Kuinka kuoppaiset tai aallotetut PTFE-putket parantavat lämmönsiirtoa ilman lisäosia?

Kuopat, aallot tai spiraalit voidaan valmistaa suoraan putkeen itse sen sijaan, että lisättäisiin erillistä laitetta. Nämä integroidut elementit auttavat katkaisemaan virtauksen ja lisäämään lämmönsiirtoa ilman riskiä, ​​että sisäosa irtoaa tai aiheuttaa esteitä.

Miksi passiivista putkigeometrian parantamista on harkittava
Monissa kemiallisissa ja farmaseuttisissa prosesseissa lämmönvaihtimien luotettavuus on yhtä tärkeää kuin niiden lämpöteho. Perinteisissä parannusmenetelmissä, kuten kierrettyjen teippien tai lankakelojen sisäosissa, on sisäiset komponentit, jotka ovat alttiita liikkumiselle, väsymiselle tai likaantumispaikoille. Toinen lähestymistapa on muuttaa itse putken seinämää. Kuoppa- tai poimutetulla PTFE-putkella on pinnan karheus tai aaltoilu, joka on putkelle ominaista. Erillisten osien puuttuminen tarkoittaa, että mekaanisen vian, välikappaleen juuttumisen tai virtauksen tukkeutumisen mahdollisuus on lähes minimoitu.

Tämä menetelmä on erityisen houkutteleva käsittelemään nesteitä, jotka sisältävät suspendoituneita kiintoaineita, kiteisiä lietteitä tai väliaineita, jotka ovat alttiita polymeroitumiselle. Tällaisissa vaativissa sovelluksissa käytetään kuoppia tai aallotettua sileää sisäputkea luomaan turbulenssia ilman halkeamia, joihin roskia voi kerääntyä.

Kuinka kuopat ja aallot sotkevat virtauksen kanssa
Kuoppainen tai aallotettu PTFE-putki on putki, jossa on sarja säännöllisiä syvennyksiä tai kuoppia tai vaihteluita laajennuksissa ja supistumisissa tai poimuissa sen pituudella. Kun neste virtaa näiden geometristen erojen yli, seinän vieressä oleva rajakerros hajoaa peräkkäin ja palautuu-. Pyöriviä pyörteitä levitetään jokaisen kuopan tai poimutusharjanteen taakse säteittäisen sekoittumisen aikaansaamiseksi ydinnesteen ja seinäalueen välillä. Sekoitus ohenee tehokkaasti lämpörajakerrosta ja parantaa siten konvektiivista lämmönsiirtokerrointa.

Tehostusmekanismi on täysin erilainen kuin kierretyn teipin mekanismi. Kierretty nauha tarjoaa tasaisen kierteisen pyörteen, mutta kuopat ja aallot luovat paikallista jaksoittaista turbulenssia. Tuloksena oleva kuoppaisen aallotetun PTFE-putken lämmönsiirtokyky on yleensä maltillisempi – 20–60 %:n parannus verrattuna sileään putkeen, mutta suhteellisesti pienemmällä painehäviön kasvulla, yleensä välillä 30–100 %.

Käytännössä geometriset parametrit (kuoppauksen syvyys, poimutuksen nousu ja korkeus) voidaan asettaa{0}}korjaamaan lämmönsiirtovahvistuksen ja kitkahäviön välillä. Lyhyemmät aallot tai syvemmät kuopat luovat voimakkaamman turbulenssin, mutta tarjoavat myös suuremman vastuksen. Pidemmät, matalammat kuviot antavat tasaisemman virtauksen ja maltillisemman tehosteen.

Erillisten sisäosien edut
Poimutetuilla tai aallotetuilla PTFE-putkilla on useita käytännön etuja kierrettyyn teippiin tai muihin irtonaisiin sisäkkeisiin verrattuna:

jatkuva inserttigeometrian muodostuminen putken seinämään. Ei välikappaleen siirtymisvaaraa: Ei ole mahdollisuutta, että sisäosa siirtyy alavirtaan vahingoittaen putken päitä tai koskettaen putkilevyä.

Ei ylimääräistä kosketusvastusta: erillisellä sisäkkeellä lämpökosketinvastus on sisäkkeen ja putken seinämän välissä. Siinä ei ole ylimääräistä vastusta, koska siinä ei ole rajapintaa integroitujen kuoppien tai poimujen kanssa.

Helppo tutkia ja puhdistaa Aallotetun putken sisäpuoli on edelleen avoin, esteetön kanava. Normaalisti puhdistusporsaan tai harjan läpikulku riittää. Putken puhdistaminen kierretyllä teipillä saattaa edellyttää sisäosan poistamista.

Pienempi mekaanisen kulumisen vaara: Pyörivät sisäosat voivat aiheuttaa PTFE-putken seinämän tärinää ja kulumista ajan myötä, erityisesti suuremmilla virtausnopeuksilla. Integraalisella geometrialla ei ole suhteellista liikettä putken ja tehostusominaisuuden välillä.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100 %) kierretty teippisisäke on parempi kuin kuoppaiset tai aallotetut putket. Integroitu putkirakenne on kuitenkin suosittu valinta sovelluksissa, joissa lievä parannus on hyväksyttävää ja luotettavuus on äärimmäisen tärkeää.

PTFE:n käsittely
Aallotettuja ja kuoppaputkia käytetään yleisesti metallilämmönvaihtimissa (esim. ruostumaton teräs, kupari). Joitakin ainutlaatuisia ekstruusio- tai lämpömuovausmenetelmiä tarvitaan niiden soveltamiseksi PTFE:hen. PTFE:tä ei voida sulatyöstää kuten kestomuovia. PTFE on yleensä suulakepuristettu tai tahnaekstrudoitu. Pyörivää-lävistysmenetelmää voidaan soveltaa PTFE:hen sintrauksen jälkeen tarkkojen kuoppien tai poimujen saamiseksi, tai putken vetämiseen voidaan käyttää peräkkäisiä kuumennettuja meistiä. Jatkuvia aallotettuja PTFE-putkia on kaupallisesti saatavilla erikoistuottajilta vaatimattomille halkaisijoille (yleensä 6-25 mm).

Seinän paksuuden valvonnan on oltava erittäin tiukkaa. Seinä voi olla liian ohut ja se voi romahtaa sisäisen paineen vaikutuksesta poimujen yläosissa; seinä voi olla liian paksu ja tiiviin poimutuksen aikaansaamiseen tarvittava taivutusmukavuus vähenee. Aallotettujen PTFE-lämmönvaihdinputkien seinämäpaksuudet ovat yleensä 0,8-2,0 mm halkaisijasta ja paineluokituksesta riippuen.

Virtausjärjestelmän ja painehäviön vaikutukset
Laminaarivirtauksessa (Re < 2000) kuoppien ja poimujen esiintyminen vaikuttaa merkittävästi. Jopa pienillä Reynolds-luvuilla ne laukaisevat varhaisen siirtymisen epävakaaseen, sekoitus{2}}dominoivaan virtausjärjestelmään, mikä lisää Nusseltin lukua 40-80 % sileään putkeen verrattuna. Myös painehäviö on tärkeä, koska virtauksen on pakko kiihtyä ja hidastua jatkuvasti.

Pyörteisessä virtauksessa (Re > 4000) suhteellinen parannus on harvemmin - 20-40 % - koska luonnollinen turbulenssi varmistaa jo tehokkaan sekoittumisen. Kuitenkin prosentuaalinen nousu paineen laskussa on yleensä pienempi. Oikein rakennetun kuoppaputken lämpötehokerroin (lämmönsiirron parannuksen suhde kitkan kasvuun 1/3 tehoon) voi olla parempi kuin 1,2, mikä osoittaa nettoenergiansäästöä verrattuna sileään putkeen samalla pumppausteholla.

Alla olevassa taulukossa on yhteenveto kuoppi- tai aaltoputkien tyypillisistä suorituskykyalueista suhteessa sileisiin PTFE-putkiin, jotka perustuvat veden kaltaisiin nesteisiin Re=2000-5000.

Parametrin tyypillinen parannusalue Nusselt-luvun parannus (lämmönsiirtokerroin) ++20 % - +60 %
Kitkakerroin (painehäviö) kasvaa +30 % arvoon +100 %
Lämpötehokerroin (η) 1,1-1,3 Johtopäätös
Kuoppaiset tai aallotetut PTFE-putket tarjoavat yksinkertaisen, passiivisen tavan parantaa lämmönsiirtoa erittäin hyvällä luotettavuudella. Putket on suunniteltu luomaan yhtenäisiä pintageometrioita, jotka rikkovat rajakerroksen ja edistävät säteittäistä sekoittumista, mikä johtaa vaatimattomaan (20-60 %) lämmönsiirron lisääntymiseen ilman mahdollisia inserttien siirtymistä, kosketusvastusta tai puhdistusongelmia. Muoto on erityisen hyödyllinen sovelluksissa, jotka sisältävät hiukkasia, kiteitä tai likaantuvia nesteitä, joissa erilliset insertit olisivat ongelmallisia. Putken geometria on edelleen kriittinen näkökohta lämmönvaihtimen suunnittelussa – ja PTFE:n ansiosta kuoppi- tai aallotettu muoto tarjoaa houkuttelevan yhdistelmän suorituskykyä, puhdistettavuutta ja pitkäkestoista joustavuutta.