Kakav je utjecaj-centriranog postavljanja umetka na performanse turbulatora s upletenom vrpcom?

Konvencionalna upletena traka postavljena je u središte cijevi. Ali postavljanje van-centra rezultira asimetričnim poljem protoka s jačom sekundarnom cirkulacijom, što može dovesti do veće prednosti prijenosa topline za isti umetak. Ova skromna geometrijska modifikacija – koja se obično izostaje u konvencionalnom dizajnu izmjenjivača topline – može pružiti veću toplinsku izvedbu bez modificiranja omjera uvijanja ili supstance trake. Za PTFE izmjenjivače topline koji obrađuju korozivne ili osjetljive tekućine gdje je pasivno poboljšanje u prednosti u odnosu na aktivne pristupe, izvan{4}}centralna instalacija nudi nisku cijenu, nadogradnju bez održavanja.

Asimetrično polje protoka van{0}}centralne trake
Ako je turbulator s upletenom vrpcom izravno na središnjoj osi cijevi, protok se dijeli na dva simetrična spiralna kanala. Gibanje je jednoliko vrtložno, a profil brzine je radijalno simetričan. Ovo je poznata i često korištena postavka.

Pomicanje trake izvan središta bitno utječe na geometriju. Poprečni-presjek cijevi sada je podijeljen na dva protočna kanala različite veličine, veći razmak na jednoj strani trake i manji razmak na drugoj strani. Budući da je površina poprečnog-presjeka veća, tekućina koja teče kroz ovaj kanal kretat će se nižom brzinom (za danu volumetrijsku brzinu protoka). Naprotiv, tekućina u manjem kanalu se ubrzava. Razlika u brzini i spiralno uvijanje trake generiraju snažne sekundarne cirkulacije - vrtloge poprečnog presjeka koji nisu prisutni u centriranom postavu.

Ishod je jači uzorak miješanja. -Upletena traka izvan središta stvara glavni vrtlog (oko osi trake) i sekundarni vrtlog koji rotira u ravnini okomitoj na smjer toka. Ovo dodatno miješanje je uspješnije u narušavanju toplinskog graničnog sloja od središnjeg položaja, posebno u blizini stijenke cijevi gdje postoji najmanji razmak.

Kvantificirana poboljšanja performansi
Eksperimentalna istraživanja izravno su usporedila performanse prijenosa topline PTFE upletene trake izvan središta s topologijama centriranih traka pod identičnim postavkama protoka (Re=500-5000 u tipičnim studijama). Ključna otkrića uključuju:

Povećanje Nusseltova broja: Nusseltov broj na strani cijevi povećava se za dodatnih 10-20% za pozicioniranje izvan središta u odnosu na središnju traku za isti omjer uvijanja i Reynoldsov broj.

Ponašanje pri padu tlaka: Porast faktora trenja od-centralnog položaja je sličan ili nešto veći (najviše 5–10% iznad središnje-vrijednosti trake). Kazna tlaka se ne povećava proporcionalno dobitku prijenosa topline, i stoga povećava indeks toplinsko-hidrauličke učinkovitosti (Nu/f).

Postojanost mehanizma: Poboljšanje se vidi za širok raspon omjera uvijanja (y=2–6) i promjera cijevi, iako količina ovisi o geometriji.

Ovi dobici su daleko od minornih. Za PTFE izmjenjivač topline, gdje je koeficijent filma-strane cijevi općenito ograničavajući faktor za ukupnu izvedbu, dodatnih 15% u Nusseltovom broju može dovesti do značajnog smanjenja potrebnog područja prijenosa topline ili povećanja protoka.

Udaljenost odstupanja i učinak radijusa cijevi
Opseg povećanja prijenosa topline značajno ovisi o pomaku trake od središta. Optimalna udaljenost pomaka često je 20-30% polumjera cijevi (tj. $\\delta/R \\približno 0,2-0,3$, gdje je $\\delta$ udaljenost od središta cijevi do osi trake). U tom je rasponu sekundarna cirkulacija dovoljno jaka da daje dodatno miješanje, ali nije toliko snažna da traka dođe u dodir sa stijenkom cijevi ili izazove ozbiljnu stagnaciju protoka.

"Pomaci manji od 10% radijusa ne razlikuju se mnogo od situacije u središtu - asimetrija u protoku je preslaba za stvaranje velikih sekundarnih vrtloga. Pomaci veći od 40% radijusa rizikuju kontakt između trake i stijenke cijevi (osobito kada se uzmu u obzir toplinska ekspanzija i proizvodne tolerancije), a vrlo mali razmak može dovesti do lokalnog onečišćenja ili pretjeranog smično naprezanje.

Za PTFE cijevi, koje se često proizvode s donekle različitim unutarnjim promjerima, praktični pomak od oko 25% nominalnog polumjera može se postići ugradnjom ekscentrične potporne strukture na ulazu i izlazu cijevi ili umetanjem trake s namjerno savijenim vodećim segmentom.

Ovisnost o Reynoldsovom broju: najuočljivija kod srednjih Reynoldsovih brojeva
Učinak-pozicije izvan središta uglavnom je relevantan za srednje Reynoldsove brojeve, obično u prijelaznom i nižem području turbulencije (Re\\približno 800-4000). U ovom režimu protok nije potpuno turbulentan i prirodno miješanje je slabo. Asimetrična traka može generirati sekundarne struje, koje mogu umjetno pokrenuti protok u kaotičnije stanje i uvelike poboljšati prijenos topline.

Pri vrlo niskim Reynoldsovim brojevima (Re < 300) sekundarni vrtlozi su potisnuti viskoznim prigušenjem bez obzira na asimetriju trake. Prednost u odnosu na centriranu vrpcu se smanjuje i obje konfiguracije rade slično laminarnom protoku s malim vrtlogom.

Prirodna turbulencija već daje značajno radijalno miješanje pri visokim Reynoldsovim brojevima (Re > 8000). Povećana korist od-pozicioniranja izvan središta pada na možda 5-10% ili manje. U većini primjena PTFE izmjenjivača topline – gdje su stope protoka obično umjerene zbog ograničenja pada tlaka u fluoropolimernim sustavima – umjereni Re raspon je upravo raspon u kojem oprema radi, stoga je postavljanje izvan središta prilično relevantno.

Praktični problemi: nesimetrične sile, vibracije
Jedna od praktičnih poteškoća s -ugradnjom upletene trake izvan središta su generirane asimetrične sile tekućine. Brži protok kroz maleni otvor i sporiji protok kroz veliki otvor uzrokuju neto neravnotežu tlaka na traci. Ova asimetrija uzrokuje bočne sile koje nastoje tjerati traku na stijenku cijevi. Osim toga, brzina protoka također može uzrokovati sile uzgona ili otpora na vrpci u vodoravnoj cijevi.

Ove neravnomjerne sile mogu uzrokovati da se vrpca s vremenom sve više pomiče-od središta ili eventualno dodiruje stijenku cijevi. Kontakt ne samo da oštećuje prijenos topline (blokiranje protoka i stvaranje vrućih točaka), već može oštetiti unutarnju površinu PTFE cijevi ili istrošiti omotač trake. Metalne trake koje se stavljaju u PTFE cijevi također pate od trzanja i vibracija. Traka bi se mogla odbijati naprijed-natrag o stijenke cijevi, stvarajući buku i mogući kvar zbog zamora.

Evo nekoliko strategija ublažavanja:

Višestruke potporne točke - Centraliziranje prstenova ili odstojnika u redovitim intervalima (npr. svakih 10-20 promjera cijevi) osigurava održavanje željenog pomaka bez dopuštanja pretjeranog bočnog pomicanja.

Odabir materijala trake - Tvrđa traka (npr. deblja metalna ili PTFE kompozit) izdržat će deformacije pod asimetričnim naprezanjima.

Namjerni utor ili ključ - Cijev se može izraditi s unutarnjim uzdužnim utorom koji zahvaća rub trake i stoga točno fiksira mjesto pomaka. Ovo je tipičnije za metalne cijevi, ali se može prilagoditi PTFE-u s odgovarajućim alatom za ekstruziju.

Manja brzina protoka - Dopuštanje umjerenog Reynoldsovog broja (gdje je utjecaj ionako najjači) smanjuje veličinu asimetričnih sila.

U praksi su problemi vibracija i pomicanja prijenosa podnošljivi za čiste tekućine i skromne brzine protoka. Laboratorijska i pilot postrojenja pokazala su dugotrajan stabilan rad s-trakama izvan središta pričvršćenim samo na krajevima.

Usporedba s drugim geometrijama umetanja
Postoje i drugi načini za postizanje asimetričnog miješanja osim postavljanja-izvan središta. Proučavane su ekscentrične upletene trake, poluuvijene trake i namjerno savijene osne trake-u-cijevi. Standardna traka izvan središta ima jednu jasnu prednost. Nije potrebno modificirati samu traku - samo način na koji je traka postavljena u cijev. Stoga se sadašnje upletene trake mogu ponovno upotrijebiti u -necentralnom rasporedu bez ikakvih dodatnih troškova u proizvodnji.

Ovaj dizajn ima prednost kada izmjenjivač topline već radi i potrebno je malo povećanje performansi. Traka bi se mogla namjerno povući na jednu stranu i držati asimetričnim krajnjim spojnicama. No, potrebno je pažljivo razmotriti poteškoće s vibracijama i potporom kao što je gore navedeno.

Dizajn PTFE izmjenjivača topline: Praktična razmatranja
Za dizajnere PTFE školjkastih i cijevnih izmjenjivača topline mogu se dati sljedeći prijedlozi:

Za cijevi razumno velikog promjera (većeg ili jednakog 12 mm unutarnjeg promjera) s konvencionalnom upredenom trakom koja je već navedena,-postavljanje izvan središta može se smatrati inkrementalnim poboljšanjem - osobito kada je operativni Reynoldsov broj u rasponu od 800-4000.

Koristite pomak od oko 25 posto polumjera cijevi. Ovo balansiranje maksimizira sekundarni protok s podnošljivom asimetrijom sile.

Dodajte središnje prstenove u intervalima od 10-15 promjera cijevi kako biste zadržali pomak i spriječili kontakt sa zidom. Prstenovi su dostupni od PTFE ili PFA radi kemijske kompatibilnosti.

Procijenite rizik od vibracija: za protoke plina velike brzine ili tekućine niske viskoznosti više oslonaca ili manji udio pomaka (npr. . 15% radijus) može biti od koristi.

Zaključak: Jeftina inkrementalna nadogradnja
Nisko{0}}troškovno inkrementalno poboljšanje prijenosa topline može se postići postavljanjem upletene trake namjerno izvan-centra, što rezultira dodatnim povećanjem Nusseltova broja od 10–20% s malim ili nikakvim daljnjim padom tlaka u odnosu na centriranu traku. Asimetrična podjela protoka posreduje u učinku uspostavljanja sekundarnih cirkulacija koje povećavaju miješanje u toplinskom graničnom sloju. Optimalna vrijednost pomaka je 20-30 % polumjera cijevi, a učinak je najznačajniji pri srednjim Reynoldsovim brojevima (Re ≈ 800-4000).

Male varijacije u obliku mogu osloboditi više performansi. Metoda prijenosa topline PTFE s upletenom vrpcom izvan sredine pruža izravnu nadogradnju PTFE izmjenjivača topline gdje otpornost na koroziju određuje odabir materijala, a pasivno poboljšanje je jedini izvediv smjer. Dizajneri moraju napraviti-zamjenu između blagih vibracija i potreba za podrškom u odnosu na toplinske prednosti.