Czy falisty lub spiralny kształt rurki PFA poprawia dystrybucję ciepła w kąpielach olejowych o niskim-przepływie i wysokiej-lepkości?

Zarządzanie temperaturą w łaźniach olejowych o wysokiej-lepkości, np. stosowanych w produkcji polimerów, obróbce cieplnej i osłonach reaktorów chemicznych, stanowi ciągłe wyzwanie: olej przepływa powoli (sama konwekcja naturalna lub recyrkulacja przy niskim-przepływie) i jest odporny na mieszanie. W takiej atmosferze prosty grzejnik rurowy PFA wytwarza ograniczoną chmurę podgrzanego oleju wznoszącą się pionowo, pozostawiając znaczną objętość kąpieli w niższej temperaturze. Różnica temperatur między powierzchnią grzejnika a olejem w masie wynosi czasami ponad 30-40 stopni, co powoduje przyspieszoną degradację PFA w gorących obszarach. Teoretycznie falista lub spiralnie zakrzywiona rura PFA zapewnia lepszą dystrybucję ciepła poprzez przepływy wtórne i przerwanie warstwy bariery termicznej. Stopień, w jakim ta zmiana kształtu daje zauważalną poprawę, zależy od lepkości oleju w temperaturze roboczej, geometrii zbiornika i dopuszczalnego spadku ciśnienia w układach z wymuszonym przepływem.

Zmiana wzorca przepływu w geometrii śrubowej
Płyn przepływający w i wokół spiralnej rurki PFA (zwiniętej jak sprężyna) lub sinusoidalnej rurki (faliste zagięcia w jednej płaszczyźnie) poddawany jest działaniu sił odśrodkowych. Metodą wymiany ciepła w spoczynkowej kąpieli olejowej jest konwekcja naturalna. W przypadku prostej rury pionowej naturalny przepływ konwekcyjny ma charakter wyłącznie osiowy i tylko jedna kolumna podgrzanego oleju wznosi się do góry. Z drugiej strony spiralna rurka ma zakrzywione powierzchnie, które w miarę unoszenia się oleju wyginają się na zewnątrz. Pomiary prędkościomierza obrazu cząsteczkowego w oleju silikonowym o 1000 cP w temperaturze 120 stopni wskazują, że spiralna rurka PFA (cewka o średnicy 100 mm i wysokości 200 mm) tworzy wirujący toroidalny wzór przepływu wokół grzejnika. Ogrzany olej unosi się spiralnie, a następnie opada w dół po ściankach zbiornika, tworząc komorę cyrkulacyjną na dużą skalę, która zajmuje 70–80% objętości zbiornika. Cyrkulacja ta obniża maksymalną różnicę temperatur w zbiorniku z 25–30 stopni (dla prostej rury) do 10–15 stopni (dla spirali) przy tej samej mocy wejściowej.

Wzmocnienie wzrasta wraz ze wzrostem liczby Deana, bezwymiarowej wielkości mierzącej siłę przepływu wtórnego w zakrzywionych rurach. W przypadku oleju o lepkości przekraczającej 10 000 cP w temperaturze roboczej liczba Deana jest mniejsza niż 5, a przepływ wtórny jest minimalny. W tych bardzo lepkich olejach kształt spiralny nie zapewnia lepszej dystrybucji ciepła w porównaniu z prostą rurką, ponieważ pęd płynu nie powoduje cyrkulacji przepływu krzyżowego. Praktyczna górna granica lepkości dla korzyści śrubowych wynosi około 8 000-10 000 cP. Lepkość musi być mniejsza niż 1000 cP, aby przepływ wtórny był wystarczająco mocny, aby naruszyć integralność osłony PFA w wyniku miejscowej erozji na zewnętrznym promieniu zagięć.

Jednorodność temperatury powierzchni i zaburzenie warstwy granicznej
Falisty kształt rurki (sinusoidalny o amplitudzie 30-50 mm i długości fali 100-150 mm) oddziałuje z termiczną warstwą graniczną w inny sposób niż spirala. Gdy olej przepływa po pofałdowanej powierzchni (w wyniku naturalnej konwekcji lub kontrolowanego przepływu), części wypukłe i wklęsłe tworzą gradienty ciśnienia, które powodują rozdzielenie przepływu i ponowne połączenie. Każda fala generuje małą strefę recyrkulacji po dolnej stronie wypukłego piku, która ma długość 3-5 średnicy. Te strefy recyrkulacji transportują chłodniejszy olej ze strumienia masowego w kierunku powierzchni grzejnika i zmniejszają grubość lokalnej warstwy granicznej o 30-50% w porównaniu z obudową z prostą rurą. Eksperymenty z termoparą na falistym grzejniku PFA w oleju 5000 cP w temperaturze 150 stopni wykazały, że temperatura powierzchni zmienia się o ±4–6 stopni na całej długości w porównaniu z ±12–18 stopni w przypadku prostego grzejnika o tej samej powierzchni całkowitej. Zwiększona jednorodność temperatury bezpośrednio poprawia trwałość PFA poprzez zmniejszenie szczytowej temperatury powierzchni. Maksymalna temperatura powierzchni zostaje obniżona o około 10 stopni, co powoduje zmniejszenie szybkości rozkładu PFA o 40–50% (zgodnie z kinetyką Arrheniusa).

Falistość narzuca praktyczne ograniczenie: minimalny promień zgięcia rury powinien być większy niż 8–10-krotność średnicy rury, aby zapobiec nadmiernej koncentracji naprężeń w PFA. W przypadku rur PFA o średnicy 12 mm możliwy jest kształt falisty o promieniu gięcia 60 mm. Większy promień (30 mm) powoduje miejscowe pocienienie ścianki PFA na zewnętrznym zakręcie, co zmniejsza wytrzymałość mechaniczną o 20–30% i zwiększa niebezpieczeństwo przenikania. Producenci falistych lub spiralnych grzejników z PFA muszą stosować gięcie trzpieniowe z kontrolowaną temperaturą, aby zapobiec zawaleniu się ściany. Awarie w miejscu pracy wygiętych grzejników PFA zwykle powstają w nieograniczonych zagięciach o promieniu mniejszym niż 6x średnica rury.

Przewodnik po wyborze kształtu do zastosowań
Lepkość Temperatura robocza i rodzaj oleju Stan przepływu Preferowany kształt rury Przewidywana poprawa jednolitości temperatury Główne ograniczenie
Olej lekki (100–500 cP), 80–120 stopni Tylko konwekcja naturalna Spiralny (średnica cewki 8–10 razy większa od średnicy zewnętrznej rury) Zmniejsza ΔT zbiornika z 25 stopni do 10–12 stopni Przepływ wtórny powoduje erozję PFA powyżej 200 stopni
Konwekcja naturalna 120–150 stopni Średni olej (500–2 000 cP) Falisty (amplituda 4–6 × średnica zewnętrzna rury) zmniejsza gorące punkty powierzchniowe 8–12 stopni; Kluczowe znaczenie ma odstęp między falami; zbyt ciasne zmniejsza korzyści
Olej średni (500–2 000 cp) Niski wymuszony przepływ (Re 100–500) Spiralny z szerszą podziałką wężownicy Zwiększ współczynnik przenikania ciepła o 30 do 50 procent Spadek ciśnienia 2-3x prosta rura
Olej ciężki (2000–8000 cP), 150–180 stopni Konwekcja naturalna Prosta rura żebrowana lub wydłużona powierzchnia Przewaga śrubowa/falista jest niewielka (Dean<5)Change of shape not justified
Olej ciężki (10,000+ cP)Rura prosta; należy wziąć pod uwagę wiele krótkich grzejników. Brak znaczącej poprawy w wyniku formowania. Lepkość całkowicie tłumi przepływy wtórne
Dowolna lepkość, zbiornik z mieszadłem mechanicznym Wywoływana duża turbulencja Prosta rura (przeważające mieszanie) Kształtowanie kosztuje i nie daje żadnej wartości Mieszanie zapewnia już jednolitą temperaturę,
Zbiornik o małym przekroju-(ograniczona przestrzeń)Konwekcja naturalna Spiralna (mały profil pionowy)Poprawa kształtu jest ważniejsza niż oszczędność miejscaOceń poprawę równomierności prostych wielu grzejników
Wniosek: Kształt ma znaczenie tylko w reżimie średniej lepkości
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ wysoka lepkość płynu utrudnia przepływy wtórne, a zakrzywione rury nie są lepsze od prostych. Rury spiralne minimalizują gradienty temperatury w zbiorniku o 40 do 60 procent, a rurki faliste redukują gorące punkty na powierzchni o 30 do 50 procent w zakresie od 1000 do 5000 cP, zapewniając najlepszą wydajność. Zwiększona jednorodność bezpośrednio zwiększa żywotność grzejnika PFA poprzez obniżenie szczytowych temperatur powierzchni. Inżynierom rozważającym specyfikację grzejników do kąpieli olejowych o średniej lepkości zaleca się, aby przed przystąpieniem do produkcji zlecili modelowanie kształtowej rury metodą obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) w określonej geometrii zbiornika. Korzyści są silnie zależne od proporcji zbiornika i umiejscowienia grzejnika względem ścian. Powyżej 8000 cP należy zwrócić uwagę na kilka prostych grzejników i wymuszoną recyrkulację, a nie na skomplikowany kształt, ponieważ koszt spiralnej rurki PFA, która jest zwykle o 30-50% większa niż prosta, nie zwraca się w przypadku zwiększonej jednorodności.