Kakšna je učinkovitost spiralnih vzmetnih turbulatorjev v PTFE toplotnih izmenjevalnikih?

Ta osnovna žična tuljava v-oblikovane vzmeti, nameščena v PTFE cev, lahko služi za znatno izboljšanje prenosa toplote. Tuljava prekine tok na steni cevi, vendar ne ovira središča, v nasprotju s trdnim zvitim trakom. To vodi do drugačnega ravnovesja uspešnosti. Ta pasivna tehnologija za povečanje prenosa toplote je še posebej uporabna za toplotne izmenjevalnike PTFE, v katerih omejena toplotna prevodnost samega polimera (≈0,25 W/m·K) omejuje skupne koeficiente prenosa toplote. Sklop toplotnega izmenjevalnika spiralnega vzmetnega turbulatorja PTFE prekine mejno plast na strani cevi in ​​povzroči velike izboljšave toplotne učinkovitosti.

Razumevanje geometrije spiralnega vzmetnega turbulatorja
Spiralni vzmetni turbulator je vijačno navita žična tuljava, ki se tesno prilega notranjemu premeru PTFE cevi. Tuljava je definirana s tremi geometrijskimi parametri:

Premer žice (d_w) – običajno 1-3 mm, odvisno od velikosti cevi

Korak tuljave (p) – osni razmik med sosednjimi zavoji

Zunanji premer tuljave (D c): nekoliko manjši od notranjega premera cevi (D i) za vstavljanje

Učinkovitost turbulatorja je določena z razmerjem med premerom žice in premerom cevi (dw /D i ) in razmerjem med korakom in premerom (p/D i ). Splošni standardi načrtovanja kažejo, da je optimalna zmogljivost dosežena za dw / D i med 0,1 in 0,2 ter p / D i med 1 in 3.

Tuljava je lahko izdelana iz številnih materialov, odvisno od tekočine, ki se obdeluje. Za korozivne vodne ali kislinske tokove se predlaga kovinska žica s prevleko iz PTFE- ali trdna tuljava iz monofilamenta iz PTFE. Za manj abrazivne tekočine, pri katerih onesnaženje s kovino ni težava, se lahko uporabijo žice iz visoko zlitin (npr. nerjavno jeklo 316L, Hastelloy C-276). V vseh fluoropolimernih sistemih vzmet PFA ali PTFE zagotavlja popolno kemično odpornost.

Mehanizem ločevanja mejne plasti
V gladki cevi pod laminarnim ali nizkim{0}}Reynoldsovim-številom je na steni cevi oblikovana stacionarna mejna plast (laminarna podplast). Ta tanka plast je glavna odpornost proti prenosu toplote. To podplast mora prečkati samo prevodnost, kar je neučinkovito.

Izklop mejne-plasti je spiralni vzmetni turbulator. Ko tekočina teče skozi cev, vsak obrat tuljave povzroči lokalno ločitev toka, vrtince in radialno mešanje. Pomembno je, da tuljava ne blokira središča cevi - pretok jedra je v bistvu neoviran. To je spiralna vzmet namesto trdnega zvitega traku, zaradi česar celotna tekočina teče v vrtinčnem gibanju in pogosto vodi do mrtve cone okoli središča traku.

Glavni učinek vzmeti se pojavi v bližini stene cevi. Na točki največjega toplotnega upora tuljava občasno razbije rastočo mejno plast, kar poveča turbulentno mešanje. V eksperimentalni primerjavi je bilo dokazano, da lahko dobro-zasnovana vzmetna tuljava poveča Nusseltovo -število (Nu) na strani cevi za 2- do 3-krat v primerjavi z gladko cevjo v enakih okoliščinah toka.

Izmerjena zmogljivost: Nusseltovo število in padec tlaka
Kompromis-med izboljšanjem prenosa toplote in izgubo tlaka je vedno viden. Tipični razponi, opisani v -strokovno pregledanih študijah za spiralne vzmetne turbulatorje, so v Reynoldsovih številkah od 500 do 10.000:

Parameter Gladka cev s spiralno vzmetjo
Nusseltovo število (Nu) Osnovno (1 ×) 2–3 × povečanje
Faktor trenja (f) Osnovna linija (1x) 3-6x povečanje
Faktor izboljšanja je močno odvisen od geometrije tuljave. Manjši naklon (nižji p/D_i) povzroči pogostejše motnje pretoka in s tem višji Nu, a tudi večji padec tlaka. Po drugi strani pa bolj sproščena tuljava zmanjša pritisk na najmanjšo možno mero, a kljub temu prinese znatno izboljšavo.

Zasnova tuljave je nastavljiva rešitev: za določeno uporabo je mogoče izbrati korak in premer žice, da zadostita omejitvam postopka glede dovoljenega padca tlaka. Največji prenos toplote je dosežen s tesno navitjem za čiste tekočine in kjer je dovolj črpalna sila. Za viskozno tekočino ali tekočino, občutljivo na striženje, ohlapnejša tuljava zagotavlja bolj nežno mešanje.

Prednosti trdnih zvitih trakov
Spiralni vzmetni turbulator ima nekaj praktičnih prednosti pred vložkom s trdnim zvitim trakom:

Zmanjšana nagnjenost k obraščanju - Izvir ne proizvaja popolnoma zaprtih stoječih območij, kar pomeni, da je manj verjetno, da se bodo usedli suspendirani delci ali oborine trdne snovi. Trden trak, zlasti v vodoravni cevi, lahko zagotovi nizko-območje pretoka v "senci" traku, kjer se začne obraščanje. Odprta struktura vzmeti omogoča neprekinjeno čiščenje tekočine.

Enostavnejša namestitev in demontaža - Vzmetno tuljavo je mogoče preprosto vstaviti v cev in na koncih vpeti. Za naknadno vgradnjo je mogoče obstoječe PTFE cevi izmenjevalnika toplote naknadno namestiti na vzmeti brez trajnih sprememb. Čiščenje je enostavno, samo izvlecite tuljavo, jo očistite in vstavite nazaj.

Manjši stroški materiala - V žični tuljavi je veliko manj materiala v primerjavi s trdnim trakom, zlasti za dolge cevi. Če so potrebne drage zlitine ali fluoropolimeri, je razlika v stroških znatna.

Združljivost PTFE cevi - PTFE cevi imajo visok koeficient toplotne razteznosti. Trden trak, ki se prilega pri sobni temperaturi, lahko pri delovni temperaturi postane pretesen in poškoduje cev. Vzmetna tuljava je prožna in lahko sprejme spremembe dimenzij brez razvoja prekomerne radialne sile.

Praktično minimalno Reynoldsovo število 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) naravna turbulenca že učinkovito moti mejno plast in povečana korist tuljave je zmanjšana glede na dodatni padec tlaka. Turbulatorji s spiralno vzmetjo so zato najprimernejši za PTFE toplotne izmenjevalnike, ki delujejo z viskoznimi tekočinami, tokovi z nizko hitrostjo pretoka ali kompaktnimi geometrijami, za katere je naravno značilen nizek pretok.

V poskusih vidimo, da faktor povečanja upada z naraščanjem Reynoldsovega števila. Pod Re $\\približno $ 200 lahko tuljava še poveča prenos toplote z ustvarjanjem blagih sekundarnih tokov, vendar je učinek manj osupljiv kot v laminarnem-v-turbulentnem prehodnem območju.

Aplikacije za naknadno vgradnjo in komercialna dostopnost
Komercialno dostopni spiralni vzmetni turbulatorji so na voljo pri številnih proizvajalcih komponent toplotnih izmenjevalcev. Običajni premeri PTFE cevi (notranji premer 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm in 20 mm) so na voljo kot standardni modeli. Za izpolnjevanje specifičnih potreb postopka je mogoče izdelati posebne širine in korake žice.

Običajna situacija ponovne vgradnje je obstoječi toplotni izmenjevalnik-in-cevi iz PTFE, ki ne deluje dobro zaradi nizkih koeficientov prenosa toplote-na strani cevi. Namesto da bi obnovili celoten izmenjevalnik, vstavite turbulatorje v vsako cev. Namestitev se običajno izvede med načrtovanim izpadom zaradi vzdrževanja. Povečanje skupnega koeficienta toplotnega prehoda (U) zagotavlja bodisi večjo pretočnost bodisi manjšo porabo toplote ali manjšo potrebno površino za novo zasnovo.

Zaključek: enostavna in učinkovita pomoč pri namestitvi
Turbulatorji s spiralno vzmetjo so preprosta za namestitev in učinkovita izbira za izboljšanje prenosa toplote iz PTFE cevi, zlasti pri čistih storitvah. Vložki revolucionirajo toplotno zmogljivost PTFE toplotnih izmenjevalcev z nizko-prevodnostjo, tako da povečajo Nusseltovo število-na strani cevi za 2- do 3-kratni faktor pri razumnem 3- do 6-kratnem znižanju tlaka. Razporeditev izmenjevalnika toplote iz PTFE spiralnega vzmetnega turbulatorja je odprta, brez-umazanije in uporablja prožen material (PTFE, PFA ali legirano žico), zaradi česar je primerna za korozivne aplikacije, visoke-čistosti in naknadno opremljanje.

Na voljo so številne oblike turbulatorjev za različne namene, vključno z zvitimi trakovi, žičnimi mrežami in statičnimi mešalniki. Spiralna vzmet ima posebno nišo, zmerno izboljšavo, nizko onesnaženje in preprosto namestitev. Spiralni vzmetni turbulator si zasluži veliko pozornosti s strani procesnih inženirjev, ki iščejo pasiven način-vzdrževanja za optimizacijo prenosa toplote ob ohranjanju kemične odpornosti.