W jaki sposób rurki PTFE z wgłębieniami lub karbowanymi poprawiają przenoszenie ciepła bez dodatkowych wkładek?

Wgłębienia, pofałdowania lub spirale można wykonać bezpośrednio na samej rurze, zamiast dodawać oddzielne urządzenie. Te zintegrowane elementy pomagają przerwać przepływ i zwiększyć przenoszenie ciepła bez ryzyka poluzowania się wkładki lub utworzenia przeszkody.

Dlaczego należy wziąć pod uwagę wzmocnienie pasywne poprzez geometrię rury
W wielu procesach chemicznych i farmaceutycznych niezawodność wymienników ciepła jest równie ważna, jak ich wydajność cieplna. Tradycyjne metody ulepszania, takie jak skręcona taśma lub wkładki zwojowe z drutu, mają wewnętrzne elementy podatne na migrację, zmęczenie lub zanieczyszczenia. Innym podejściem jest zmiana samej ściany rury. Wgłębienia lub karbowane rurki PTFE mają chropowatość lub falistość powierzchni, która jest nieodłączną cechą rurki. Brak odrębnych elementów oznacza, że ​​ryzyko uszkodzenia mechanicznego, uwięzienia wkładki lub zablokowania przepływu jest prawie zminimalizowane.

Metoda ta jest szczególnie atrakcyjna w przypadku płynów zawierających zawieszone ciała stałe, zawiesiny krystaliczne lub media podatne na polimeryzację. W przypadku tak wymagających zastosowań wykorzystuje się wgłębioną lub karbowaną gładką rurę wewnętrzną, aby wytworzyć turbulencje bez szczelin, w których mogłyby gromadzić się zanieczyszczenia.

Jak wgłębienia i pofałdowania zakłócają przepływ
Wgłębiona lub karbowana rurka PTFE to rurka, która ma na swojej długości szereg okresowych wgłębień, wgłębień lub naprzemiennych rozszerzań i skurczów lub pofałdowań. Gdy płyn przepływa przez te różnice geometryczne, warstwa graniczna przylegająca do ściany ulega sukcesywnemu rozrywaniu i-odbudowywaniu. Za każdym wgłębieniem lub pofałdowaniem tworzą się wirujące wiry, powodując promieniowe mieszanie płynu rdzeniowego z obszarem ścianki. Mieszanie skutecznie rozrzedza termiczną warstwę graniczną, a tym samym poprawia współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła.

Mechanizm wzmacniający jest zupełnie inny niż w przypadku wkładki ze skręconą taśmą. Skręcona taśma zapewnia stały spiralny wir, ale wgłębienia i pofałdowania tworzą lokalne okresowe turbulencje. Uzyskana w ten sposób wydajność przenikania ciepła z karbowanej rurki PTFE z wgłębieniami jest ogólnie bardziej umiarkowana — w zakresie 20–60% poprawy w porównaniu z gładką rurką — ale przy proporcjonalnie mniejszym wzroście spadku ciśnienia, zwykle w zakresie 30–100%.

W praktyce parametry geometryczne (głębokość wgłębienia, podziałka i wysokość pofałdowania) można ustawić tak, aby uzyskać kompromis- pomiędzy zyskiem w wyniku wymiany ciepła a stratą tarcia. Krótsze pofałdowania lub głębsze wgłębienia generują silniejsze turbulencje, ale zapewniają także większy opór. Dłuższe, płytsze wzory zapewniają płynniejszy przepływ z bardziej umiarkowanym wzmocnieniem.

Zalety oddzielnych wkładek
Wgłębienia lub karbowane rurki PTFE mają różne praktyczne zalety w porównaniu ze skręconą taśmą lub innymi luźnymi wkładkami:

trwałe tworzenie się geometrii płytki w ściance rury. Brak ryzyka migracji wkładki: nie ma możliwości, aby wkładka przesunęła się w dół, uszkodziła końce rury lub dotknęła arkusza tuby.

Brak dodatkowego oporu stykowego: W przypadku oddzielnej wkładki rezystancja termiczna występuje pomiędzy wkładką a ścianką rury. Nie ma żadnego dodatkowego oporu, ponieważ nie ma połączenia z integralnymi wgłębieniami lub pofałdowaniami.

Łatwe sprawdzanie i czyszczenie Wnętrze rury falistej jest nadal otwartym, niezakłóconym kanałem. Zwykle wystarczające jest przejście świni czyszczącej lub szczotki. Czyszczenie tuby skręconą taśmą może wymagać usunięcia wkładki.

Zmniejszone niebezpieczeństwo zużycia mechanicznego: Wirujące wkładki mogą z czasem powodować wibracje i ścieranie ścianki rurki PTFE, szczególnie przy wyższych prędkościach przepływu. Geometria integralna nie charakteryzuje się ruchem względnym pomiędzy rurą a elementem wzmacniającym.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) wkład z taśmy skręcanej jest lepszy niż tuby z wgłębieniami lub karbowanymi. Jednakże konstrukcja z integralną rurką jest popularnym wyborem w zastosowaniach, w których dopuszczalne są niewielkie ulepszenia, a niezawodność ma ogromne znaczenie.

Przetwarzanie PTFE
Rury faliste i z wgłębieniami są powszechnie stosowane w metalowych wymiennikach ciepła (np. ze stali nierdzewnej, miedzi). Do ich zastosowania do PTFE potrzebne są pewne unikalne procedury wytłaczania lub termoformowania. PTFE nie można przetwarzać w stanie stopionym jak tworzywa termoplastyczne. PTFE jest zazwyczaj wytłaczany metodą tłoczenia lub wytłaczany w formie pasty. Po spiekaniu PTFE można zastosować metodę wykrawania obrotowego-, aby uzyskać dokładne wgłębienia lub pofałdowania, albo do wyciągania rury można zastosować szereg podgrzewanych matryc. Ciągłe karbowane rurki PTFE są dostępne na rynku od wyspecjalizowanych producentów w przypadku niewielkich średnic (zwykle 6–25 mm).

Kontrola grubości ścianki musi być bardzo rygorystyczna. Ściana może być zbyt cienka i może zapaść się pod ciśnieniem wewnętrznym na szczytach pofałdowań; ścianka może być zbyt gruba i podatność na zginanie potrzebna do wytworzenia ciasnego pofałdowania jest zmniejszona. Grubość ścianek falistych rur wymienników ciepła z PTFE mieści się zazwyczaj w zakresie od 0,8 do 2,0 mm, w zależności od średnicy i ciśnienia.

Wpływ reżimu przepływu i utraty ciśnienia
W przepływie laminarnym (Re < 2000) istotny wpływ ma obecność wgłębień i pofałdowań. Nawet przy niskich liczbach Reynoldsa powodują one wczesne przejście do niestabilnego,-zdominowanego przez mieszanie reżimu przepływu, co zwiększa liczbę Nusselta o 40–80% w porównaniu z gładką rurką. Ważna jest także kara za utratę ciśnienia, ponieważ przepływ jest zmuszony do ciągłego przyspieszania i zwalniania.

W przepływie turbulentnym (Re > 4000) względna poprawa jest - często 20-40% - ponieważ naturalna turbulencja już zapewnia skuteczne mieszanie. Jednakże procentowy wzrost spadku ciśnienia jest zwykle niższy. Prawidłowo skonstruowana rura z wgłębieniem może mieć współczynnik wydajności cieplnej (stosunek poprawy przenikania ciepła do wzrostu tarcia do 1/3 mocy) lepszy niż 1,2, co wskazuje na oszczędność energii netto w porównaniu z rurą gładką przy tej samej mocy pompowania.

Poniższa tabela podsumowuje typowe zakresy wydajności rurek PTFE z wgłębieniami lub karbowanymi w porównaniu z gładkimi rurkami PTFE na bazie płynów podobnych do wody w Re=2000-5000.

Parametr Typowy zakres poprawy Poprawa liczby Nusselta (współczynnika przenikania ciepła) ++20% do +60%
Wzrost współczynnika tarcia (spadek ciśnienia) o +30% do +100%
Współczynnik wydajności cieplnej (η) 1,1-1,3 Wniosek
Wgłębienia lub karbowane rurki PTFE oferują prosty, pasywny sposób poprawy przewodzenia ciepła przy bardzo dobrej niezawodności. Rury zaprojektowano tak, aby tworzyły integralną geometrię powierzchni, która przerywa warstwę graniczną i sprzyja mieszaniu promieniowemu, co skutkuje umiarkowanym (20-60%) wzrostem wymiany ciepła bez ryzyka migracji wkładek, rezystancji styku lub problemów z czyszczeniem. Kształt ten jest szczególnie przydatny w zastosowaniach zawierających cząstki, kryształy lub płyny zanieczyszczające, gdzie oddzielne wkładki byłyby problematyczne. Geometria rur pozostaje krytycznym aspektem przy projektowaniu wymienników ciepła, a dzięki PTFE, wgłębienia lub kształty faliste oferują atrakcyjne połączenie wydajności, łatwości czyszczenia i długotrwałej odporności.