Kako razmerje naklona vložka z zvitim trakom vpliva na prenos toplote v PTFE ceveh?

Zvit trak, nameščen v PTFE cev, ustvarja vrtinčast tok, ki poveča prenos toplote. Stopnja tega vrtinčenja in posledični kompromis med zmogljivostmi sta neposredno nadzorovana z razmerjem nagiba zasuka – predstavljenim kot tesnost zasuka.

Kakšno je razmerje nagiba v vložkih z zvitim trakom?
Razmerje nagiba je razmerje med dolžino, potrebno za en polni zasuk za 360 stopinj (dolžina naklona) in širino traku. Na primer, trak, ki naredi en popoln obrat na razdalji, ki je enaka njegovi lastni širini, ima razmerje nagiba 1. Če se trak popolnoma navije po dolžini, ki je petkrat večja od njegove širine, je razmerje nagiba 5. Nizko razmerje nagiba=zelo tesen, silovit zasuk. Visoko razmerje tona=ohlapnejše, mehkejše zvijanje.

V resnici so vložki zvitega traku za PTFE cevi izdelani iz PTFE ali PFA (perfluoroalkoksi alkana), da se zagotovi popolna kemična združljivost z zelo jedkimi procesnimi tekočinami. To zagotavlja, da ni kovinskih kontaminacij ali težav z galvansko korozijo, tudi z močnimi kislinami, topili ali ultra čistimi mediji.

Vpliv razmerja naklona na vrtinčenje in prenos toplote
Ko tekočina teče skozi cev, ki vsebuje zvit trak, trak potiska tok, da sledi vijačnemu vzorcu. Ta vrtinec ustvarja centrifugalne sile, ki poganjajo težjo tekočino proti steni cevi in ​​tako učinkovito stanjšajo toplotno mejno plast. To ustreza večjemu koeficientu konvekcijskega prenosa toplote ali višjemu Nusseltovemu številu.

Razmerje višine je neposredno odgovorno za moč vrtinčenja. Močnejšo tangencialno komponento hitrosti povzroči močnejši zasuk (nižje razmerje naklona, ​​npr. . 2). Tako, da je lahko izboljšanje prenosa toplote, običajno označeno kot razmerje med Nusseltovim številom z vložkom in tistim z navadno cevjo, do 150 % ali več. Vendar to hitro vrtenje vodi tudi do bistveno večjega trenja tekočine, kar vodi do velikega povečanja padca tlaka, pogosto v območju 200-600 % v primerjavi s prazno cevjo.

Po drugi strani pa bo ohlapnejši zasuk (višje razmerje naklona, ​​npr. . 5 ali 6) povzročil bolj nežno vrtinčenje. Izboljšanje prenosa toplote je razmeroma skromno-običajno 50-80 % nad vrednostjo navadne cevi, vendar je kazen padca tlaka sorazmerno manjša, pogosto samo 100-200 % višja.

Razmerje nagiba zvitega traku in zmogljivost prenosa toplote PTFE ni-linearno povezana. Zmanjšanje razmerja korakov s 6 na 2 ima za posledico nesorazmerno znatno povečanje prenosa toplote in trenja. Zato optimalno razmerje naklona ni nastavljena številka, temveč je popolnoma odvisno od dovoljene moči črpanja in želene toplotne moči.

Praktična priporočila za načrtovanje PTFE cevi
V primeru PTFE cevi je pogosto izbrano razmerje naklona 3 do 5, če padec tlaka ni omejevalni dejavnik. To območje predstavlja dober kompromis: povečanje koeficienta prenosa toplote za približno 80-120 % s povečanjem padca tlaka za 200-350 %. Na splošno so te vrednosti dopustne v večini kemičnih procesov, še posebej, če je cev zmerne dolžine (npr. toplotni izmenjevalniki z lupino in cevjo ali s potopno tuljavo).

Upoštevati je treba, da imajo same PTFE cevi razmeroma nizko toplotno prevodnost (ca. 0.25 W/mK). Na splošno je glavna toplotna odpornost v steni cevi ali notranjem filmu tekočine. Uporaba vložka zvitega traku z ustreznim razmerjem naklona lahko znatno zmanjša notranji upor filma in tako premakne nadzorni upor na drugo stran toplotnega izmenjevalnika. Zaradi tega je celotna zasnova bolj uravnotežena in stroškovno učinkovita.

Za aplikacije, kjer je padec tlaka zelo omejen, kot so gravitacijski-sistemi ali nizkotlačni-plinski grelniki, se lahko izbere visoko razmerje naklona od 6 do 8. To zagotavlja dovolj vrtinčenja, da omeji laminarni tok in poveča radialno mešanje, vendar je trenje še sprejemljivo.

Alternativno se lahko izbere razmerje naklona 2 do 3, če je potreben največji prenos toplote ne glede na izgubo tlaka (npr. pri ogrevanju z visoko viskoznostjo ali kjer so stroški črpanja zanemarljivi). V tem primeru se lahko koeficient toplotne prehodnosti poveča tudi za 150%. Projektant mora zagotoviti, da lahko črpalka ali puhalo zagotovi višjo tlačno višino.

Nadaljnji inženirski premisleki
Dolžina toplotnega vhoda je dodatno zmanjšana z vložki zvitega traku v PTFE cevi, kar omogoča popolnoma razvito turbulentno-podobno obnašanje tudi pri nizkih Reynoldsovih številih (Re < 2000). To je še posebej uporabno pri počasnih tokovih ali v ceveh z majhnim premerom, kjer bi prava turbulenca zahtevala nepraktične hitrosti pretoka.

Upoštevati morate tolerance pri izdelavi. Snov PTFE je bolj prožna, zaradi česar je težje izdelati tesno zvit trak (nizko razmerje koraka). Za zelo nizka razmerja naklona (pod približno 2,5) je na splošno prednost PFA zaradi svoje večje togosti in boljšega zadrževanja zasukane oblike pri naraščajočih temperaturah.

Razmerje naklona vpliva tudi na čiščenje in vzdrževanje. Trakovi z zelo nizkim razmerjem naklona (tesni zavoji) ponavadi hitreje zbirajo delce in jih je težje odstraniti za čiščenje. Večinoma razmerje naklona 4 ali več daje dovolj odprto aksialno pot za prehod odpadkov ali za vstavljanje čistilnega prašiča.

Povzetek
Razmerje naklona vložka zvitega traku je glavni konstrukcijski vzvod za nadzor prenosa toplote proti kompromisu zaradi padca tlaka-v PTFE ceveh. Močno vrtinčenje in visoko{2}}izboljšanje prenosa toplote se doseže z nižjim razmerjem nagiba (močnejši zasuk) za ceno velikega povečanja izgub zaradi trenja. Višja razmerja naklona (ohlapnejši zasuki) povzročijo mehkejše, energijsko-učinkovitejše ojačenje. Razmerje naklona med 3 in 5 zagotavlja odlično ravnotežje za večino aplikacij za ravnanje z jedkimi tekočinami. Optimizacija oblike vložka, vključno z razmerjem naklona, ​​je še vedno ključni dejavnik pri izboljšanju delovanja izmenjevalnika toplote brez ogrožanja kemične združljivosti ali celovitosti materiala.