschers befinden, was die Rohrverbindungen vereinfacht.

Hauptunterschiede im thermisch-hydraulischen Verhalten
Die Wahl eines PTFE-Wärmetauscherdesigns mit einem oder mehreren Durchgängen wird durch die Auswirkungen auf die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, den Wärmeübertragungskoeffizienten, den Druckabfall und die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz (LMTD) beeinflusst.

Wärmeübertragungskoeffizient und Flüssigkeitsgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in jedem Rohr ist eine Funktion der Anzahl der Rohre, die für jeden Durchgang für eine bestimmte Gesamtströmungsrate auf der Rohrseite verwendet werden. Bei einem Single-Pass-Design sind alle Röhren gleichzeitig aktiv. Der verfügbare Strömungsquerschnitt ist die Summe der Strömungsquerschnitte aller Rohre. Daher ist die Geschwindigkeit eher gering, es sei denn, die Gesamtströmungsrate ist groß.

Bei einem Design mit mehreren Durchgängen wird pro Durchgang derselbe Gesamtstrom durchströmt, wobei nur ein Bruchteil der Rohre verwendet wird. In einem 2--Durchgangsaustauscher mit zwei identischen Rohrgruppen enthält jeder Durchgang die Hälfte der gesamten Rohre. Die Geschwindigkeit in jedem Rohr verdoppelt sich im Vergleich zum Single-Pass-Szenario (bei gleicher Gesamtdurchflussrate). Mit einer 4-Pass-Konfiguration wird die Geschwindigkeit vervierfacht.

Der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient steigt mit der Erhöhung der rohrseitigen Reynolds-Zahl aufgrund der Erhöhung der Geschwindigkeit. Das begrenzende Hindernis für die Wärmeübertragung ist häufig der Flüssigkeitsfilm auf der Rohrseite (unabhängig davon, ob es sich bei der Flüssigkeit auf der Mantelseite um einen kondensierenden Dampf oder eine Flüssigkeit mit hoher Leitfähigkeit handelt). Da PTFE-Rohre bereits eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, kann eine Erhöhung der Rohrseitengeschwindigkeit den gesamten Wärmeübertragungskoeffizienten erheblich verbessern.

Auswirkungen des Druckabfalls
Höhere Geschwindigkeitskosten: Der Druckabfall steigt (ungefähr) mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Bei einer Konstruktion mit zwei Durchgängen ist der rohrseitige Druckabfall etwa viermal so groß wie bei einer Konstruktion mit einem Durchgang (doppelte Geschwindigkeit + zusätzliche Verluste im Rücklaufoberteil). Bei einem 4-Pass-Design kann der Druckabfall 16-mal größer sein, zuzüglich großer Verluste in den Umkehrkammern.

In der Praxis wird die Anzahl der Durchgänge im Allgemeinen durch die verfügbare Pumpleistung oder den zulässigen Druckverlust in der Prozessleitung begrenzt. Die übliche Anordnung für PTFE-Wärmetauscher ist 2-Durchgang oder 4-Durchgang. Wenn es sich bei der Flüssigkeit auf der Rohrseite um eine Flüssigkeit mit mäßiger Viskosität handelt und die Pumpe über eine ausreichende Förderhöhe verfügt, werden Single-Pass-Designs mit einer Flüssigkeit auf der Gasrohrseite (wo der Druckabfall wichtiger wird) oder mit bereits hoher Durchflussrate bevorzugt.

Korrektur der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz (LMTD)
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass Multi-Pass-Systeme keine reinen Gegenstromsysteme sind, was die effektive treibende Kraft der Temperatur verringert. Der LMTD ist in einem Single-Pass-Wärmetauscher mit Gegenstromanordnung am höchsten (Rohrseitenflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zur Hüllenseitenflüssigkeit). In einem Wärmetauscher mit mehreren Durchgängen ähnelt das Strömungsmuster einem Misch- oder Querstrom, und auf den Gegenstrom-LMTD wird ein Korrekturfaktor (manchmal auch F genannt) angewendet.

Bei einem Wärmetauscher mit 2-Durchgängen liegt der LMTD-Korrekturfaktor normalerweise im Bereich von 0,95 bis 0,99, was für die meisten Betriebssituationen eine kleine Reduzierung bedeutet. Bei Wärmetauschern mit vier Durchgängen kann der Faktor nur 0,90–0,95 betragen. Bei Hochtemperatur-Kreuzanwendungen (bei denen die Einlass- und Auslasstemperaturen sehr nahe beieinander liegen) kann der Korrekturfaktor wesentlich niedriger als 1 sein, da die Vorteile einer höheren Geschwindigkeit zunichte gemacht werden können. Daher sind Multi-Pass-Designs bei geringen Temperaturänderungen auf der Rohrseite am erfolgreichsten.

Bedeutung des PTFE-Wärmetauschers
Da PTFE eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist der rohrseitige Filmwiderstand häufig der dominierende Faktor für die gesamte Wärmeübertragung. Daher besteht eines der wichtigen Entwurfsziele darin, den Seitenkoeffizienten des Rohrs zu verbessern. Multi-Pass-Designs erreichen dies, ohne dass eine größere Gesamtdurchflussrate von der Anlagenpumpe erforderlich ist, was sie für Nachrüstungen oder bei festen Durchflussraten wünschenswert macht.

Allerdings sind PTFE-Schläuche mechanisch weich und können bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten vibrieren. Eine zu hohe Geschwindigkeit kann zum Flattern des Rohrs und zur Reibung an den Leitblechen oder zur Beschädigung des Rohrbodens führen. Für PTFE-Schläuche liegen die empfohlenen typischen Rohrseitengeschwindigkeiten bei 0,5 bis 2,0 m/s (1,6 bis 6,6 ft/s). Ein Multi-Pass-Design, das die Geschwindigkeit von 0,5 m/s auf 1,0 m/s erhöht, ist gut, aber eine Erhöhung auf 3,0 m/s kann zu mechanischen Problemen führen. Die Anzahl der Durchgänge sollte so gewählt werden, dass die Geschwindigkeit im vom Hersteller angegebenen Bereich bleibt.

Außerdem sollten die Vorteile der Wärmeübertragung gegen die Pumpkosten abgewogen werden. Für die Tankumwälzung ist bereits eine Prozesspumpe vorhanden. Der Druckabfall eines PTFE-Wärmetauschers mit mehreren Durchgängen kann bei vielen Oberflächenveredelungsprozessen akzeptabel sein. Alternativ kann ein Single-Pass-Design mit einem größeren Mantel (mehr Rohre parallel) die gleiche Funktion bei geringerem Druckabfall, aber höheren Kapitalkosten erfüllen.

Vergleichstabelle: PTFE-Wärmetauscher mit einem-Durchgang und mehreren{1}Durchgängen
Die folgende Tabelle zeigt typische Leistungsstatistiken für eine feste gesamte rohrseitige Strömungsrate und eine feste Wärmeübertragungsfläche. Werte sind repräsentativ; Die tatsächliche Leistung hängt von den Angaben zur Größe und den Flüssigkeitseigenschaften ab.

Anzahl der Rohrdurchläufe Relative Rohrgeschwindigkeit* Relativer Rohr-Wärmeübertragungskoeffizient auf der Rohrseite** Relativer Druckabfall (Rohrseite) LMTD-Korrekturfaktorbereich Typische Anwendungen
1 (Single-Pass) 1,0 (Basislinie) 1,0 (Basislinie) 1,0 (Basislinie) 1,00 (reiner Gegenstrom denkbar)Flüssigkeiten mit hoher Durchflussrate; Gase; Systeme mit geringem Druckabfall
2 (Zwei-Durchgänge) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Gute Balance Am häufigsten bei PTFE-Flüssigkeitsaustauschern
4 (Vier-Durchgänge) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Hochviskose Flüssigkeiten oder extrem hoher U--Wert erforderlich; Überprüfen Sie die Pumpkosten
6 oder 8 Durchgang 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Selten; Nur bei Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität und hoher zulässiger ΔP-Geschwindigkeit im Vergleich zum Single-Pass-Design mit gleicher Anzahl von Rohren und Durchflussrate. Geschätzt für turbulente Strömung oder Übergangsströmung. Die tatsächliche Verbesserung hängt vom Exponenten der Reynolds-Zahl ab (normalerweise h ~ v^0,8 für turbulente Strömung).

Praktische Überlegungen zur Oberflächenveredelung
Bei vielen Oberflächenveredelungsanwendungen (Beschichten, Eloxieren, Beizen) ist die Flüssigkeit auf der Rohrseite häufig das Prozessbad selbst, eine saure oder alkalische Lösung, die suspendierte Partikel oder gelöste Metalle enthält. Es gelten die folgenden praktischen Richtlinien:

Zirkulationen des Bades mit hoher Durchflussrate zur Tankmischung oder Filterung führen häufig zu Einzeldurchgangskonstruktionen. Unter solchen Umständen ist die Geschwindigkeit möglicherweise bereits ausreichend und weitere Durchgänge würden nur den Druckabfall erhöhen, ohne dass sich die Wärmeübertragung entsprechend erhöht.

Das Zwei-Durchgangs-Design ist das am häufigsten verwendete PTFE-Wärmetauscherdesign für Galvanisierungslinien mittlerer Größe. Die Wärmeübertragung wird erheblich verbessert, während der Druckabfall innerhalb der Grenzen normaler Kreiselpumpen bleibt (normalerweise 1–3 bar Verlust).

Vier-{0}}Pass-Designs werden verwendet, wenn die verfügbare Wärmeübertragungsfläche begrenzt ist (z. B. ein nachgerüsteter Wärmetauscher, der in den vorhandenen Raum passen muss) und die Pumpe über eine freie Förderhöhe verfügt. Sie werden auch zum Erhitzen viskoser Flüssigkeiten wie konzentrierter Phosphorsäure oder anderer chemischer Prozessbäder eingesetzt.

Es wird auch erwähnt, dass die optimale Anzahl der Rohrdurchgänge durch die Anordnung der Mantelseite beeinflusst wird. Wenn es sich bei der mantelseitigen Flüssigkeit um Kondensation von Dampf handelt (der einen sehr hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist), dominiert der rohrseitige Widerstand, und Konstruktionen mit mehreren Durchgängen sind sehr vorteilhaft. Wenn es sich bei der mantelseitigen Flüssigkeit um Kühlwasser mit niedrigem Koeffizienten handelt, kann eine Verbesserung nur auf der Rohrseite möglicherweise keinen wesentlichen Gesamtvorteil bringen.

Designbeispiel: Wie viele Durchgänge stehen zur Auswahl?
Stellen Sie sich einen PTFE-Wärmetauscher vor, der ein Vernickelungsbad mithilfe von Dampf auf der Mantelseite von 55 °C auf 60 °C erhitzt. Die erforderliche Heizleistung beträgt 100 kW. Die Umwälzpumpe kann eine Badflüssigkeit von 30 m3/h über den Wärmetauscher zirkulieren lassen. Das vorläufige Einzeldurchgangsdesign mit 200 Rohren mit 6 mm Innendurchmesser führt zu einer Rohrseitengeschwindigkeit von 0,5 m/s, einem Druckabfall von 0,3 bar und einem berechneten Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten (U) von 200 W/m2.K. Die benötigte Fläche beträgt 12 m².

Das 2-Pass-Design (100 Rohre/Pass) verdoppelt die Geschwindigkeit auf 1,0 m/s. Der Rohrseitenkoeffizient steigt um fast 40 %, was einen U von 260 W/m2K ergibt. die benötigte Fläche reduziert sich auf 9,2 m2 (kleinerer, günstigerer Wärmetauscher). Der Druckverlust steigt auf etwa 1,2 bar, was immer noch innerhalb der Kapazität der Pumpe liegt. Das 2-Pass-Design ist sicherlich besser.

Bei einer Konfiguration mit 4 Durchgängen (50 Rohre pro Durchgang) beträgt die Geschwindigkeit 2,0 m/s und U wird auf etwa 300 W/m2.K erhöht. Benötigte Fläche 8 m2. Der Druckabfall beträgt jedoch etwa 5 bar, was größer sein kann als der Pumpenkopf oder zu einem hohen Energieverbrauch führen kann. Der Anpassungsfaktor für den LMTD beträgt 0,93, was die tatsächliche Antriebskraft etwas reduziert. In diesem Szenario ist der ideale Kompromiss das 2-Pass-Design.

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