Comment sélectionner le nombre correct de chicanes pour un échangeur en PTFE à faible débit latéral ?

Un flux de produit corrosif chaud ne peut être refroidi qu'avec un modeste filet d'eau de refroidissement. Dans un échangeur à calandre et à tubes typique, ce faible débit latéral flotterait paresseusement à travers des chicanes largement espacées, provoquant des zones stagnantes et un mauvais transfert de chaleur. Par conséquent, la conception du déflecteur doit être ajustée avec précision pour obtenir chaque unité de puissance thermique disponible à partir de ce débit limité.

Le problème d'ingénierie dans la conception des échangeurs en PTFE à faible débit en nombre de chicanes est particulièrement celui d'un équilibre précis entre la perte de charge et la transmission de chaleur. Trop de déflecteurs pourraient étouffer le débit et surcharger une petite pompe de circulation. Un nombre trop faible pourrait rendre l'échangeur hydrauliquement silencieux mais thermiquement inefficace.

Pourquoi les chicanes sont importantes dans les échangeurs de chaleur en PTFE
Les chicanes remplissent de nombreuses tâches importantes à l’intérieur d’un échangeur à calandre :

Flux dirigé sur le faisceau de tubes du côté de la calandre

Turbulence et transfert de chaleur améliorés

Support de tubes flexibles en PTFE

Réduction des régions à écoulement mort

Éviter les vibrations des tubes

Dans les échangeurs en PTFE, la conception des chicanes est beaucoup plus cruciale, car les tubes en PTFE sont mécaniquement flexibles contrairement aux tubes métalliques. Un espacement approprié des supports aide à maintenir la géométrie du faisceau et à contrôler le comportement d'écoulement du fluide.

Dans des conditions de faible débit, l’efficacité de l’échangeur est très sensible à l’espacement et à la disposition des déflecteurs.

Compromis de déflecteur segmentaire traditionnel
La plupart des échangeurs à calandre et tubes traditionnels utilisent des chicanes segmentaires. Ces plaques tranchées, partiellement, font que le fluide côté coque traverse fréquemment le faisceau de tubes en zigzag.

Cette conception se traduit par une vitesse de flux croisé- élevée et améliore les turbulences.

Chicanes rapprochées
Lorsque plusieurs déflecteurs sont installés à faible distance :

Augmentation de la vitesse latérale de l'obus

Le coefficient de transfert de chaleur augmente

Améliorations des performances thermiques

Pourrait améliorer la résistance à l’encrassement

Le fluide est accéléré et tourné à plusieurs reprises à travers le faisceau, provoquant un mélange plus vigoureux autour des tubes.

Mais cela a un prix.

La chute de pression augmente rapidement
Pour le côté coque, l'utilisation de chicanes rapprochées entraîne une résistance hydraulique accrue à de faibles débits globaux.

Le résultat peut contenir :

Chute de pression élevée.

Moins de circulation globale

Surcharge de la pompe

Manque de flux

Opérations instables

Dans des circonstances graves, la tête de pompe fournie peut ne pas être suffisante pour maintenir une circulation significative-côté coque.

Le problème du manque de chicanes
Avec moins de chicanes, il y a moins de résistance et le fluide s'écoule plus facilement à travers la coque.

Cette méthode réduit :

Perte de pression

Exigences pour le pompage

Restriction de débit

Malheureusement, les performances thermiques se dégradent généralement en même temps.

Flux laminaire à faible vitesse
Si les chicanes sont largement réparties, la vitesse du côté de la coque peut être très faible. Dans un tel cas, l'écoulement peut avoir tendance à être principalement laminaire et non turbulent dans l'écoulement transversal-.

Maintenant, ce qui se passe est :

Faibles coefficients de transfert de chaleur

Stratification thermique

Zones mortes

Règlement des solides

Accumulation-d'encrassement

Au lieu de cela, le fluide peut serpenter lentement à travers des régions ouvertes avec peu de mélange, plutôt que d'être balayé efficacement à travers le faisceau.

Ces zones stationnaires peuvent être particulièrement gênantes dans les services corrosifs ou porteurs de solides.

Pourquoi les échangeurs PTFE à faible-débit doivent être traités différemment ?
Les tubes en PTFE étant flexibles, les dispositions des déflecteurs peuvent être plus personnalisées qu'avec des faisceaux de tubes métalliques durs.

Les faisceaux PTFE peuvent être assemblés par :

Géométries CustomSpacer

Espacement des déflecteurs réglable

Modalités d'assistance non-standard

Spirale de chemins d'écoulement

Cette polyvalence rend les différents concepts de déflecteurs très intéressants dans les applications à faible débit.

Chicanes hélicoïdales – Une solution contemporaine
La conception du déflecteur hélicoïdal est une nouvelle alternative aux déflecteurs segmentaires typiques.

Au lieu de forcer le fluide via des schémas d'écoulement croisés en zigzag -, les chicanes hélicoïdales guident le flux latéral de la coque -le long d'un chemin en spirale continue à travers l'échangeur.

Les déflecteurs hélicoïdaux prennent un flux faible et sinueux et le transforment en une spirale agréable et concentrée.

Comment le flux hélicoïdal améliore les performances
Ce mouvement en spirale présente de nombreux avantages majeurs :

Vitesse plus constante du côté de la coque

Des zones moins statiques

Débit hydraulique plus facilement

Perte de pression réduite

Meilleure répartition thermique

Le fluide s'écoule en continu le long du faisceau à la manière d'un-écoulement-de type bouchon, sans accélération ni décélération.

Il en résulte une utilisation plus efficace de l'énergie du flux limitée.

Angle d'hélice et pourquoi c'est important
Les performances d’un échangeur à chicanes hélicoïdales sont très sensibles à l’angle d’hélice.

Les angles d'hélice typiques sont les suivants :

15 degrés

25 degrés

35 degrés

Jusqu'à 45 degrés

Angles d'hélice réduits
Une hélice à pas long-avec un angle inférieur produit :

Guidage du débit plus fluide

Chute de pression réduite

Voies d'écoulement plus longues

Traversée à vitesse d’écoulement modérée

Cette disposition est généralement préférée pour les échangeurs PTFE à faible débit.

Angles d'hélice plus grands
Angles d'hélice plus élevés (plus raides) :

Intensité du flux croisé

Turbulences locales.

Coefficient de transfert de chaleur

Mais la diminution de pression augmente également proportionnellement.

L'angle optimal est donc un compromis entre la charge de travail thermique et la capacité de pompage disponible.

Comparaison des conceptions de déflecteurs segmentaires et hélicoïdaux
Les variations de fonctionnement sont plus visibles lorsque l’on compare directement les deux approches.

Caractéristique Baffles segmentaires Baffles, hélicoïdaux
Modèle de flux Cross-flux en zigzagSpirale, continu
Chute de pression Plus grande Plus petite
Zones mortes possibles réduites
Performances à faible débitMieux souvent Faible
Tendance à l’encrassement Modérée à élevée Faible
Distribution de vitesse Inégale Plus égale
La disposition hélicoïdale constitue un meilleur compromis entre les performances hydrauliques et thermiques en termes de stabilité pour de nombreux services à faible débit.

Considérations de conception – Pratique
beaucoup de chicanes configuration d'échangeur PTFE faible débit il y a de nombreuses considérations à prendre en compte pour déterminer la.

Tête de pompe à vendre
La plus grande résistance acceptable du déflecteur est limitée par les capacités de pression côté coque du système de circulation.

Potentiel d'encrassement
Les conceptions minimisant les zones stationnaires sont souhaitables pour les fluides contenant des solides-ou cristallisants.

Spécifications de service thermique
Des taux de transfert de chaleur plus élevés peuvent nécessiter un guidage du flux plus strict.

Support de tube en PTFE
Cependant, les tubes en PTFE sont flexibles et l'espacement des supports doit toujours être suffisamment bon pour éviter une déflexion ou une vibration excessive.

Accès pour la maintenance
Des configurations de déflecteurs moins compliquées et plus ouvertes pourraient offrir un meilleur accès pour le nettoyage dans les applications sujettes à l'encrassement.

Quand les conceptions standards ne fonctionnent pas
Les agencements standards de calandre et de tubes sont généralement conçus pour des débits côté calandre modérés à élevés. Ces géométries similaires peuvent mal fonctionner dans des conditions de faible circulation.

Les symptômes typiques d’un échec sont :

Capacité de refroidissement insuffisante

Températures de sortie élevées

Réduction de surpression

Dépôt solide

Inhomogénéité de la distribution des flux

L'avantage d'une gestion optimisée du flux interne est considérablement plus élevé dans les systèmes PTFE à faible-débit.

Résumé
Pour les applications à faible débit latéral, la sélection appropriée des chicanes devient l'un des aspects les plus essentiels pour déterminer les performances de l'échangeur PTFE. Les déflecteurs segmentaires conventionnels représentent un compromis difficile : des déflecteurs étroitement espacés permettent un bon transfert de chaleur mais une perte de pression importante, tandis que des déflecteurs largement espacés minimisent la résistance mais permettent des modèles d'écoulement faibles et mal mélangés.

Les conceptions à déflecteurs hélicoïdaux constituent une option plus équilibrée, guidant le fluide côté coque-le long d'un chemin en spirale douce qui maintient la vitesse, mais réduit les pertes hydrauliques et les zones de stagnation. Dans de nombreuses applications à faible-débit, une disposition hélicoïdale à long-pas offre des performances globales améliorées par rapport aux conceptions segmentaires traditionnelles.

La flexibilité de l'espacement des supports et de la géométrie interne des faisceaux de tubes en PTFE permet à ces échangeurs d'être ajustés pour des services difficiles à faible débit là où les conceptions traditionnelles échouent.

Dans la conception d’un système thermique, l’option la plus efficace n’est pas toujours celle qui pousse le fluide le plus fort. Parfois, la meilleure performance consiste à pousser doucement et constamment le flux dans la direction où il souhaite aller.