La décision sur l’aménagement des rangs
Un faisceau d'échangeur de chaleur en PTFE se compose de plusieurs rangées de tubes. La disposition de ces rangées-que les tubes d'une rangée soient directement derrière ceux de la rangée précédente (en ligne) ou décalés d'un demi-espacement des tubes (décalé)-affecte à la fois le transfert de chaleur et la chute de pression.
Les rangées décalées augmentent les turbulences. Le fluide circulant à travers le faisceau rencontre les tubes directement sur son passage plutôt que de passer par des interstices alignés. Cette turbulence augmente le coefficient de transfert de chaleur côté coque-. Mais cela augmente également la chute de pression dans le faisceau. L’énergie de pompage augmente.
Les rangées en ligne permettent au fluide de passer à travers des canaux alignés avec moins de perturbations. Le transfert de chaleur est plus faible, tout comme la chute de pression. Le modèle optimal dépend de la question de savoir si le procédé bénéficie davantage d'un transfert de chaleur amélioré ou d'un coût de pompage réduit.
Pour les échangeurs de chaleur en PTFE, la faible conductivité thermique de la paroi du tube rend l'amélioration du transfert de chaleur externe particulièrement précieuse. La résistance de la paroi du tube est déjà élevée ; toute amélioration du coefficient externe améliore directement la valeur globale U-.
La différence de transfert de chaleur
Dans le cas d'un écoulement croisé sur des faisceaux de tubes, le nombre de Nusselt-le coefficient de transfert de chaleur sans dimension-dépend du nombre de Reynolds, du nombre de Prandtl et de la disposition des tubes. Pour un nombre de Reynolds donné, les arrangements échelonnés produisent des nombres de Nusselt 15 à 25 % plus élevés que les arrangements en ligne.
Le mécanisme est le déversement de vortex. En quinconce, chaque tube libère des tourbillons qui frappent les tubes en aval, perturbant la couche limite et améliorant le mélange. Dans un agencement en ligne, les tubes en aval se trouvent dans le sillage des tubes en amont. Le fluide de sillage est plus lent et a déjà été chauffé, réduisant ainsi la différence de température effective.
L'avantage du transfert de chaleur de la disposition décalée est plus prononcé aux nombres de Reynolds modérés (500-5 000), qui est la plage typique pour l'écoulement côté calandre dans les échangeurs de chaleur en PTFE servant des bains de placage et de décapage.
Tableau 1 : Comparaison des performances des modèles de tubes en ligne et décalés (tubes PTFE de diamètre extérieur de 10 mm, espacement central de 25 mm)
| Paramètre | Motif en ligne (carré) | Motif décalé (triangulaire) | Différence |
|---|---|---|---|
| Nombre de Nusselt relatif (Re=2 000) | 1,0 (référence) | 1.18 | +18% |
| Coefficient de transfert de chaleur relatif | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| Facteur de friction (par rangée de tubes) | 1,0 (référence) | 1.35 | +35% |
| Chute de pression relative (même débit) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Tubes par unité de volume | 1,0 (référence) | 1,15 (emballage plus dense) | +15 % de tubes en plus |
| Amélioration globale de la valeur U- (avec paroi en PTFE) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| Augmentation de la puissance de pompage | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Application recommandée | Faible résistance à l’écoulement critique | Transfert de chaleur critique | La plupart des applications PTFE privilégient les |
Le rapport pas-sur-diamètre
L'-espacement centre à-centre des tubes par rapport à leur diamètre-le pas-au-rapport diamètre-affecte les deux modèles. Un espacement plus rapproché augmente les turbulences et le transfert de chaleur, mais augmente également la chute de pression et réduit l'accès pour le nettoyage.
Pour les tubes PTFE disposés en quinconce, un rapport pas-sur-diamètre de 2,0-2,5 offre le meilleur équilibre entre amélioration du transfert de chaleur et chute de pression raisonnable. Des ratios inférieurs à 1,8 créent un compactage si serré que l'écoulement côté calandre est excessivement restreint. Les ratios supérieurs à 3,0 perdent l’avantage de turbulence du modèle échelonné.
Pour les arrangements en ligne, un rapport de pas-à-diamètre de 2,0 est standard. Les canaux d'écoulement alignés sont moins sensibles à l'espacement que le modèle décalé.
La considération spécifique au PTFE-
Les tubes PTFE sont flexibles. En quinconce, les tubes doivent maintenir leur espacement précis pour obtenir l'amélioration prévue du transfert de chaleur. Si les tubes s'affaissent ou se déplacent, le motif décalé se dégrade et le transfert de chaleur chute vers la valeur en ligne.
Des plaques de support à des intervalles ne dépassant pas les limites d'espacement des supports de tubes sont essentielles pour maintenir la disposition prévue. Les trous de la plaque de support doivent être percés en quinconce et maintenir la position du tube tout au long de sa durée de vie.
Résumé
Les configurations de rangées de tubes décalées dans les faisceaux d'échangeurs de chaleur en PTFE augmentent le coefficient de transfert de chaleur de 15 - 25 % par rapport aux configurations en ligne, au prix d'une chute de pression côté calandre 30 à 40 % plus élevée. Pour la plupart des applications PTFE, où la résistance de la paroi du tube est importante, le gain de transfert thermique justifie la pénalité de perte de charge.
Un rapport pas-sur-diamètre de 2,0 à 2,5 en quinconce optimise l'équilibre. Un espacement adéquat des plaques de support maintient le motif décalé tout au long de la durée de vie de l'équipement.
Les recommandations techniques pour l'optimisation de la disposition des faisceaux de tubes en PTFE sont disponibles sur soumission du débit côté coque, de la chute de pression admissible, des propriétés du fluide et des exigences de transfert de chaleur.
