정지 유체 챌린지
많은 공정 탱크에는 기계적 교반 기능이 없습니다. 유일한 유체 운동은 열 교환기 자체에서 생성된 자연 대류-부력-에 의한 흐름입니다. 튜브에 인접한 뜨거운 유체는 팽창하여 밀도가 낮아지고 상승합니다. 이를 교체하기 위해 벌크 탱크의 냉각수 유체가 유입됩니다. 이러한 자연 대류의 강도에 따라 외부 열 전달 계수가 결정되고, 대체로 교환기의 전체 U- 값이 결정됩니다.
튜브 행 간격-은 수직(수직 방향의 행 사이)과 수평(동일한 행의 튜브 사이)-으로 자연 대류 흐름 패턴에 영향을 미칩니다. 튜브가 너무 가까이 붙어 있으면 부력이 있는 기둥이 질식됩니다. 튜브가 너무 멀리 떨어져 있으면 탱크 용량이 낭비되고 표면적 밀도가 감소합니다. 최적의 간격은 주어진 튜브 직경과 온도 차이에 대한 자연 대류 열전달 계수를 최대화합니다.
깃털 상호작용 효과
가열된 수평 튜브는 따뜻한 유체의 상승 기둥을 생성합니다. 두 번째 튜브가 첫 번째 튜브 바로 위에 배치되면 아래쪽 튜브의 기둥에 놓이게 됩니다. 상부 튜브에 도달하는 유체는 이미 더 따뜻하여 온도 차이와 상부 튜브로부터의 열 전달이 감소합니다. 이것이 튜브 열 효과입니다.{3}}상단 열의 튜브는 하단 열의 튜브보다 열 전달 계수가 낮습니다.
행 효과의 강도는 행 사이의 수직 간격에 따라 달라집니다. 가까운 간격(튜브 직경의 2배 미만)에서는 위쪽 튜브가 아래쪽 튜브의 기둥에 의해 강한 영향을 받습니다. 열전달 계수는 격리된 튜브보다 30-40% 더 낮을 수 있습니다. 더 넓은 간격(직경 4~6개)에서는 연기가 더 차가운 주변 유체와 혼합되어 온도 차이가 크게 복원됩니다.
열전도율이 낮은 PTFE 튜브의 경우 외부 열 전달 계수는 전체 U-값의 상당 부분을 차지합니다. 외부 계수를 최대화하기 위해 행 간격을 최적화하는 것은 벽 저항이 무시할 수 있는 금속 교환기보다 PTFE 교환기에 더 큰 상대적 영향을 미칩니다.
| 수직 행 간격(× 튜브 OD) | 상대 열 전달 계수(하단 행=1.0) |
|---|---|
| 1.5 | 0.60(심각한 연기 간섭) |
| 2.0 | 0.72 |
| 3.0 | 0.82 |
| 4.0 | 0.88 |
| 6.0 | 0.93 |
| 8.0 | 0.97 (격리된 튜브에 접근) |
60도, ΔT=40 도의 물에 담긴 10mm OD PTFE 튜브의 값입니다.
수평 간격 효과
같은 줄에 있는 튜브 사이의-수평 간격-은 개별 부력 기둥의 너비에 영향을 미칩니다. 촘촘하게 배치된 튜브는 하나의 넓은 기둥처럼 작용하는 병합된 기둥을 생성합니다. 병합은 깃털 코어의 수직 속도를 증가시켜 아래에서 다발로 유입되는 차가운 유체의 유속을 증가시켜 열 전달을 향상시킵니다.
적당한 수평 간격(튜브 직경 2-3개)은 유입되는 차가운 유체에 대해 플룸 병합과 적절한 흐름 영역의 최상의 조합을 제공합니다. 간격이 넓어지면 기둥이 분리되지만 사용 가능한 탱크 용량의 전체 열 전달 표면이 줄어듭니다.
정지 유체의 PTFE 교환기의 경우 수평 방향의 튜브 직경이 2.0-2.5이고 수직 방향의 직경이 3.0-4.0인 튜브 피치는 자연 대류 향상과 표면적 밀도의 균형이 잘 맞습니다.
디자인 추천
기계적 교반이 없는 탱크의 경우 PTFE 열 교환기는 기본 열 전달 메커니즘으로 자연 대류를 사용하여 설계해야 합니다. 튜브 열 간격은 탱크에 필요한 표면적에 맞는 최소 간격이 아니라 자연 대류 최적화를 기반으로 지정해야 합니다. 간격이 최적화된 더 큰 번들은 전체 표면적이 동일하더라도 간격이 좁은 소형 번들보다 더 나은 열 성능을 제공합니다.
튜브 다발의 바닥은 부력 플룸의 수직 범위를 최대화하기 위해 탱크 바닥에 최대한 가까워야 합니다(슬러지 제거 요구 사항에 따라 다름). 다발의 상단은 연기가 표면을 깨뜨려 가열된 유체가 증발하지 않도록 액체 표면 아래에 충분히 있어야 합니다.
요약
PTFE 열 교환기의 자연 대류 열 전달은 3-4 튜브 직경의 수직 튜브 열 간격과 2-2.5 직경의 수평 간격에 의해 최대화됩니다. 수직 간격이 좁으면 기둥 간섭이 발생하여 상단 행 성능이 30-40% 감소합니다. 최적의 간격은 연기 발생과 표면적 밀도 사이의 균형을 제공합니다. 교반되지 않은 탱크의 경우 자연 대류 최적화가 컴팩트 번들 설계보다 우선시되어야 합니다.
PTFE 열교환기 자연 대류 설계에 대한 엔지니어링 지원은 탱크 치수, 유체 특성, 작동 온도 및 가열 부하를 제출하면 제공됩니다.
