PTFE 쉘-및-튜브 교환기에서 튜브-측 유체는 입구에서 출구까지 단일 이동을 할 수 있거나 번들을 통해 여러 번 앞뒤로 라우팅될 수 있습니다. 통과 횟수는 유체 속도, 열 전달 효율 및 필요한 펌핑 전력에 영향을 미칩니다. PTFE는 본질적으로 열전도율이 낮기 때문에(약 0.25W/m·K) 튜브-측 열 전달 계수를 최대화하는 것이 우선순위인 경우가 많습니다. 그러나 단일{8}}패스 설계와 다중{9}}패스 설계 간의 선택은 간단하지 않습니다.{10}}열 전달 향상과 압력 강하 페널티 간의 의도적인 절충이 필요합니다.{11}}
튜브 통과 배열 이해
튜브 통과 횟수는 튜브를 통해 이동하는 유체가 교환기의 길이를 통과하는 횟수를 나타냅니다. 패스는 교환기 한쪽 또는 양쪽 끝의 채널이나 보닛에 디바이더(패스 파티션)를 설치하여 생성됩니다. 이러한 분배기는 방향을 바꾸고 다른 튜브 세트로 들어가기 전에 유체가 튜브의 일부만을 통과하도록 강제합니다.
단일-패스 설계
단일-패스(1-패스) 교환기에서는 튜브측 유체가 한쪽 끝에서 채널로 들어가고 모든 튜브를 평행하게 직선으로 흐르며 반대쪽 끝에서 나옵니다. 내부 칸막이는 사용되지 않습니다. 이는 가장 간단한 흐름 구성입니다.
멀티{0}}패스 설계(2패스, 4패스 등)
멀티{0}}패스 설계에서 유체는 튜브 번들 전체를 여러 번 통과합니다. 예를 들어, 2-패스 교환기에서 입구 채널은 두 섹션으로 나뉩니다. 유체는 한 섹션으로 들어가 튜브의 절반을 통해 맨 끝으로 흐르고 리턴 보닛에서 방향을 바꾸고 나머지 튜브를 통해 역류하여 흡입측 채널의 두 번째 섹션에서 나갑니다. 4패스 교환기에서는 프로세스가 두 번 반복됩니다.
패스 수는 항상 교환기의 동일한 끝에 입구 및 출구 노즐을 유지하여 배관 연결을 단순화합니다.
열-유압 성능의 주요 차이점
A 사이의 결정은단일 패스 대 다중 패스 PTFE 열교환기설계는 유체 속도, 열 전달 계수, 압력 강하 및 로그 평균 온도 차이(LMTD)가 어떻게 영향을 받는지에 따라 달라집니다.
유속과 열전달 계수
주어진 총 튜브-측 유량에 대해 각 튜브 내의 유체 속도는 각 통과에서 활성화된 튜브 수에 따라 결정됩니다. 단일-패스 설계에서는 모든 튜브가 동시에 활성화됩니다. 유동에 사용 가능한 단면적-은 모든 튜브의 전체 유동 면적입니다. 따라서 총 유량이 높지 않으면 속도는 상대적으로 낮습니다.
다중 패스 설계에서는 동일한 전체 흐름이 패스당 극히 일부의 튜브만을 통과하게 됩니다. 두 개의 동일한 튜브 그룹이 있는 2-패스 교환기의 경우 각 패스에는 전체 튜브의 절반이 포함됩니다. 각 튜브의 속도는 단일 통과 사례에 비해 두 배입니다(동일한 총 유량에 대해). 4패스 설계의 경우 속도는 4배가 됩니다.
속도가 높을수록 튜브측 레이놀즈 수가 증가하고, 이는 대류 열 전달 계수를 높입니다. PTFE 튜브는 이미 열 전도성이 낮기 때문에 열 전달에 대한 제한적인 저항은 종종 튜브-측 유체 필름에 있습니다(쉘-측 유체가 응축 증기이거나 높은-전도도 액체인 경우). 튜브-측 속도를 높이면 전체 열 전달 계수가 크게 향상될 수 있습니다.
압력 강하 결과
속도가 높을수록 비용이 발생합니다. 압력 강하는 속도의 제곱(대략)에 따라 증가합니다. 2-패스 설계의 경우 튜브-측 압력 강하는 단일 패스 설계의 약 4배입니다(두 배의 속도와 리턴 보닛의 추가 손실). 4패스 설계의 경우 압력 강하가 16배 더 높을 수 있으며 역방향 챔버에서도 상당한 손실이 발생할 수 있습니다.
실제로, 공정 라인에서 사용 가능한 펌핑 전력이나 허용 가능한 압력 강하는 종종 사용할 수 있는 패스 수를 제한합니다. PTFE 열교환기의 일반적인 구성은 튜브- 측 유체가 적당한 점도의 액체이고 펌프의 헤드가 충분할 때 2-패스 또는 4{5}}패스입니다. 튜브 측 유체가 가스(압력 강하가 더 중요한 경우)이거나 유속이 이미 높은 경우 단일 패스 설계가 선호됩니다.
로그 평균 온도차(LMTD) 보정
중요한 미묘함은 다중-통과 설계가 순수한 역류에서 벗어나 효과적인 온도 추진력을 감소시킨다는 것입니다. 역류 배열(쉘-측 유체와 반대 방향인 튜브-측 유체)을 갖춘 단일{2}}패스 교환기에서 LMTD는 최대입니다. 다중-통과 교환기에서 흐름 패턴은 혼합 또는 교차 흐름에 접근하므로 역류 LMTD에 적용되는 수정 계수(일반적으로 F로 표시됨)가 필요합니다.
2-패스 교환기의 경우 LMTD 보정 계수는 일반적으로 대부분의 작동 조건에서 0.95~0.99입니다-약간 감소합니다. 4-패스 교환기의 경우 계수가 0.90–0.95로 떨어질 수 있습니다. 고온-온도 교차 애플리케이션(입구 및 출구 온도가 매우 가까운 경우)의 경우 보정 계수가 상당히 낮아질 수 있으며 잠재적으로 더 빠른 속도의 이점이 무효화될 수 있습니다. 따라서 다중 패스 설계는 튜브 측의 온도 변화가 적당할 때 가장 효과적입니다.
PTFE 열교환기와의 관련성
PTFE는 열전도율이 낮기 때문에 튜브- 측면 필름 저항이 전체 열 전달을 지배하는 경우가 많습니다. 따라서 튜브-측 계수를 향상시키는 것이 주요 설계 목표입니다. 멀티-패스 설계는 플랜트 펌프의 총 유량을 더 높이지 않고도 이를 달성하므로 유량이 고정된 개조 또는 응용 분야에 적합합니다.
그러나 PTFE 튜브는 기계적으로 부드러우며 높은 유속에서 진동이 발생하기 쉽습니다. 과도한 속도는 튜브 플러터를 유발하여 배플이나 튜브시트 손상으로 인한 초조함을 유발할 수 있습니다. PTFE 튜브에 일반적으로 권장되는 튜브{2}}측면 속도는 0.5~2.0m/s(1.6~6.6ft/s)입니다. 속도를 0.5m/s에서 1.0m/s로 높이는 멀티{8}패스 설계가 유리합니다. 3.0m/s로 올리면 기계적 문제가 발생할 수 있습니다. 제조업체가 권장하는 범위 내에서 속도를 유지하려면 패스 수를 선택해야 합니다.
펌핑 비용과 열 전달 이득의 균형을 맞추는 것도 중요합니다. 많은 표면 마감 작업에서 탱크 순환을 위한 프로세스 펌프가 이미 존재하며 다중-패스 PTFE 교환기에서 추가 압력 강하가 허용될 수 있습니다. 다른 경우에는 더 큰 쉘(병렬로 더 많은 튜브)을 갖춘 단일{3}}패스 설계가 더 높은 자본 비용에도 불구하고 더 낮은 압력 강하로 동일한 임무를 달성할 수 있습니다.
비교표: 단일-패스 대 다중-패스 PTFE 열교환기
아래 표는 고정된 전체 튜브-측 유량과 고정된 열 전달 영역에 대한 일반적인 성능 특성을 비교합니다. 값은 예시입니다. 실제 성능은 특정 치수와 유체 특성에 따라 달라집니다.
| 튜브 패스 수 | 상대 튜브 속도* | 상대 튜브-측면 열 전달 계수** | 상대 압력 강하(튜브 측) | LMTD 보정 계수 범위 | 일반적인 응용 분야 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1(단일-패스) | 1.0(기준선) | 1.0(기준선) | 1.0(기준선) | 1.00(순수 역류 가능) | 낮은-압력-강하 시스템; 가스; 높은-유량-속도의 액체 |
| 2(2-패스) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | 액체 PTFE 교환기에 가장 일반적입니다. 좋은 균형 |
| 4(4-패스) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | 점도가 높은-액체 또는 매우 높은 U-값이 필요한 경우 펌핑 비용 확인 |
| 6 또는 8패스 | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | 희귀한; 낮은-점도 유체와 높은 허용 ΔP에서만 가능 |
* 튜브 수와 유속이 동일한 단일{0}}패스 설계에 따른 속도입니다.
** 난류 또는 천이 흐름에 대해 추정됩니다. 실제 향상은 레이놀즈 수 지수(일반적으로 난류의 경우 h ~ v^0.8)에 따라 달라집니다.
표면 마감에 대한 실제 고려 사항
표면 마감 응용 분야(도금, 양극 산화 처리, 산세척)에서 튜브{0}}측 유체는 공정조 자체인 경우가 많습니다.{1}}부유 고체 또는 용해된 금속이 포함된 산성 또는 알칼리성 용액입니다. 다음과 같은 실제 지침이 적용됩니다.
단일-패스 설계탱크 혼합 또는 여과를 위해 수조가 높은 유속으로 순환될 때 자주 사용됩니다. 이러한 경우 속도는 이미 충분할 수 있으며 패스를 추가하면 열 전달의 비례적인 이득 없이 압력 강하만 증가합니다.
2-패스 디자인중간 크기의 도금 라인에서 PTFE 열교환기에 대한 가장 일반적인 구성입니다.- 표준 원심 펌프의 용량(일반적으로 1~3bar 손실) 내에서 압력 강하를 유지하면서 열 전달을 의미 있게 향상시킵니다.
4-패스 디자인사용 가능한 열 전달 영역이 제한되어 있고(예: 기존 공간에 맞춰야 하는 개조된 교환기) 펌프에 예비 헤드가 있는 경우에 사용됩니다. 또한 농축 인산이나 특정 유기 공정조와 같은 점성 유체를 가열하는 데에도 사용됩니다.
쉘측 배열도 최적의 튜브 통과 수에 영향을 미친다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 쉘-측 유체가 응축 증기(열 전달 계수가 매우 높음)인 경우 튜브-측 저항이 지배적이며 다중-패스 설계가 매우 유리합니다. 쉘-측 유체가 계수가 낮은 냉각수인 경우 튜브측 개선만으로는 전체적인 개선 효과가 크지 않을 수 있습니다.
설계 예: 패스 수 선택
쉘 측의 증기를 사용하여 니켈 도금조를 55도에서 60도로 가열하는 PTFE 열교환기를 생각해 보십시오. 필요한 열량은 100kW입니다. 사용 가능한 순환 펌프는 교환기를 통해 30m³/h의 수조 유체를 제공합니다. 6mm ID의 튜브 200개를 사용한 예비 단일{7}}통과 설계는 튜브{10}}측면 속도 0.5m/s, 압력 강하 0.3bar, 계산된 전체 열 전달 계수(U) 200W/m²·K를 산출합니다. 필요한 면적은 12m²입니다.
2-패스 설계(패스당 튜브 100개)로 전환하면 속도가 1.0m/s로 두 배가 됩니다. 튜브-측 계수는 약 40% 증가하여 U가 260W/m²·K로 증가합니다. 필요한 면적은 9.2m²(더 작고 저렴한 교환기)로 줄어듭니다. 압력 강하는 약 1.2bar까지 상승하는데, 이는 여전히 펌프 성능 범위 내에 있습니다. 2패스 디자인은 확실히 우수합니다.
4패스 설계를 고려하면(패스당 튜브 50개) 속도는 2.0m/s에 도달하고 U는 약 300W/m²·K로 증가합니다. 필요한 면적은 8m²로 줄어듭니다. 그러나 압력 강하가 약 5bar까지 상승하여 펌프의 양정을 초과하거나 과도한 에너지 소비를 초래할 수 있습니다. LMTD 보정 계수가 0.93으로 떨어지면서 실제 구동력이 약간 감소합니다. 이 경우 2패스 설계가 최상의 균형을 제공합니다.
결론
PTFE 열교환기의 최적의 튜브 통과 수는 사용 가능한 압력 강하와 낮은 전도율의 PTFE 튜브 내에서 열 전달을 향상시켜야 하는 필요성에 따라 달라집니다-. 단일-통과 설계는 압력 강하를 최소화하고 전체 역류 LMTD를 유지하므로 펌핑 용량이 제한된 가스 또는 시스템에 적합합니다. 다중{4}}패스 설계(일반적으로 2-패스 또는 4-패스)는 튜브 측 속도를 증가시켜 압력 강하를 높이고 LMTD를 약간 감소시키면서 열 전달 계수를 높입니다. 대부분의 액체 표면 마감 응용 분야의 경우 2단계 설계는 효과적인 절충안을 제공하여 과도한 펌핑 요구 없이 의미 있는 성능 향상을 제공합니다.
열-수력 최적화는 PTFE 열 교환기 설계의 표준 부분입니다. 정확한 패스 수는 압력 강하 제약과 열 전달 향상의 균형을 맞추는 동시에 튜브 진동을 방지하기 위해 PTFE의 속도 제한을 준수하여 결정됩니다. 적절하게 지정되면 선택된 패스 배열은 교환기가 서비스 수명 동안 안정적이고 효율적으로 임무를 수행하도록 보장합니다.
