PTFE Contalı Plakalı-ve-Çerçeveli Isı Eşanjörü, Kabuk-ve-Borulu PTFE Ünitesiyle Nasıl Karşılaştırılır?

Kabuk-ve-borulu değiştiriciler aşındırıcı hizmette üstündür, ancak floropolimer contalı plakalı-ve-çerçeve değiştiriciler ilgi çekici bir alternatif sunar. Temel geometrileri, bazı uygulamalarda yararlı olabilecek farklı performans özelliklerine yol açar. Temiz, orta basınçlı proses sıvıları için, PTFE contalı bir plaka-ve-çerçeve tasarımı, standart bir PTFE kabuk-ve-borulu eşanjöre göre daha iyi ısı transferi verimliliği ve önemli ölçüde daha düşük ayak izi sunabilir.

Plaka ve Çerçeve ile Kabuk ve Boru Tasarımına Genel Bakış
Plakalı{0}}ve-çerçeveli ısı eşanjörleri, bir çerçeve içinde birbirine preslenen bir dizi oluklu metal plakadan oluşur. Her plakanın, akış kanallarını kapatan ve sıcak ve soğuk akışkanları alternatif yollara yönlendiren bir contası (bu durumda PTFE veya başka bir floropolimer) vardır. Sıvılar, plakalar arasındaki ince, kıvrımlı boşluklardan ters-akım veya çapraz-akış yönünde akar. Oluklar düşük akış hızlarında bile türbülansı teşvik eder, bu da ısı iletimini önemli ölçüde artırır.

PTFE kabuk-ve-borulu ısı eşanjörleri (diğer makalelerde ayrıntılı olarak açıklandığı gibi), metal veya plastik bir kabuk içine yerleştirilmiş bir grup PTFE tüpten yapılır. Servis sıvısı diğer taraftan akar ve aşındırıcı sıvı tüplerin içinden (veya bunların etrafından) akar. PTFE tüp duvarları biraz kalın olduğundan ısı transferi iletim yoluyla gerçekleşir. Yüksek hızlar kullanılmadığı sürece akış genellikle laminer veya düşük-türbülanslıdır.

Temel fark, ısı transfer yüzeyinin maddesidir. Plaka-ve-çerçeve yapısında, plakalar metaldir (genellikle paslanmaz çelik, Hastelloy, titanyum veya diğer alaşımlar) ve yalnızca contalar PTFE'dir. Proses sıvısı metal plakalar ve PTFE contalarla temas halindedir. PTFE kabuk-ve{-boru ünitesinin tüm ıslak yüzeyleri, evrensel korozyon direncine sahip ancak önemli ölçüde daha zayıf termal iletkenliğe sahip olan PTFE'den yapılmıştır.

Termal Performans: Plaka geometrisi nedeniyle elde edilen daha yüksek U-değerleri
Plakalı ve çerçeveli eşanjör, genel ısı transfer katsayısı (U-değeri) açısından en büyük avantaja sahiptir. Bunun bir takım nedenleri vardır.

İnce metal plakalar - Plakaların kalınlığı, 1,0 ila 2,0 mm'lik PTFE tüp duvarlarına karşı normalde 0,5 ila 1,0 mm'dir. Metaller (paslanmaz çelik ~15 W/m·K, titanyum ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) büyüklükteki ısı emirlerini PTFE'den (~0,25 W/m·K) daha iyi iletir. Metal plaka, PTFE conta contalarının (toplam alanın yalnızca küçük bir kısmını temsil eden) direnci dikkate alındığında bile çok daha iyi bir ısı iletkenidir.

Yüksek türbülans - Oluklu levhanın tasarımı yüksek yerel türbülansa neden olur. Bu, sınır katmanlarını bozar ve akışkanların her iki tarafındaki konvektif direnci önemli ölçüde azaltır. Kabuk-ve-tüp PTFE sistemlerinde, küçük-çaplı PTFE tüplerdeki akış, önemli miktarda pompalama gücü kullanılmadığı sürece genellikle laminerdir ve kabuk-yan akışı da nispeten yumuşaktır.

Gerçek karşı-akım akışı - Plaka-ve-çerçeve sistemleri, günlük ortalama sıcaklık farkını (LMTD) maksimuma çıkararak mükemmele yakın karşı-akım akışı üretebilir. Kabuk ve borulu PTFE değiştiriciler tipik olarak termodinamik açıdan daha az verimli olan çapraz akışlı veya karışık akışlı konfigürasyonlarda kurulur.

Uygulamada, aynı akışkan çifti için, PTFE contalı bir plakalı{0}}ve-çerçeveli ısı eşanjörünün, PTFE kabuk{{-borulu bir üniteninkinden üç ila beş kat daha yüksek bir genel U-değerine sahip olması beklenebilir. Su-su hizmetinde plakalı eşanjör 3.000-5.000 W/m²·K elde edebilirken, PTFE kabuk-borulu ünite yalnızca 200-400 W/m²·K'ye ulaşabilir. Aşındırıcı kimyasal hizmetlerde fayda hala büyüktür ancak mutlak değerler akışkanın kalitesine ve kirlenme eğilimlerine bağlıdır.

Kaplama Alanı ve Ağırlık: Plaka Tasarımı Kompaktlığı
U-değeri çok daha büyüktür, dolayısıyla bir plakalı-ve-çerçeve eşanjörünün belirli bir ısı görevini iletmek için çok daha az yüzey alanına ihtiyacı vardır. Sonuçta ortaya çıkan ayak izi, aynı termal performansa sahip bir PTFE kabuk ve borulu ısı eşanjörünün genellikle -üçte biri ile-beşte biri kadardır. Plaka paketi, metal muhafazalı bir PTFE tüp demetinden çok daha hafif olduğundan ağırlık da önemli ölçüde azalır.

Plaka{0}}ve-çerçeve tasarımının kompaktlığı, mevcut proses kızaklarının, açık deniz platformlarının veya modüler kimya tesislerinin yenilenmesi gibi alanın önemli olduğu uygulamalar için belirgin bir avantaj sağlar. Benzer görevdeki bir PTFE kabuk-ve-borulu eşanjörün uzunluğu birkaç metre olabilir ve önemli bir zemin alanı kaplayabilir; oysa plakalı eşanjör bu alanın çok küçük bir kısmına dikey veya yatay olarak monte edilebilir.

Basınç ve Sıcaklıktaki Sınırlamalar
PTFE'den yapılmış kabuk ve boru üniteleri (metal kabuk), tasarıma bağlı olarak orta ila yüksek basınçlar için kullanılabilir; tipik olarak boru tarafında 6-10 bar, kabuk tarafında 10-20 bar. PTFE tüpleri basınçla sınırlıdır ancak metal muhafaza sağlam bir şekilde muhafaza edilmiştir. PTFE boru sistemi 110 ila 120 derece arasındaki sıcaklıkları tolere edebilir; PFA tüpü, 150 ila 180 derece.

PTFE contalı plakalı-ve-çerçeve değiştiriciler için daha sıkı sınırlar geçerlidir:

Basınç – Contalar plakalara karşı sızdırmazlık sağlayacak kadar sıkılmalıdır. Gerekli sıkma kuvveti, iç basıncın artmasıyla artar ve contanın çıkması veya sızıntı olasılığı artar. PTFE-contalı plakalı eşanjörler için tipik maksimum çalışma basınçları 6-10 bar'dır (85-145 psi), bazı sistemlerde ise 15 bar olarak derecelendirilmiştir. Daha yüksek basınçlar daha kalın plakalara, daha ağır çerçevelere ve özel conta şekillerine ihtiyaç duyar ve bu da masrafı artırır.

Sıcaklık - PTFE contalar kaymaya başlar ve yaklaşık 150 ila 180 derecenin ötesinde sızdırmazlık kuvvetlerini kaybederler. Bu, kullanılan floropolimer derecesine (PTFE, PFA veya değiştirilmiş PTFE) bağlıdır. Sürekli çalışma için normalde 160 derecenin üzerinde çalışma önerilmez. Bazı PTFE kabuk-ve-boru tasarımları (PFA tüpleriyle) 180-200 dereceye kadar çalışabilir, ancak gerçek sınırlar sıklıkla daha düşüktür.

Yüksek basınç veya yüksek sıcaklıktaki aşındırıcı hizmetler için gövde ve tüp PTFE ünitesi tek seçenek olabilir. Ilıman koşullar için (örneğin. 5 bar ve 100 derece) plakalı eşanjör tamamen uygundur.

Korozyon Direnci: Alaşım ve Tam Floropolimer Plakalar
PTFE kabuk ve boru eşanjörleri evrensel olarak korozyona dayanıklıdır. PTFE, yüksek sıcaklıkta erimiş alkali metaller ve elementel flor dışında tüm maddelere karşı neredeyse tamamen etkisizdir. Bu nedenle oldukça agresif karışık asitler, kral suyu, güçlü nitrik asit ve çoğu metale zarar verebilecek diğer sıvılar için uygundurlar.

PTFE contalı plakalı-ve-çerçeve eşanjörleri, birincil korozyon koruması için metal plakalara bağlıdır. Contalar tek PTFE parçasıdır. Bu nedenle plaka malzemesinin belirli proses akışkanına dayanacak şekilde seçilmesi gerekir. İşte bazı yaygın seçenekler:

Paslanmaz çelik (304/316) – Yalnızca hafif asitler ve nötr çözeltiler için.

Hastelloy C-276 veya B-3 - Hidroklorik asit, sülfürik asit ve indirgeyici koşullara karşı mükemmel direnç. Güçlü oksitleyici asitlerin saldırısına uğrar.

Titanyum (Sınıf 2, Sınıf 7) - Oksitleyici asitlere (nitrik, kromik) ve klorürlere karşı mükemmel direnç. Hidroflorik asit ve bazı indirgeyici asitler tarafından saldırıya uğrayacaktır.

Zirkonyum veya Tantal - Zorlu koşullar için egzotik alaşımlar, ancak çok pahalıdır.

Proses akışkanının erişilebilir bir plaka alaşımıyla (örneğin nitrik asit için titanyum, HCl için Hastelloy) uyumlu olması durumunda plaka değiştirici uygun maliyetli bir çözüm olabilir. Bununla birlikte, sıvının birden fazla düşman tür içerdiği durumlarda (örneğin, hem oksitleyici hem de indirgeyici bileşenlerle karışık asit) hiçbir metal kabul edilemez. Bu gibi durumlarda evrensel dirençli PTFE kabuk-ve-boru ünitesi daha güvenli bir seçimdir.

Kirlenme, Temizleme, Bakım
Plakalı-ve-çerçeve eşanjörleri temizlik için kolaylıkla parçalarına ayrılabilir. Plakalar tek tek çıkarılıp mekanik (fırçalama, basınçlı yıkama) veya kimyasal yöntemlerle temizlenebilir. Bu, yumuşak veya yapışkan kirlenmeye neden olan hizmetler için büyük bir artıdır. Bununla birlikte, plakalar arasındaki küçük gözenekler (genellikle 2-5 mm) parçacıklar, lifler veya kristalleşen maddeler tarafından doldurulmaya karşı hassastır. Bir plakalı eşanjörün kabaca 1 mm'den büyük parçacıkları uzaklaştırmak için iyi yapılmış bir süzgeç veya filtreye ihtiyacı vardır.

PTFE kabuk-ve-boru eşanjörleri daha büyük akış kanalları sunar (boru iç çapları genellikle 5–15 mm) ve tıkanmaya daha az eğilimlidir. Pürüzsüz, düşük sürtünmeli PTFE yüzeyi aynı zamanda çok sayıda tortunun yapışmasını da önler (yüzey enerjisi hakkındaki makaleye bakın). Ancak temizlenmesi daha zordur." Tüp içlerinin temizliği mekanik (özel aletler – tüp fırçaları) ve sıklıkla kimyasal olarak yapılır. Tüpler inceleme için tek tek çıkarılamaz, tüm demetin kabuktan çıkarılması gerekir.

Plakalı eşanjörün en büyük avantajlarından biri, contanın bozulması veya plakanın paslanması durumunda plakaların ve contaların birkaç saat içinde değiştirilebilmesidir. Bir PTFE kabuk-ve-boru ünitesinde, tüplerden biri arızalanırsa tüpün tıkanması gerekebilir (yüzey alanı azalır) veya tüm tüp demetinin değiştirilmesi gerekebilir; bu da maliyetli ve zaman alıcı bir-iştir.

Her Tekniğe İlişkin Tipik Uygulamalar
PTFE contalı plakalı-ve-çerçeve eşanjörleri, sıvının aşırı derecede aşındırıcı olmadığı temiz hizmet hizmetlerinde (su-su, su-glikol, düşük basınçlı buhar) sıklıkla kullanılır. Kimyasal proses uygulamalarında şu alanlarda görülürler:

Titanyum veya paslanmaz çeliğin uygun olduğu yerlerde seyreltik asitlerin (örn. %. 10 sülfürik asit) soğutulması.

Kaplama banyoları iyi filtreleme ve orta sıcaklıklarda kullanılır.

Nispeten temiz aşındırıcı akışlardan ısının geri kazanılması.

PTFE kabuk-ve-borulu değiştiriciler, aşağıdakiler gibi oldukça aşındırıcı, oksitleyici asit veya parçacık- yüklü asit hizmetleri için tercih edilen seçenektir:

Karışık asitle asitleme hatları (HNO3+HF)

Sıcak kons. hidroklorik asit.

Aqua regia ve diğer sert karışımlar.

Atık asitlerin değişen sıvı bileşimiyle arıtılması

Karşılaştırma Tablosu: Plaka ve Çerçeve ile Kabuk ve Boru (PTFE)
PTFE PTFE Kabuk ve Boru Contalı Özellik Plakası ve Çerçevesi
Genel ısı transfer katsayısı (U-değeri)Yüksek (kabuk-ve borudan 3-5 kat daha büyük)Düşük (PTFE iletkenliği sınırlı)
Kapladığı alan (görev başına)(1× temel) KüçükBüyük (3–5 kat daha büyük)
Maksimum sürekli basınç 6-10 bar (özel tasarımla daha yüksek) Boru tarafında 6-10 bar (metal kabuk daha yüksek olabilir)
Maks. sürekli sıcaklık 150–180 derece (conta-sınırlı)110–120 derece (PTFE tüpler); 150–180 derece (PFA tüpleri)
Korozyon direnci plaka alaşımına bağlıdır PTFE contalarEvrensel (tüm ıslak yüzeylerde PTFE veya PFA)
Toz parçacıklarına karşı hassasiyetYüksek (tıkanmaya eğilimli ince boşluklar)Düşük (daha büyük tüp çapları; pürüzsüz yüzey)
Bakımı kolayÇok iyi (plakalar sökülüp fırçalanabilir)Orta (kimyasal temizlik veya tüpün fırçalanması gerekir)
Onarılabilirlik Yüksek (ayrı plakalar ve contalar değiştirilebilir)Sınırlı (boru takma veya demetin değiştirilmesi)
İlk maliyet (örn. görev)Temiz, orta düzey hizmetler daha düşükDaha iyi genel korozyon direnci
Tipik uygulamalar • Temiz seyreltik asitler • Kaplama banyoları • Su hizmetleri Agresif karışık asitler, oksitleyici asitler, değişen bileşimlerdeki atık akıntıları
Karar Kılavuzu: Doğru Eşanjörün Seçimi
PTFE contalı plakalı ve çerçeveli eşanjör veya PTFE kabuk ve tüp ünitesi kararı, temizliğe, aşındırıcılığa, basınca ve akışkan için mevcut alana bağlı olmalıdır.

Aşağıdaki durumlarda bir plaka-ve-çerçeve değiştirici seçin:

Proses akışkanı temiz ve partiküller 1 mm'den küçüktür (veya uygun filtreleme sağlanmıştır).

Sıvı, çalışma sıcaklığında orta fiyatlı bir metal alaşımla (paslanmaz çelik, titanyum, Hastelloy) uyumludur.

Çalışma basıncı 10 barın altında ve sıcaklık 150 derecenin altındadır.

Alan sınırlıdır ve kompakt bir ayak izi önemlidir.

Çok önemli olan sökme ve temizleme kolaylığıdır.

Eşanjör, çok reaktif karışık asitlerle doğrudan temas yerine ısı geri kazanımı veya kullanım görevleri için kullanılacaktır.

Aşağıdaki durumlarda PTFE'den yapılmış bir kabuk-ve-borulu ısı eşanjörü seçin:

Sıvı, herhangi bir metale zarar verebilecek güçlü oksitleyici asitlerden (nitrik, kromik) veya kombine asitlerden oluşur.

Sıvı bileşimi öngörülemez veya kötü karakterize edilir, dolayısıyla alaşım seçiminde risk vardır.

Sıvı, küçük plaka boşluklarını tıkayabilecek parçacıklar, lifler veya kristaller içerir.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 derece (PFA tüpüyle).

Lokalize saldırı veya çukurlaşma riski olmadan evrensel korozyon direncine ihtiyaç vardır.

Tesisin contaları düzenli olarak söküp değiştirecek bakım kabiliyeti bulunmamaktadır.

Her iki teknoloji de birçok kimyasal proses ortamında-yan yana-vardır. Yüksek derecede korozif karışım asitli ısıtma görevi için bir PTFE kabuk-ve{-borulu eşanjör seçilebilirken, titanyum plakalara ve PTFE contalara sahip bir plakalı-ve-çerçeve eşanjör aynı tesisin başka bir yerinde temiz, seyreltik nitrik asit soğutma görevini üstlenir.

Sonuç: Kompakt Verimlilik veya Evrensel Sağlamlık
PTFE contalı plakalı ve çerçeveli ısı eşanjörleri, yüksek türbülans ve ince metal plakalar sayesinde yüksek termal verimlilik ve az yer kaplar. U-değerleri, PTFE kabuk ve boru ünitelerininkinden üç ila beş kat daha yüksektir, bu da önemli ölçüde daha küçük bir ayak izi ve daha düşük ağırlık sağlar.