Jak użycie wkładek ze skręconej taśmy wykonanych z materiału przewodzącego (np. metalu) wpływa na wydajność w porównaniu z wkładkami z PTFE?

Jest to prosta skręcona taśma PTFE, która wspomaga przenoszenie ciepła poprzez wirowanie przepływu. Metalowa taśma robi to samo, ale przenosi również ciepło ze ścianki rury do siebie, działając zasadniczo jak wewnętrzne żebro. Prowadzi to do wzmocnienia konwekcyjnego w stosunku do przewodzącego.

Dwa mechanizmy wkładki skręconej taśmy
Każda wkładka ze skręconej taśmy z dowolnego materiału tworzy spiralny kanał przepływowy w rurze. Wygenerowany wir wytwarza siły odśrodkowe, które popychają płyn w kierunku ścianki rury, powodując pocienienie termicznej warstwy granicznej i wzrost współczynnika konwekcyjnego przenikania ciepła. Sam ten mechanizm wirujący może zwiększyć liczbę Nusselta o 100-150% w stosunku do pustej rurki, w zależności od stosunku podziałki.

Dalszy efekt żeberkowy występuje, jeśli sama taśma jest materiałem przewodzącym ciepło (np. stal nierdzewna, Hastelloy, tytan, stopy miedzi). Taśma styka się bezpośrednio ze ścianką rury (zwykle pasowanie sprężynowe lub łagodne pasowanie wciskowe). ciepło przepływa do taśmy od gorącej ścianki i cały korpus taśmy jest podgrzewany. Następnie taśma dostarcza zmagazynowaną energię do przepływającego płynu z obu szerokich powierzchni. Daje to przekrój poprzeczny rury-dodatkową powierzchnię wymiany ciepła, przypominającą wewnętrzne żebro wzdłużne.

Działanie taśm przewodzących i nieprzewodzących
Skręcona taśma z-materiału nieprzewodzącego, takiego jak PTFE lub PFA, może zapewnić jedynie wzmocnienie wirowania konwekcyjnego. PTFE ma bardzo słabą przewodność cieplną (około. 0.25 W/mK), dlatego prawie nie dochodzi do przenoszenia ciepła ze ściany na taśmę. Taśma pozostaje w temperaturze zbliżonej do lokalnej cieczy i nie powoduje uderzeń żeberek.

Z drugiej strony metalowa taśma skręcona może mieć przewodność cieplną o rząd wielkości wyższą. Stal nierdzewna (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) lub miedź (~400 W/m·K). Przy dobrym kontakcie termicznym pomiędzy taśmą a ścianką rury, przewaga przewodności znacznie poprawia ogólny transfer ciepła. W układzie rurek PTFE z wkładką z przewodzącej skręconej taśmy efekt wirowania i żebra zwykle zapewnia dodatkowy wzrost przenoszenia ciepła o 20-30% w porównaniu z taśmą nieprzewodzącą przy tych samych warunkach przepływu.

W przypadku taśmy skręconej PTFE liczba Nusselta wzrasta o 120% (2,2 razy więcej niż w pustej tubie), ale dobrze-zaprojektowana taśma metalowa o tej samej geometrii może ją zwiększyć o 150-170% (2,5–2,7 razy). Rzeczywisty zysk zależy od grubości taśmy, przewodności cieplnej i właściwości płynu. Korzyść przewodzenia jest największa, gdy współczynnik folii na ściance rury jest już duży, tak że efekt żebra nie jest ograniczony przez rezystancję styku ściana-taśma.

Konkluzja: dobry kontakt termiczny
Aby uzyskać efekt płetwy, taśma metalowa powinna mieć ścisły kontakt termiczny z wewnętrzną ścianką rurki PTFE. Zwykle dokonuje się tego poprzez zwiększenie szerokości taśmy nieco większej niż wewnętrzna średnica rury, tak aby była ona włożona z pasowaniem sprężynowym. Wewnętrzna elastyczność metalowej taśmy (lub niewielki skręt o większym rozmiarze) dociska krawędzie taśmy do ścianki tuby. Jednak zbyt-ciasne dopasowanie może spowodować uszkodzenie rurki PTFE lub uniemożliwić jej założenie. Zbyt luźne dopasowanie tworzy szczelinę powietrzną, która jest dobrym izolatorem termicznym i niweluje efekt płetwy.

W praktyce metalowe taśmy skręcone do rurek PTFE są powszechnie produkowane o szerokości od 0,95 do 1,00 średnicy wewnętrznej rurki, przy użyciu spiralnego kształtu, aby zapewnić kontakt punktowy, a nie pełny kontakt liniowy. Rzeczywisty obszar kontaktu jest ograniczony, a skuteczność płetwy jest zmniejszona. Ale nawet jeśli kontakt jest tylko częściowy, przewodność nieznacznie wzrasta, ponieważ taśma pobiera ciepło w miejscach styku i przenosi je wzdłuż swojej długości. Bardziej wyrafinowane konstrukcje wykorzystują grubszą taśmę lub zagiętą krawędź, aby poprawić powierzchnię styku.

Ryzyko korozji i zanieczyszczenia
Jednym z głównych zagrożeń, które należy kontrolować, jest korozja galwaniczna i zanieczyszczenie metalami. Nawet jeśli sama taśma metalowa została wybrana pod kątem kompatybilności z płynem procesowym (np. Hastelloy C-276 w przypadku agresywnych chlorków lub tytan w przypadku kwasów utleniających), wprowadzenie elementu metalowego do rurki PTFE stwarza dwa potencjalne scenariusze awarii.

Po pierwsze, jeśli płyn procesowy powoduje korozję metalu w temperaturze roboczej, taśma będzie korodować powoli. Produkty korozji (jony lub cząstki metali) mogą przedostać się do płynu i zanieczyścić produkt. Jest to niewłaściwe w zastosowaniach farmaceutycznych, spożywczych i ultraczystych-chemicznych. Celem rurki PTFE jest zwykle unikanie kontaktu z metalem. Stosowanie taśmy metalowej jest sprzeczne z tym celem.

Po drugie, nawet jeśli taśma sama w sobie jest odporna na korozję, połączenie galwaniczne może nadal powstać, jeśli w systemie występuje jakikolwiek inny element metalowy (np. metalowy arkusz rurowy, wirnik pompy lub zawór znajdujący się za nią). Taśma jest od nich elektrycznie odizolowana, dopóki nie dotyka zewnętrznych elementów metalowych. - rurka PTFE jest izolatorem elektrycznym. Jeżeli jednak taśma zetknie się z metalowym łącznikiem końcowym lub jeśli zastosowany płyn przewodzi prąd elektryczny (np. wodny elektrolit), w płynie może zostać utworzony obwód galwaniczny. Bardziej szlachetny metal (np. tytan) może sprzyjać korozji mniej szlachetnego metalu (np. stali węglowej) w innych częściach układu.

Kiedy stosować skręconą taśmę metalową a kiedy PTFE?
W zależności od priorytetów zastosowania można wybrać przewodzącą taśmę metalową lub nieprzewodzącą-taśmę PTFE.

Kiedy stosować metalową taśmę skręcaną:

Płyn procesowy nie powoduje korozji wybranego metalu (np. woda dejonizowana, łagodne rozpuszczalniki organiczne, obojętne solanki).

Wymagane jest maksymalne przenikanie ciepła na jednostkę długości, moc pompowania jest już ograniczona.

Dozwolona jest kompatybilność płynów i zanieczyszczenie produktu nie stanowi problemu (np. nie-farmaceutyczna chemia przemysłowa).

Dobry kontakt cieplny jest możliwy bez uszkodzenia rurki PTFE.

Wybierz skręconą taśmę PTFE lub PFA dla:

Płyn procesowy jest bardzo korozyjny (silne kwasy, zasady, halogeny, utleniacze).

Unikanie zanieczyszczeń jonami metali (synteza farmaceutycznego API, chłodzenie półprzewodników, przetwarzanie żywności).

Temperatura robocza przekracza granicę korozji dostępnych stopów, ale jest niższa od 110 stopni (PTFE) lub 260 stopni (PFA).

Prostota i sprawdzona obojętność chemiczna przewyższają poprawę wydajności taśmy metalowej o 20-30%.

W przypadku zastosowań wyjątkowo korozyjnych, pomimo utraty efektu żeberek, stosuje się taśmy PTFE lub PFA, ponieważ zapewniana przez nie niezawodność i czystość nie podlegają-negocjacjom.

Podsumowanie działania taśm przewodzących i nieprzewodzących.-Podsumowanie działania taśm przewodzących i nieprzewodzących
Parametr Taśma PTFE (-nieprzewodząca) Taśma metalowa (przewodząca).
Mechanizm przenoszenia ciepła Po prostu wir Wir + uderzenie płetwą
Typowa augmentacja Nu (nad pustą rurką) 100–150% 130–180%
Dodatkowy zysk z przewodności - +20-30% w porównaniu z taśmą PTFE
Wymóg kontaktu termicznego Nie dotyczy (brak uderzenia płetwy) Krytyczne - niezbędne dopasowanie sprężyny
Ryzyko korozji Brak (obojętny na wszystkie chemikalia do 110 stopni) W zależności od kompatybilności z płynnymi-metalami
Ryzyko zanieczyszczenia metaluNiemożliwe (korozja lub zużycie)
Maksymalna temperatura 110 stopni (PTFE); 260 stopni (PFA) Zależne od stopu (np. stal nierdzewna 400 stopni)
Koszt Umiarkowany (wytłaczany PTFE) Wyższy (obróbka metalowa lub tłoczenie)
Przykład roboczy: ogrzewanie neutralnego strumienia wodnego
Załóżmy, że wymiennik ciepła z PTFE jest używany do podgrzewania neutralnego,-wolnego strumienia wody od 20 stopni do 60 stopni. Sam wir poprawiłby przenoszenie ciepła dzięki wkładce ze skręconej taśmy PTFE. Efekt płetwy można uzyskać zastępując ją skręconą taśmą ze stali nierdzewnej 316, odpowiednio dopasowaną do ścianki rury. Całkowity współczynnik przenikania ciepła można zwiększyć ze 150 W/m²·K do 190 W/m²·K (27%). Płyn nie powoduje korozji stali nierdzewnej w temperaturze 60 stopni i nie powoduje znacznego wymywania metalu. Wzrost wydajności pozwala na zmniejszenie wymiennika ciepła lub mniejsze natężenie przepływu przy tym samym obciążeniu.

W tym samym zastosowaniu, ale w lekko kwaśnej solance (pH 4, 1000 ppm chlorku), stal nierdzewna 316 będzie narażona na korozję wżerową. Koszt byłby bardzo wysoki i wymagałby taśmy Hastelloy C-276. Inną opcją jest tańsza taśma PTFE, która całkowicie pozwala uniknąć problemu korozji.

Streszczenie
Nakładając metalowe skręcone taśmy na plastikowe taśmy, można uzyskać efekt przewodzącej żeberki, co może poprawić wydajność wymiany ciepła o około 20-30%. Jednakże korzyść tę można uzyskać tylko wtedy, gdy zachowany zostanie dobry kontakt termiczny ze ścianką rury, a co ważniejsze, jeśli metal jest całkowicie kompatybilny z płynem procesowym. W przypadku delikatnych operacji, takich jak synteza farmaceutyczna lub przetwarzanie chemiczne o wysokiej czystości, korzyści cieplne są przyćmione przez ryzyko korozji lub zanieczyszczenia metalem. Dobór materiału na urządzenia wzmacniające powinien być równie ostrożny, jak w przypadku samego wymiennika; w przypadku wielu usług powodujących korozję lub mających wpływ na czystość, obojętność taśmy PTFE lub PFA pozostaje najlepszym wyborem pomimo braku efektu żebrowania.