Le choix de configuration de flux
Un échangeur de chaleur à coque en PTFE-et-à tubes dans une boucle à circulation forcée peut être disposé à contre-courant-(écoulement du fluide de procédé et de la vapeur dans des directions opposées) ou en parallèle-écoulement (les deux s'écoulent dans la même direction). La configuration affecte la différence de température moyenne logarithmique, le profil de température le long de l'échangeur et la température maximale de la paroi du tube.
Pour la plupart des applications de chauffage, le contre-flux-est préférable car il offre une LMTD plus élevée pour les mêmes températures d'entrée et de sortie. Le fluide de procédé sort à une température proche de la température d'entrée de vapeur, maximisant ainsi la récupération de chaleur. Cependant, le flux parallèle-présente des avantages lorsqu'il est nécessaire de limiter la température maximale de la paroi du tube-le fluide de procédé le plus chaud entre en contact avec la vapeur la plus chaude à la même extrémité, de sorte que la température de la paroi est plus uniforme sur toute la longueur du tube.
Pour les échangeurs en PTFE, où la température maximale de paroi est une préoccupation pour la durée de vie au fluage, le choix entre un flux à contre--et un flux parallèle-implique un compromis-entre performances thermiques et longévité mécanique.
La comparaison LMTD
Le LMTD pour le contre-flux -est : LMTD_cf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), où ΔT1 est la différence de température à une extrémité (entrée de vapeur - sortie de processus) et ΔT2 est la différence à l'autre extrémité (sortie de vapeur - entrée de processus).
Pour un flux parallèle- : LMTD_pf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), où ΔT1 est la différence à l'extrémité d'entrée (entrée de vapeur - entrée de processus) et ΔT2 est la différence à l'extrémité de sortie (sortie de vapeur - sortie de processus).
Pour un fluide de procédé chauffé de 20 degrés à 60 degrés en utilisant 3 barg de vapeur saturée à 143 degrés, le LMTD pour le contre-courant -est d'environ 101 degrés. Pour un flux parallèle-, il est d'environ 96 degrés. La différence de 5 % signifie qu'un échangeur à contre-courant-exige 5 % de surface en moins pour le même service-un avantage modeste mais réel.
| Paramètre | Compteur-Flux | Flux-parallèle |
|---|---|---|
| Température d'entrée du processus | 20 degrés | 20 degrés |
| Température de sortie du procédé | 60 degrés | 60 degrés |
| Température de la vapeur (constante) | 143 degrés | 143 degrés |
| DMTD | 101 degrés | 96 degrés |
| Surface relative pour une même mission | 0,95 (plus petit) | 1,00 (référence) |
| Température maximale de la paroi du tube | 143 degrés à la sortie du processus | 143 degrés à l'extrémité d'entrée du processus |
| Uniformité de la température des murs | Varie le long du tube | Plus uniforme |
La considération de la température des parois pour le PTFE
Dans un échangeur à contre-courant-, la paroi du tube est la plus chaude à l'extrémité de sortie du processus, là où la vapeur à 143 degrés entre en contact avec le fluide de traitement à 60 degrés. La température locale de la paroi approche les 140 degrés, entraînant un fluage à un taux élevé dans cette section du tube.
Dans un échangeur à flux parallèle-, la vapeur à 143 degrés entre en contact avec le fluide de procédé entrant à 20 degrés à l'extrémité d'entrée. La grande différence de température entraîne un flux de chaleur élevé, mais la température de la paroi est en réalité inférieure à celle du cas à contre-courant car le fluide de traitement froid refroidit la paroi du tube plus efficacement. La température de la paroi est plus uniforme sur toute la longueur du tube-, la vapeur et le fluide de procédé se refroidissent ensemble lorsqu'ils traversent l'échangeur.
Pour les tubes en PTFE fonctionnant à proximité de leur limite de température, un flux parallèle-peut fournir une légère réduction de la température maximale de la paroi, prolongeant ainsi la durée de vie au fluage. L'avantage est faible pour la plupart des applications -réduction de la température des parois de 5 à 10 degrés, mais pour les échangeurs fonctionnant à l'extrémité supérieure de la plage de température du PTFE (au-dessus de 150 degrés), la réduction peut être significative pour la durée de vie.
La recommandation
Pour la plupart des applications d'échangeurs de chaleur en PTFE, la configuration recommandée est le contre-flux-. L'avantage de 5 % en surface réduit la taille et le coût de l'échangeur. La différence de température des parois entre les deux configurations est faible aux températures de fonctionnement typiques (inférieures à 150 degrés).
Pour les applications avec des températures de vapeur supérieures à 150 degrés, où la durée de vie au fluage est une contrainte de conception principale, un écoulement parallèle- doit être pris en compte. La température de paroi plus uniforme réduit le taux de fluage maximal au niveau de la section la plus chaude du tube, prolongeant ainsi la durée de vie globale. L'augmentation modeste de la surface requise est justifiée par le délai plus long entre les remplacements de tubes.
Résumé
La configuration à contre-flux-offre une LMTD 5 % plus élevée et nécessite moins de surface qu'un flux parallèle-pour la même fonction de chauffage. C'est le choix préféré pour la plupart des applications d'échangeurs de chaleur en PTFE. Le flux parallèle-offre une légère réduction de la température maximale de la paroi du tube, ce qui peut prolonger la durée de vie des échangeurs fonctionnant à une température de vapeur supérieure à 150 degrés. La sélection équilibre l’efficacité thermique et la longévité mécanique.
Une assistance technique pour la sélection de la configuration du débit de l'échangeur thermique en PTFE est disponible sur soumission des températures du fluide de procédé, de la pression de vapeur et de la durée de vie requise.
