행 배열 결정
PTFE 열교환기 번들은 여러 줄의 튜브로 구성됩니다. 한 행의 튜브가 이전 행의 튜브 바로 뒤에 있는지(인라인) 또는 튜브 간격의 절반만큼 오프셋되었는지(엇갈리게)- 이러한 행의 배열은 열 전달과 압력 강하 모두에 영향을 미칩니다.
엇갈린 행은 난기류를 증가시킵니다. 다발을 통해 흐르는 유체는 정렬된 간격을 통과하지 않고 경로에서 직접 튜브를 만납니다. 이러한 난류는 쉘-측 열 전달 계수를 증가시킵니다. 그러나 이는 또한 번들 전체의 압력 강하를 증가시킵니다. 펌핑 에너지가 상승합니다.
인라인 행을 사용하면 유체가 방해를 덜 받으며 정렬된 채널을 통과할 수 있습니다. 열 전달은 낮지만 압력 강하도 마찬가지입니다. 최적의 패턴은 공정이 향상된 열 전달 또는 펌핑 비용 절감 중 어느 쪽에서 더 많은 혜택을 받는지에 따라 달라집니다.
PTFE 열교환기의 경우 튜브 벽의 낮은 열전도율로 인해 외부 열 전달 향상이 특히 중요합니다. 튜브 벽 저항은 이미 높습니다. 외부 계수의 개선은 전체 U-값을 직접적으로 향상시킵니다.
열전달 차이
튜브 묶음 위의 교차 흐름에서 Nusselt 수-무차원 열 전달 계수-는 레이놀즈 수, Prandtl 수 및 튜브 배열에 따라 달라집니다. 주어진 레이놀즈 수에 대해 엇갈린 배열은 인라인 배열보다 15-25% 더 높은 너셀트 수를 생성합니다.
메커니즘은 와류 발산입니다. 엇갈린 배열에서 각 튜브는 하류 튜브에 충돌하는 소용돌이를 발산하여 경계층을 방해하고 혼합을 향상시킵니다. 인라인 배열에서는 다운스트림 튜브가 업스트림 튜브 뒤에 위치합니다. 후류 유체는 더 느리고 이미 가열되어 유효 온도 차이를 줄입니다.
엇갈린 배열의 열 전달 이점은 중간 레이놀즈 수(500-5,000)에서 가장 두드러집니다. 이는 도금 및 산세조에 사용되는 PTFE 열 교환기의 쉘 측 흐름에 대한 일반적인 범위입니다.
표 1: 인라인 튜브 패턴과 스태거 튜브 패턴의 성능 비교(10mm OD PTFE 튜브, 25mm 중심 간격)
| 매개변수 | 인라인(사각형) 패턴 | 엇갈린(삼각형) 패턴 | 차이점 |
|---|---|---|---|
| 상대 누셀트 수(Re=2,000) | 1.0(기준선) | 1.18 | +18% |
| 상대 열전달 계수 | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| 마찰계수(튜브 열당) | 1.0(기준선) | 1.35 | +35% |
| 상대 압력 강하(동일 흐름) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| 단위 부피당 튜브 | 1.0(기준선) | 1.15(더 조밀한 패킹) | +15% 더 많은 튜브 |
| 전체적인 U-값 개선(PTFE 벽 포함) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| 펌핑 파워 증가 | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| 추천 애플리케이션 | 낮은 흐름 저항이 중요함 | 열전달이 중요함 | 대부분의 PTFE 응용 분야는 엇갈린 방식을 선호합니다. |
피치-대-직경 비율
직경에 따른 튜브의 중심-대-간격-피치-대-직경 비율-은 두 패턴 모두에 영향을 미칩니다. 간격이 가까울수록 난류와 열 전달이 증가하지만 압력 강하도 증가하고 청소에 대한 접근성도 감소합니다.
엇갈리게 배열된 PTFE 튜브의 경우 피치-대-직경 비율 2.0-2.5는 열 전달 향상과 합리적인 압력 강하 간의 최상의 균형을 제공합니다. 1.8 미만의 비율은 쉘측 흐름이 과도하게 제한되는 긴밀한 패킹을 생성합니다. 3.0을 초과하는 비율은 지그재그 패턴의 난류 이점을 잃습니다.
인라인 배열의 경우 피치-대-직경 비율 2.0이 표준입니다. 정렬된 흐름 채널은 엇갈린 패턴보다 간격에 덜 민감합니다.
PTFE-특별 고려사항
PTFE 튜브는 유연합니다. 엇갈린 배열에서 튜브는 예상되는 열 전달 향상을 달성하기 위해 정확한 간격을 유지해야 합니다. 튜브가 처지거나 이동하면 스태거 패턴이 저하되고 열 전달이 인라인 값으로 떨어집니다.
튜브 지지 간격 제한을 초과하지 않는 간격으로 지지 플레이트를 설치하는 것은 의도한 배열을 유지하는 데 필수적입니다. 지지판 구멍은 엇갈린 패턴으로 뚫어야 하며 사용 수명 내내 튜브 위치를 유지해야 합니다.
요약
PTFE 열 교환기 번들의 엇갈린 튜브 행 패턴은 인라인 패턴에 비해 열 전달 계수를 15{2}}25% 증가시키는 반면 쉘 측 압력 강하는 30-40% 더 높습니다. 튜브 벽 저항이 중요한 대부분의 PTFE 응용 분야에서는 열 전달 이득이 압력 강하 패널티를 정당화합니다.
엇갈린 배열로 2.0~2.5의 피치-대-직경 비율이 균형을 최적화합니다. 적절한 지지판 간격은 장비 수명 전반에 걸쳐 엇갈린 패턴을 유지합니다.
PTFE 튜브 번들 배열 최적화에 대한 엔지니어링 권장 사항은 쉘측 유량, 허용 압력 강하, 유체 특성 및 열 전달 요구 사항을 제출하면 제공됩니다.
