W jaki sposób współczynnik podziałki wkładki ze skręconej taśmy wpływa na przenoszenie ciepła w rurkach PTFE?

Skręcona taśma umieszczona w rurce PTFE generuje przepływ wirowy, który zwiększa przenikanie ciepła. Stopień tego zawirowania i wynikający z niego kompromis w zakresie wydajności są bezpośrednio kontrolowane przez współczynnik skoku skrętu - reprezentowany jako szczelność skrętu.

Jaki jest współczynnik podziałki we wkładkach ze skręconej taśmy?
Współczynnik podziałki to stosunek długości niezbędnej do wykonania jednego pełnego skrętu o 360 stopni (długość podziałki) do szerokości taśmy. Na przykład taśma wykonująca jeden pełny obrót na dystansie równym jej własnej szerokości ma współczynnik podziałki równy 1. Jeśli taśma nawinie się całkowicie na długości pięciokrotnie przekraczającej jej szerokość, współczynnik podziałki wynosi 5. Niski współczynnik podziałki=bardzo ciasny, gwałtowny skręt. Wysoki współczynnik nachylenia=luźniejszy, bardziej miękki skręt.

W rzeczywistości wkładki ze skręconej taśmy do rurek PTFE są zbudowane z PTFE lub PFA (perfluoroalkoksyalkanu), aby zapewnić pełną kompatybilność chemiczną z wysoce korozyjnymi płynami procesowymi. Gwarantuje to brak zanieczyszczeń metalicznych lub problemów z korozją galwaniczną, nawet w przypadku silnych kwasów, rozpuszczalników lub ultraczystych mediów.

Wpływ współczynnika podziałki na zawirowanie i przenoszenie ciepła
Gdy płyn przepływa przez rurkę zawierającą skręconą taśmę, taśma popycha strumień, tworząc spiralny wzór. Wir ten generuje siły odśrodkowe, które kierują cięższy płyn w stronę ścianki rury, skutecznie rozrzedzając termiczną warstwę graniczną. Odpowiada to większemu współczynnikowi konwekcyjnego przenikania ciepła lub wyższej liczbie Nusselta.

Stosunek wysokości jest bezpośrednio odpowiedzialny za siłę zawirowania. Silniejsza składowa prędkości stycznej jest spowodowana mocniejszym skręceniem (niższy współczynnik podziałki, np.. 2). Tak, że poprawa przenikania ciepła, zwykle określana jako stosunek liczby Nusselta z wkładką do liczby zwykłej rury, może wynosić do 150% lub więcej. Jednakże to szybkie wirowanie prowadzi również do znacznie większego tarcia płynu, co prowadzi do ogromnego wzrostu spadku ciśnienia, często w zakresie 200-600% w porównaniu z pustą rurą.

Z drugiej strony luźniejszy skręt (wyższy współczynnik wysokości, np.. 5 lub 6) da delikatniejszy zawirowanie. Poprawa przenikania ciepła jest stosunkowo niewielka,-zwykle 50-80% w porównaniu z rurą zwykłą, ale spadek ciśnienia jest proporcjonalnie mniejszy, często tylko o 100–200% większy.

Współczynnik podziałki skręconej taśmy i wydajność przenoszenia ciepła PTFE nie są-liniowo powiązane. Zmniejszenie współczynnika podziałki z 6 do 2 powoduje nieproporcjonalnie znaczny wzrost zarówno wymiany ciepła, jak i tarcia. Dlatego optymalny współczynnik podziałki nie jest wartością ustaloną, ale całkowicie zależy od dopuszczalnej mocy pompowania i pożądanego obciążenia cieplnego.

Praktyczne zalecenia projektowe dla rurek PTFE
W przypadku rurek PTFE często wybiera się stosunek podziałki od 3 do 5, jeśli spadek ciśnienia nie jest czynnikiem ograniczającym. Zakres ten stanowi dobry kompromis: wzrost współczynnika przenikania ciepła o około 80-120% przy wzroście spadku ciśnienia o 200-350%. Ogólnie rzecz biorąc, wartości te są tolerowane w większości zastosowań w procesach chemicznych, szczególnie gdy długość rury jest umiarkowana (np. wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe lub z wężownicą zanurzeniową).

Należy zauważyć, że same rurki PTFE mają stosunkowo niską przewodność cieplną (około. 0.25 W/mK). Ogólnie rzecz biorąc, główny opór cieplny występuje w ściance rury lub wewnętrznej warstwie płynu. Zastosowanie wkładki z taśmy skręcanej o odpowiednim współczynniku podziałki może znacznie zmniejszyć opór folii wewnętrznej, a co za tym idzie przesunąć opór kontrolny na drugą stronę wymiennika ciepła. Dzięki temu cały projekt jest bardziej zrównoważony i opłacalny.

Wysoki współczynnik podziałki wynoszący 6 do 8 można wybrać do zastosowań, w których spadek ciśnienia jest bardzo ograniczony, takich jak systemy zasilane grawitacyjnie lub nisko-nagrzewnice gazowe. Zapewnia to wystarczające zawirowanie, aby ograniczyć przepływ laminarny i zwiększyć mieszanie promieniowe, ale zmniejszenie tarcia jest nadal tolerowane.

Alternatywnie, można wybrać stosunek podziałki 2 do 3, jeśli wymagane jest maksymalne przenoszenie ciepła niezależnie od utraty ciśnienia (np. przy ogrzewaniu o wysokiej lepkości lub gdy koszty pompowania są znikome). W takich przypadkach współczynnik przenikania ciepła można zwiększyć nawet o 150%. Projektant musi zapewnić, że pompa lub dmuchawa będzie w stanie zapewnić wyższą wysokość ciśnienia.

Dalsze rozważania inżynieryjne
Długość wejścia termicznego jest dodatkowo zmniejszona dzięki wkładkom ze skręconej taśmy w rurkach PTFE, co zapewnia w pełni rozwinięte zachowanie-podobne do turbulentnego nawet przy niskich liczbach Reynoldsa (Re < 2000). Jest to szczególnie przydatne w przypadku powolnych przepływów lub rur o małej średnicy, gdzie prawdziwa turbulencja wymagałaby niepraktycznych prędkości przepływu.

Należy wziąć pod uwagę tolerancje produkcyjne. Substancja PTFE jest bardziej elastyczna, co utrudnia wykonanie ciasno skręconej taśmy (niski współczynnik podziałki). W przypadku bardzo niskich współczynników podziałki (poniżej około 2,5) ogólnie preferowany jest PFA ze względu na jego wyższą sztywność i lepsze zachowanie kształtu skrętu w rosnących temperaturach.

Stosunek podziałki wpływa również na czyszczenie i konserwację. Taśmy o bardzo niskim współczynniku podziałki (mocno skręcone) mają tendencję do łatwiejszego zbierania cząstek i trudniej je usunąć do czyszczenia. W większości przypadków stosunek podziałki wynoszący 4 lub więcej zapewnia wystarczająco otwartą drogę osiową, aby umożliwić przejście odpadów lub wprowadzenie tłoka czyszczącego.

Streszczenie
Stosunek podziałki wkładki ze skręconej taśmy jest główną dźwignią konstrukcyjną kontrolującą przenoszenie ciepła w porównaniu ze spadkiem ciśnienia-w rurkach PTFE. Silne zawirowanie i duże-zwiększenie przenikania ciepła uzyskuje się przy niższym współczynniku podziałki (większy skręt) za cenę dużego wzrostu strat tarcia. Wyższe współczynniki wysokości dźwięku (luźniejsze skręty) skutkują bardziej miękkim i bardziej-energooszczędnym wzmocnieniem. Stosunek podziałki od 3 do 5 zapewnia doskonałą równowagę w przypadku większości zastosowań związanych z obsługą płynów korozyjnych. Optymalizacja kształtu płytki, w tym współczynnik podziałki, jest nadal kluczowym czynnikiem poprawiającym wydajność wymiennika ciepła bez uszczerbku dla kompatybilności chemicznej i integralności materiału.