Kuinka johtavasta materiaalista (esim. metallista) valmistettujen kierrettyjen teippisisäkkeiden käyttö vaikuttaa suorituskykyyn verrattuna PTFE-sisäkkeisiin?

Se on yksinkertainen PTFE-kierretty teippi, joka edistää lämmönsiirtoa pyörittämällä virtausta. Metallinauha tekee samoin, mutta se myös siirtää lämpöä putken seinämästä itseensä, toimien olennaisesti sisäisenä evana. Tämä johtaa konvektiiviseen parantumiseen johtavaan verrattuna.

Kaksi kierretyn teippisyötön mekanismia
Mikä tahansa kierretty teippisisäke missä tahansa materiaalissa tuottaa kierteisen virtauskanavan putkeen. Syntynyt pyörre tuottaa keskipakovoimia, jotka työntävät nestettä kohti putken seinämää, mikä johtaa terminen rajakerroksen ohenemiseen ja konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen kasvuun. Pelkästään tämä pyörremekanismi voi lisätä Nusseltin lukua 100-150 % tyhjään putkeen nähden noususuhteesta riippuen.

Toinen ripavaikutelma on olemassa, jos nauha itsessään on lämpöä johtavaa materiaalia (esim. ruostumaton teräs, Hastelloy, titaani, kupariseokset). Nauha on suorassa kosketuksessa putken seinään (yleensä jousisovitus tai lievä häiriösovitus). lämpö virtaa nauhaan kuumasta seinästä ja koko nauhan runko kuumenee. Nauha toimittaa sitten varastoidun energian kulkevaan nesteeseen molemmilta leveiltä pinnoilta. Tämä antaa putken poikkileikkaukselle ylimääräisen lämmönsiirtoalueen, kuten jonkinlaisen sisäisen pitkittäisrivan.

Johtavan ja ei-johtavan teipin suorituskyky
Kierretty nauha ei--johtavasta materiaalista, kuten PTFE:stä tai PFA:sta, voi parantaa ainoastaan ​​konvektiivista pyörrettä. PTFE:llä on erittäin huono lämmönjohtavuus (noin . 0.25 W/mK), joten lämmön siirtyminen seinästä nauhaan on tuskin lainkaan. Nauha pysyy suunnilleen paikallisessa nesteen lämpötilassa, eikä se vaikuta eviin.

Toisaalta metallikierretyn nauhan lämmönjohtavuus voi olla suuruusluokkaa suurempi. Ruostumaton teräs (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) tai kupari (~400 W/m·K). Kun nauhan ja putken seinämän välillä säilyy hyvä lämpökontakti, sähkönjohtavuus parantaa huomattavasti yleistä lämmönsiirtoa. PTFE-putkijärjestelyssä, jossa on johtava kierretty teippisisäke, pyörre plus evät -vaikutus antaa yleensä 20-30 % ylimääräisen lämmönsiirtolisäyksen johtamattomaan nauhaan samoissa virtausolosuhteissa.

Kierretyn PTFE-nauhan Nusselt-luku kasvaa 120 % (2,2 kertaa tyhjässä putkessa oleva arvo), mutta hyvin -suunniteltu metallinauha, jolla on sama geometria, voi nostaa sitä 150-170 % (2,5-2,7 kertaa). Todellinen vahvistus riippuu nauhan paksuudesta, lämpökosketuksen johtavuudesta ja nesteen ominaisuuksista. Johtavuusetu on suurin, kun putken seinämän kalvokerroin on jo niin suuri, että seinä-nauhan rajapinnan vastus ei rajoita ripavaikutusta.

Bottom Line: Hyvä lämpökontakti
Metallinauhan tulee olla läheisessä lämpökosketuksessa PTFE-putken sisäseinän kanssa ripavaikutelman saavuttamiseksi. Tämä tehdään yleensä tekemällä nauhan leveys hieman putken sisähalkaisijaa leveämmäksi niin, että se asetetaan jousisovituksella. Metallinauhan luontainen joustavuus (tai vaatimaton ylimitoitettu kierre) työntää nauhan reunat putken seinää vasten. Liian tiukka{3}}sovitus voi kuitenkin vahingoittaa PTFE-letkua tai tehdä asettamisen mahdottomaksi. Liian löysä istuvuus luo ilmaraon, joka on hyvä lämmöneriste ja mitätöi evävaikutuksen.

Käytännössä metallikierretyt nauhat PTFE-putkille valmistetaan yleisesti 0,95 - 1,00 putken ID-leveydellä käyttämällä kierteistä muotoa pistekoskettimien aikaansaamiseksi täyslinjakosketuksen sijaan. Todellinen kosketuspinta-ala on rajoitettu ja evien tehokkuus on heikentynyt. Mutta silloinkin kun kosketus on vain osittainen, johtavuus kasvaa hieman, koska nauha ottaa lämpöä kosketuskohdissa ja kuljettaa sitä pitkin pituuttaan. Hienostuneemmissa malleissa käytetään paksumpaa teippiä tai taitettua reunaa kosketusalueen parantamiseksi.

Korroosio- ja kontaminaatioriski
Yksi suuri riski hallinnassa on galvaaninen korroosio ja metallikontaminaatio. Vaikka itse metallinauha valitaan yhteensopivaksi prosessinesteen kanssa (esim. Hastelloy C-276 aggressiivisia klorideja varten tai titaani hapettavia happoja varten), metallikomponentin lisääminen PTFE-putkeen sisältää kaksi mahdollista vikaskenaariota.

Ensinnäkin, jos prosessineste syövyttää metallia käyttölämpötilassa, nauha syöpyy hitaasti. Korroosiotuotteet (metalli-ionit tai hiukkaset) voivat tihkua nesteeseen ja saastuttaa tuotteen. Tämä ei sovellu lääke-, elintarvike- tai ultra-puhtaisiin kemiallisiin sovelluksiin. PTFE-putken tarkoitus on yleensä välttää kosketusta metalliin ollenkaan. Metallinauhan käyttö on vastoin tätä tarkoitusta.

Toiseksi, vaikka nauha itsessään olisi korroosionkestävä, galvaaninen pari voi silti muodostua, jos järjestelmässä on muita metallikomponentteja (esim. metalliputkilevy, pumpun juoksupyörä tai alavirtaventtiili). Niin kauan kuin se ei kosketa ulkopuolisia metalliesineitä, teippi on sähköeristetty niistä - PTFE-putki on sähköeriste. Jos teippi kuitenkin joutuu kosketuksiin metallisen päätyliittimen kanssa tai jos käytetty neste on sähköä johtavaa (esim. vesipitoinen elektrolyytti), nesteen läpi voidaan muodostaa galvaaninen piiri. Jaloisempi metalli (esim. titaani) saattaa edistää vähemmän jalometallien (esim. hiiliteräksen) korroosiota muualla järjestelmässä.

Milloin käyttää metallia vs. kierrettyä PTFE-teippiä
Sovelluksen prioriteeteista riippuen voit valita johtavan metallinauhan tai ei--johtavan PTFE-nauhan.

Milloin metallikierrettyä teippiä käytetään:

Prosessineste ei ole -syövyttävä valittuun metalliin (esim. deionisoitu vesi, miedot orgaaniset liuottimet, neutraalit suolavedet).

Tarvitsee maksimaalisen lämmönsiirron pituusyksikköä kohti, pumppausteho on jo rajoitettu.

Nesteiden yhteensopivuus on sallittua, eikä tuotteen saastuminen ole ongelma (esim. ei--lääketeollisuuskemia).

Hyvä lämpökosketus on mahdollista ilman PTFE-putken vaurioitumista.

Valitse PTFE tai PFA kierretty teippi:

Prosessineste on erittäin syövyttävää (vahvat hapot, emäkset, halogeenit, hapettavat aineet).

Metalli-ionien aiheuttaman kontaminoitumisen välttäminen (farmaseuttinen API-synteesi, puolijohdejäähdytys, elintarvikkeiden jalostus).

Käyttölämpötila ylittää saatavilla olevien metalliseosten korroosiorajan, mutta alle 110 astetta (PTFE) tai 260 astetta (PFA).

Yksinkertaisuus ja todistettu kemiallinen inertisyys ovat suurempia kuin metallinauhan 20-30 % suorituskyvyn parantaminen.

Äärimmäisen syövyttävissä palveluissa käytetään PTFE- tai PFA-teippejä evävaikutuksen menettämisestä huolimatta, koska niiden tarjoamasta luotettavuudesta ja puhtaudesta ei voida neuvotella.

Yhteenveto johtavien ja ei-{0}}johtavien nauhojen suorituskyvystä
Parametri PTFE (ei--johtava) Tape Metal (Conductive) Tape
LämmönsiirtomekanismiVain pyörre Pyörre + räpyläisku
Tyypillinen Nu- augmentaatio (tyhjän putken yli) 100-150 % 130-180 %
Lisähyöty johtavuudesta - +20-30 % verrattuna PTFE-nauhaan
Lämpökosketusvaatimus Ei sovelleta (ei räpyläiskua) Kriittinen - jousisovitus välttämätön
Korroosioriski Ei mitään (inertti kaikille kemikaaleille 110 asteeseen asti) Riippuu nesteen -metallien yhteensopivuudesta
Metallin saastumisen vaara Ei mahdollista (korroosio tai kuluminen)
Maksimilämpötila 110 astetta (PTFE); 260 astetta (PFA) Seoksesta riippuvainen (esim. ruostumaton 400 astetta)
Kustannukset Kohtuullinen (ekstrudoitu PTFE) Korkeampi (metallikoneistettu tai meistetty)
Toimiva esimerkki: Vesipitoisen neutraalin virran lämmitys
Oletetaan, että PTFE-lämmönvaihdinta käytetään lämmittämään neutraali, kloridivapaa{0}}vesivirta 20 asteesta 60 asteeseen. Pelkkä pyörre parantaisi lämmönsiirtoa PTFE-kierretyllä teippisisäkkeellä. Ripavaikutelma voidaan saada aikaan korvaamalla se kierretyllä ruostumattomasta teräksestä 316 olevalla teipillä, joka on sovitettu sopivasti putken seinämään. Kokonaislämmönsiirtokerroin voidaan nostaa arvosta 150 W/m²·K arvoon 190 W/m²·K (27 %). Neste ei syövytä{11}}ruostumatonta terästä 60 asteessa eikä aiheuta huomattavaa metallin huuhtoutumista. Suorituskyvyn lisäys mahdollistaa alhaisemman lämmönvaihtimen tai pienemmän virtausnopeuden samalle toiminnalle.

Samassa sovelluksessa, mutta hieman happamassa suolaliuoksessa (pH 4, 1000 ppm kloridia), ruostumaton teräs 316 altistuisi pistekorroosiolle. Kustannukset olisivat erittäin korkeat, edellyttäen Hastelloy C-276 -nauhaa. Toinen vaihtoehto on käyttää PTFE-nauhan halvempaa suorituskykyä, joka välttää korroosioongelman kokonaan.

Yhteenveto
Kierretty metallinauha muovinauhoille voidaan saavuttaa johtava evävaikutelma, joka voi parantaa lämmönsiirtokykyä noin 20-30 %. Tämä hyöty toteutuu kuitenkin vain, jos säilytetään hyvä lämpökontakti putken seinämän kanssa ja mikä vielä tärkeämpää, jos metalli on täysin yhteensopiva prosessinesteen kanssa. Herkissä toiminnoissa, kuten farmaseuttisessa synteesissä tai erittäin puhtaassa kemiallisessa käsittelyssä, korroosio- tai metallikontaminaation riskit peittävät lämpöhyödyn. Lisälaitteiden materiaalivalinnan tulee olla yhtä huolellinen kuin itse vaihtimen; Monissa syövyttävissä tai puhtausherkissä palveluissa PTFE- tai PFA-nauhan inertisyys on edelleen ylivoimainen valinta evävaikutuksen puuttumisesta huolimatta.