Kako udubljene ili valovite PTFE cijevi poboljšavaju prijenos topline bez dodatnih umetaka?

Udubine, nabori ili spirale mogu se proizvesti izravno na samoj cijevi, umjesto dodavanja zasebnog uređaja. Ovi integrirani elementi pomažu u prekidu protoka i povećanju prijenosa topline bez opasnosti od olabavljenja umetka ili stvaranja prepreka.

Zašto je potrebno razmotriti pasivno poboljšanje pomoću geometrije cijevi
U mnogim kemijskim i farmaceutskim procesima, pouzdanost izmjenjivača topline jednako je važna kao i njihova toplinska izvedba. Tradicionalne metode poboljšanja kao što su upletena traka ili umetci namotaja žice imaju unutarnje komponente koje su sklone migraciji, zamoru ili mjestima zaprljanja. Drugi pristup je mijenjanje same stijenke cijevi. Udubljene ili valovite PTFE cijevi imaju površinsku hrapavost ili valovitost koja je svojstvena cijevi. Bez različitih dijelova znači da je mogućnost mehaničkog kvara, uklještenja umetka ili blokade protoka gotovo svedena na minimum.

Ova metoda je posebno atraktivna za rad s tekućinama koje sadrže suspendirane krutine, kristalne kaše ili medije sklone polimerizaciji. Za tako zahtjevne primjene koristi se glatka unutarnja cijev s rupicama ili valovita cijev za stvaranje turbulencije bez pukotina gdje bi se krhotine mogle skupiti.

Kako se rupice i nabori miješaju s protokom
Udubljena ili valovita PTFE cijev je cijev koja ima niz periodičnih udubljenja ili udubljenja ili izmjene širenja i skupljanja ili nabora duž svoje duljine. Kako tekućina teče preko ovih geometrijskih razlika, granični sloj uz zid se uzastopno prekida i ponovno -uspostavlja. Vrtložni se vrtlozi izlijevaju iza svake rupice ili valovitog grebena kako bi potaknuli radijalno miješanje između tekućine jezgre i područja stijenke. Miješanje učinkovito stanji toplinski granični sloj i stoga povećava koeficijent konvektivnog prijenosa topline.

Mehanizam poboljšanja potpuno je drugačiji od umetnute upletene trake. Uvrnuta traka osigurava stabilan spiralni vrtlog, ali udubljenja i nabori stvaraju lokaliziranu povremenu turbulenciju. Rezultirajuća izvedba prijenosa topline valovite PTFE cijevi s rupicama općenito je umjerenija— u rasponu od 20-60% poboljšanja u odnosu na glatku cijev— ali s proporcionalno manjim povećanjem pada tlaka, obično između 30-100%.

U praksi se geometrijski parametri (dubina udubljenja, korak valovitosti i visina) mogu podesiti za kompromis-između dobitka prijenosa topline i gubitka zbog trenja. Nabori s kraćim usponom ili dublji udubljenja stvaraju jaču turbulenciju, ali također pružaju veći otpor. Dulji, plići uzorci daju glatkiji protok s umjerenijim pojačanjem.

Prednosti zasebnih umetaka
Udubljene ili valovite PTFE cijevi imaju razne praktične prednosti u odnosu na upletenu traku ili druge labave umetke:

trajno formiranje geometrije umetka u stijenci cijevi. Nema rizika od pomicanja umetka: nema šanse da se umetak pomakne nizvodno, ozljeđujući krajeve cijevi ili dodirujući ploču cijevi.

Nema dodatnog kontaktnog otpora: S posebnim umetkom toplinski kontaktni otpor je između umetka i stijenke cijevi. Nema dodatnog otpora jer nema sučelja s integralnim rupicama ili naborima.

Jednostavan pregled i čišćenje Unutrašnjost valovite cijevi još uvijek je otvoren, neometani kanal. Obično je dovoljan prolaz svinje za čišćenje ili četke. Čišćenje cijevi s upletenom trakom može zahtijevati uklanjanje umetka.

Smanjena opasnost od mehaničkog trošenja: vrtložni umeci mogu uzrokovati vibracije i abraziju stijenke PTFE cijevi tijekom vremena, posebno pri većim brzinama protoka. Integralna geometrija nema relativno kretanje između cijevi i značajke za poboljšanje.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) umetak od upletene trake bolji je od udubljenih ili valovitih cijevi. Međutim, dizajn integralne cijevi popularan je izbor za primjene u kojima je prihvatljivo blago poboljšanje, a pouzdanost je od najveće važnosti.

Obrada PTFE
Valovite i udubljene cijevi obično se koriste u metalnim izmjenjivačima topline (npr. nehrđajući čelik, bakar). Za njihovu primjenu na PTFE potrebni su neki jedinstveni postupci ekstruzije ili termoformiranja. PTFE se ne može obrađivati ​​taljenjem poput termoplasta. PTFE je općenito ekstrudiran ramom ili pastom. Metoda rotacijskog -probijanja može se primijeniti na PTFE nakon sinteriranja kako bi se dobile točne rupice ili nabori, ili se može upotrijebiti niz grijanih matrica za izvlačenje cijevi. Kontinuirane valovite PTFE cijevi su komercijalno dostupne od specijaliziranih proizvođača za skromne promjere (obično 6-25 mm).

Kontrola debljine stijenke mora biti vrlo stroga. Stijenka može biti pretanka i može se srušiti pod unutarnjim pritiskom na vrhovima nabora; stijenka može biti predebela i popustljivost na savijanje potrebna za stvaranje čvrstih valova je smanjena. Debljine stijenki valovitih PTFE cijevi izmjenjivača topline općenito su u rasponu od 0,8 do 2,0 mm, ovisno o promjeru i nazivnom tlaku.

Učinci režima strujanja i gubitka tlaka
Kod laminarnog strujanja (Re < 2000) prisutnost udubljenja i nabora ima značajan učinak. Čak i pri niskim Reynoldsovim brojevima pokreću rani prijelaz na nestabilan, miješajući-režim protoka, koji povećava Nusseltov broj za 40-80% u usporedbi s glatkom cijevi. Također, kazna gubitka tlaka je važna budući da je protok prisiljen kontinuirano ubrzavati i usporavati.

U turbulentnom strujanju (Re > 4000) relativno poboljšanje je manje - često 20-40% - budući da prirodna turbulencija već osigurava učinkovito miješanje. Međutim, postotak povećanja u smanjenju tlaka obično je niži. Ispravno konstruirana cijev s rupicama može imati faktor toplinske učinkovitosti (omjer poboljšanja prijenosa topline i povećanja trenja na 1/3 snage) bolji od 1,2, što ukazuje na neto uštedu energije u usporedbi s glatkom cijevi za istu snagu pumpanja.

Donja tablica sažima tipične raspone performansi za udubljene ili valovite PTFE cijevi u odnosu na glatke PTFE cijevi na bazi vode sličnih tekućina na Re=2000-5000.

Parametar Tipični raspon poboljšanja Poboljšanje Nusseltova broja (koeficijent prijenosa topline) ++20% do +60%
Povećanje faktora trenja (pad tlaka) +30% do +100%
Faktor toplinske učinkovitosti (η) 1,1-1,3 Zaključak
Udubljene ili valovite PTFE cijevi nude jednostavan, pasivan način poboljšanja prijenosa topline uz vrlo dobru pouzdanost. Cijevi su projektirane za stvaranje integralnih geometrija površine koje razbijaju granični sloj i promiču radijalno miješanje, što rezultira skromnim (20-60%) povećanjem prijenosa topline bez mogućnosti migracije umetaka, kontaktnog otpora ili problema s čišćenjem. Oblik je posebno koristan u primjenama koje sadrže čestice, kristale ili tekućine za prljanje gdje bi odvojeni umetci bili problematični. Geometrija cijevi ostaje ključni aspekt u dizajnu izmjenjivača topline – a s PTFE-om, udubljeni ili valoviti oblici nude privlačan spoj performansi, lakoće čišćenja i dugotrajne otpornosti.