Poboljšava li valoviti ili spiralni oblik PFA cijevi distribuciju topline u uljnim kupkama niske-protočnosti, visoke-viskoznosti?

Toplinsko upravljanje uljnim kupkama visoke{0}}viskoznosti, poput onih koje se koriste za proizvodnju polimera, toplinsku obradu i oblaganje kemijskih reaktora, stalni je izazov: ulje teče sporo (samo prirodna konvekcija ili recirkulacija slabog{1}}protoka) i opire se miješanju. U takvoj atmosferi ravni PFA cijevni grijač proizvodi ograničeni oblak zagrijanog ulja koji se okomito diže ostavljajući značajne količine kupke na nižoj temperaturi. Temperaturna razlika između površine grijača i rasutog ulja ponekad je veća od 30-40 stupnjeva, što rezultira ubrzanom degradacijom PFA u vrućim područjima. U teoriji, valovito ili spiralno zakrivljena PFA cijev rezultira boljom distribucijom topline kroz sekundarne tokove i prekidom sloja toplinske barijere. Stupanj do kojeg ova promjena oblika daje vidljivo poboljšanje ovisi o viskoznosti ulja na radnoj temperaturi, geometriji spremnika i dopuštenom padu tlaka u sustavima s prisilnim protokom.

Promjena obrasca protoka spiralne geometrije
Tekućina koja teče unutar i oko spiralne PFA cijevi (namotane poput opruge) ili sinusne cijevi (valovita zavoja u jednoj ravnini) podvrgnuta je centrifugalnim silama. Metoda prijenosa topline u mirnoj uljnoj kupelji je prirodna konvekcija. U slučaju ravne okomite cijevi, prirodno konvekcijsko strujanje je isključivo aksijalno i postoji samo jedan stupac zagrijanog ulja koji se penje prema gore. S druge strane, spiralna cijev ima zakrivljene površine koje savijaju ulje koje se diže prema van dok se diže. Mjerenja veličine slike čestica u silikonskom ulju od 1000 cP na 120 stupnjeva pokazuju da spiralna PFA cijev (zavojnica promjera 100 mm, visine 200 mm) stvara rotirajući toroidalni uzorak strujanja oko grijača. Zagrijano ulje se diže u spiralnom uzorku, a zatim se spušta niz stijenke spremnika, stvarajući veliku cirkulacijsku ćeliju koja zauzima 70-80% volumena spremnika. Ova cirkulacija smanjuje maksimalnu temperaturnu razliku u spremniku s 25-30 stupnjeva (za ravnu cijev) na 10-15 stupnjeva (za spiralu) za istu ulaznu snagu.

Poboljšanje se povećava s Deanovim brojem, bezdimenzionalnom veličinom koja mjeri snagu sekundarnog protoka u zakrivljenim cijevima. Za viskozitet ulja koji prelazi 10 000 cP na radnoj temperaturi, Deanov broj je manji od 5, a sekundarni protok je minimalan. U tim vrlo viskoznim uljima spiralni oblik ne daje prednost raspodjele topline u odnosu na ravnu cijev jer zamah tekućine ne stvara cirkulaciju poprečnog toka. Praktična gornja granica viskoznosti za spiralnu korist je oko 8.000-10.000 cP. Viskoznost mora biti manja od 1000 cP da bi sekundarni protok bio dovoljno jak da ugrozi integritet PFA plašta lokaliziranom erozijom na vanjskom polumjeru zavoja.

Ujednačenost površinske temperature i poremećaj graničnog sloja
Oblik valovite cijevi (sinusoidnog oblika s amplitudom od 30-50 mm i valnom duljinom od 100-150 mm) stupa u interakciju s toplinskim graničnim slojem na drugačiji način od spirale. Dok ulje teče preko valovite površine (prirodnom konvekcijom ili kontroliranim protokom), konveksni i konkavni dijelovi stvaraju gradijente tlaka koji rezultiraju odvajanjem i ponovnim spajanjem protoka. Svaki val stvara malu zonu recirkulacije na nizvodnoj strani konveksnog vrha koji je 3-5 promjera u duljinu. Ove recirkulacijske zone prenose hladnije ulje iz protoka prema površini grijača i smanjuju lokalnu debljinu graničnog sloja za 30-50% u usporedbi s ravnim kućištem cijevi. Eksperimenti s termoparovima na valovitom PFA grijaču u ulju od 5000 cP na 150 stupnjeva otkrivaju da površinska temperatura varira za ±4–6 stupnjeva duž duljine, u usporedbi s ±12–18 stupnjeva za ravni grijač s istom ukupnom površinom. Poboljšana ujednačenost temperature izravno poboljšava vijek trajanja PFA smanjenjem vršne površinske temperature. Maksimalna površinska temperatura smanjuje se za oko 10 stupnjeva za smanjenje od 40-50 % stope razgradnje PFA (sljedeći Arrheniusovu kinetiku).

Valovitost nameće praktično ograničenje: minimalni polumjer savijanja cijevi trebao bi biti više od 8-10 puta veći od promjera cijevi, kako bi se spriječila prekomjerna koncentracija naprezanja u PFA. Za PFA cijevi promjera 12 mm moguć je valoviti oblik s polumjerom savijanja 60 mm. Manji radijus (30 mm) rezultira lokaliziranim stanjivanjem PFA stijenke na vanjskom zavoju, što smanjuje mehaničku čvrstoću za 20-30% i povećava opasnost od prodiranja. Proizvođači valovitih ili spiralnih PFA grijača moraju koristiti savijanje trna s kontroliranom toplinom kako bi spriječili urušavanje stijenke. Kvarovi na terenu savijenih PFA grijača obično nastaju u neograničenim zavojima s radijusom manjim od 6x promjera cijevi.

Vodič za odabir oblika za aplikacije
Viskoznost Radna temperatura i vrsta ulja Uvjet protoka Preferirani oblik cijevi Predviđeno poboljšanje ujednačenosti temperature Glavno ograničenje
Lako ulje (100–500 cP), 80–120 stupnjeva Samo prirodna konvekcija Spiralno (promjer zavojnice 8–10 puta OD cijevi) Smanjuje ΔT spremnika s 25 stupnjeva na 10-12 stupnjeva Sekundarni protok erodira PFA iznad 200 stupnjeva
Prirodna konvekcija 120–150 stupnjeva Srednje ulje (500–2000 cP) Valovito (amplituda 4–6× OD cijevi) smanjuje površinske vruće točke 8-12 stupnjeva; Razmak valova ključan; pretijesno umanjuje korist
Srednje ulje (500-2000 cp) Nizak forsirani protok (Re 100-500) Spiralno sa širim korakom zavojnice Povećajte koeficijent prijenosa topline za 30 do 50 posto Smanjenje tlaka 2-3x ravna cijev
Teško ulje (2000–8000 cP), 150–180 stupnjeva Prirodna konvekcija Rebrasta ravna cijev ili proširena površina Spiralna/valovita prednost je mala (Dean<5)Change of shape not justified
Teško ulje (10,000+ cP)Ravna cijev; treba uzeti u obzir brojne kratke grijače. Nema značajnog poboljšanja od kalupljenja. Viskoznost potpuno prigušuje sekundarne tokove
Bilo koja viskoznost, spremnik s mehaničkom mješalicom Izazvana visoka turbulencija. Ravna cijev (dominantno miješanje) Oblikovanje košta i ne daje nikakvu vrijednost. Ujednačena temperatura već je uz miješanje,
Spremnik s malim popre-presjekom (ograničen prostor) Prirodna konvekcija Spiralna (mali okomiti profil) Poboljšanje oblika je važnije od uštede prostora Procijenite ravnomjerno poboljšanje ujednačenosti više grijača
Zaključak: oblik je važan samo u režimu srednje viskoznosti
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ visoka viskoznost tekućine sprječava sekundarne tokove i zakrivljene cijevi nisu bolje od ravnih. Spiralne cijevi minimiziraju gradijente temperature spremnika za 40 do 60 posto, a valovite cijevi smanjuju površinske vruće točke za 30 do 50 posto u rasponu od 1000 do 5000 cP za najbolje performanse. Poboljšana ujednačenost izravno povećava životni vijek PFA grijača snižavanjem vršnih površinskih temperatura. Inženjerima koji razmatraju specifikaciju grijača za uljne kupke srednje viskoznosti preporučuje se da zatraže modeliranje računalne dinamike fluida (CFD) oblikovane cijevi u njihovoj specifičnoj geometriji spremnika prije nego što počnu s proizvodnjom. Prednosti uvelike ovise o omjeru širine i visine spremnika i položaju grijača u odnosu na zidove. Iznad 8000 cP, pogledajte nekoliko ravnih grijača i prisilnu recirkulaciju, a ne složeni oblik, budući da se trošak spiralne PFA cijevi, koja je općenito 30-50% veća od ravne, ne nadoknađuje povećanom ujednačenošću.