Kakva je izvedba turbulatora sa spiralnom oprugom u PTFE cijevima izmjenjivača topline?

Ova osnovna žičana zavojnica u obliku-opruge, smještena unutar PTFE cijevi, može poslužiti za značajno poboljšanje prijenosa topline. Zavojnica prekida protok na stijenci cijevi, ali ne ometa središte, za razliku od čvrste upletene trake. To dovodi do različite ravnoteže performansi. Ova tehnologija povećanja pasivnog prijenosa topline posebno je korisna za PTFE izmjenjivače topline u kojima ograničena toplinska vodljivost samog polimera (≈0,25 W/m·K) ograničava ukupne koeficijente prijenosa topline. Sklop izmjenjivača topline spiralnog opružnog turbulatora PTFE razbija granični sloj strane cijevi i proizvodi velika poboljšanja toplinske učinkovitosti.

Razumijevanje geometrije spiralnog opružnog turbulatora
Spiralni opružni turbulator spiralno je namotana žičana zavojnica koja dobro pristaje unutarnjem promjeru PTFE cijevi. Zavojnicu definiraju tri geometrijska parametra:

Promjer žice (d_w) – obično 1-3 mm, ovisno o veličini cijevi

Korak zavojnice (p) – osni razmak između susjednih zavoja

Vanjski promjer zavojnice (D c): Nešto manji od unutarnjeg promjera cijevi (D i) za umetanje

Učinkovitost turbulatora određena je omjerom promjera žice i promjera cijevi (dw /D i ) i omjerom uspona i promjera (p/D i ). Uobičajeni standardi dizajna sugeriraju da se optimalna izvedba postiže za dw / D i između 0,1 i 0,2 i p / D i između 1 i 3.

Zavojnica može biti izrađena od mnogo materijala, ovisno o tekućini koja se obrađuje. Za korozivne vodene ili kisele struje predlaže se PTFE-metalna žica ili čvrsta PTFE monofilamentna zavojnica. Za manje abrazivne tekućine gdje onečišćenje metalom nije problem, mogu se koristiti visokolegirane žice (npr. nehrđajući čelik 316L, Hastelloy C-276). U potpuno fluoropolimernim sustavima PFA ili PTFE opruga osigurava potpunu kemijsku otpornost.

Mehanizam odvajanja graničnog sloja
U glatkoj cijevi pod laminarnim ili niskim -Reynoldsovim-brojem protoka postoji stacionarni granični sloj (laminarni podsloj) formiran na stijenci cijevi. Ovaj tanki sloj je glavni otpor prijenosu topline. Ovaj podsloj se mora proći samo kondukcijom, što je neučinkovito.

Okretanje-graničnog sloja je spiralni opružni turbulator. Dok tekućina teče kroz cijev, svaki okret zavojnice proizvodi lokalno odvajanje protoka, vrtloge i radijalno miješanje. Važno je da zavojnica ne blokira središte cijevi - protok jezgre je u biti neometan. Ovo je spiralna opruga umjesto čvrste upletene trake koja čini da cijela tekućina teče u vrtložnom kretanju i često dovodi do mrtve zone oko središta trake.

Glavni učinak opruge događa se u blizini stijenke cijevi. Na točki najvećeg toplinskog otpora zavojnica povremeno razbija rastući granični sloj, povećavajući turbulentno miješanje. U eksperimentalnoj usporedbi, dokazano je da dobro-projektirana opružna zavojnica može povećati Nusseltov broj (Nu) na-strani cijevi 2 do 3 puta u usporedbi s glatkom cijevi pod istim okolnostima protoka.

Izmjereni učinak: Nusseltov broj i pad tlaka
Kompromis-između povećanja prijenosa topline i gubitka tlaka stalno se vidi. Tipični rasponi opisani u-recenziranim studijama za spiralne opružne turbulatore su u Reynoldsovim brojevima od 500 do 10 000:

Parametar Glatka cijev sa spiralnom oprugom
Nusseltov broj (Nu) Osnovna linija (1×) 2–3× povećanje
Faktor trenja (f) Osnovna linija (1x) 3-6x povećanje
Faktor poboljšanja uvelike ovisi o geometriji zavojnice. Manji nagib (niži p/D_i) rezultira češćim poremećajima protoka i time višim Nu, ali i većim padom tlaka. S druge strane, opuštenija zavojnica minimizira smanjenje pritiska, a ipak daje značajno poboljšanje.

Dizajn zavojnice je podesivo rješenje: za određenu primjenu korak i promjer žice mogu se odabrati tako da zadovolje ograničenja procesa na dopušteni pad tlaka. Maksimalni prijenos topline postiže se tijesnom zavojnicom za čiste tekućine i tamo gdje je sila pumpanja dovoljna. Za viskoznu tekućinu ili tekućinu osjetljivu na smicanje, labavija zavojnica omogućuje nježnije miješanje.

Spiralni opružni turbulator ima neke praktične prednosti u usporedbi s umetkom od pune upletene trake:

Smanjena tendencija onečišćenja - Izvor ne proizvodi potpuno zatvorene stajaće zone, tj. manje je vjerojatno da će se suspendirane čestice ili istaložene krutine taložiti. Čvrsta traka, posebno u vodoravnoj cijevi, mogla bi osigurati nisko-područje protoka u "sjeni" trake gdje počinje prljanje. Otvorena struktura opruge omogućuje kontinuirano pročišćavanje tekućine.

Lakša montaža i uklanjanje - Opružna zavojnica može se jednostavno staviti u cijev i stegnuti na krajevima. Za naknadnu ugradnju postojeće PTFE cijevi izmjenjivača topline mogu se naknadno ugraditi na opruge bez trajnih izmjena. Čišćenje je jednostavno, samo izvucite zavojnicu, očistite je i vratite natrag.

Manji trošak materijala - Mnogo je manje materijala u svitku žice u usporedbi s punom trakom, posebno za duge cijevi. Ako su potrebne skupe legure ili fluoropolimeri, razlika u cijeni je značajna.

Kompatibilnost ekspanzije PTFE cijevi - PTFE cijevi imaju visok koeficijent toplinske ekspanzije. Čvrsta traka koja pristaje na sobnoj temperaturi mogla bi postati pretijesna na radnoj temperaturi i oštetiti cijev. Zavojnica opruge je fleksibilna i može prihvatiti promjene dimenzija bez razvijanja prekomjerne radijalne sile.

Praktični minimalni Reynoldsov broj za učinkovitost
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10 000) prirodna turbulencija već učinkovito remeti granični sloj i inkrementalna korist zavojnice je smanjena u odnosu na dodatni pad tlaka. Turbulatori sa spiralnom oprugom stoga su najprikladniji za PTFE izmjenjivače topline koji rade s viskoznim tekućinama, strujama niske brzine protoka ili kompaktnim geometrijama koje prirodno karakterizira niska brzina protoka.

U eksperimentima vidimo da faktor poboljšanja opada s povećanjem Reynoldsovog broja. Ispod Re $\\approx$ 200 zavojnica još uvijek može poboljšati prijenos topline stvaranjem blagih sekundarnih strujanja, ali učinak je manje upečatljiv nego u laminarnoj-u-turbulentnoj prijelaznoj zoni.

Prijave za naknadnu ugradnju i komercijalna dostupnost
Komercijalno dostupni turbulatori sa spiralnom oprugom dostupni su od brojnih proizvođača komponenti izmjenjivača topline. Uobičajeni promjeri PTFE cijevi (unutarnji promjer 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm i 20 mm) dostupni su kao standardni dizajni. Mogu se proizvesti posebne širine i razmaci žice kako bi se zadovoljile specifične potrebe procesa.

Uobičajena situacija popravka je postojeći PTFE školjka-i-izmjenjivač topline koji ne radi dobro zbog niskih koeficijenata prijenosa topline-na strani cijevi. Umjesto da obnovite cijeli izmjenjivač, turbulatore stavljate u svaku cijev. Instalacija se općenito izvodi tijekom planiranog prekida rada radi održavanja. Povećanje ukupnog koeficijenta prijenosa topline (U) osigurava ili veću propusnost ili manju potrošnju topline, ili manju potrebnu površinu za novi dizajn.

Zaključak: Jednostavna, učinkovita pomoć pri instalaciji
Turbulatori sa spiralnom oprugom jednostavan su za instalaciju, učinkovit izbor za poboljšanje prijenosa topline PTFE cijevi, posebno u čistim uslugama. Umetci revolucioniraju toplinsku izvedbu PTFE izmjenjivača topline niske-vodljivosti povećavajući Nusseltov broj na-strani cijevi za faktor od 2 do 3 uz razumnu kaznu pada tlaka od 3 do 6 puta. Raspored PTFE izmjenjivača topline sa spiralnim opružnim turbulatorom otvoren je, ne-se prlja i koristi fleksibilan materijal (PTFE, PFA ili žicu od legure) što ga čini prikladnim za korozivne primjene, visoke-čistoće i naknadnu ugradnju.

Dostupni su brojni oblici turbulatora za različite namjene, uključujući upletene trake, žičane mreže i statične miješalice. Spiralna opruga ima posebnu nišu, umjereno poboljšanje, malo onečišćenja i jednostavnu instalaciju. Spiralni opružni turbulator zaslužuje značajno razmatranje od strane procesnih inženjera koji traže pasivan način-održavanja za optimizaciju prijenosa topline uz održavanje kemijske otpornosti.