Jaki wpływ ma-niecentralne umieszczenie płytki na działanie turbulatorów z taśmą skręcaną?

Na środku tuby umieszcza się konwencjonalną skręconą taśmę. Jednak umieszczenie-niecentralnie skutkuje asymetrycznym polem przepływu z silniejszymi obiegami wtórnymi, co może prowadzić do wyższych korzyści w zakresie wymiany ciepła w przypadku tej samej wkładki. Ta skromna modyfikacja geometryczna – zwykle pomijana w konwencjonalnych konstrukcjach wymienników ciepła – może zapewnić lepszą wydajność cieplną bez zmiany współczynnika skrętu lub materiału taśmy. W przypadku wymienników ciepła PTFE przetwarzających żrące lub delikatne płyny, gdzie preferowane jest wzmocnienie pasywne zamiast podejścia aktywnego, instalacja-poza centrum zapewnia niski koszt i brak konieczności modernizacji.

Asymetryczne pole przepływu-taśmy znajdującej się poza środkiem
Jeżeli turbulator ze skręconą taśmą znajduje się bezpośrednio na środkowej osi rury, przepływ jest dzielony na dwa symetryczne, spiralne kanały. Ruch ma charakter jednostajny wirowy, a profil prędkości jest promieniowo symetryczny. Jest to znana i szeroko stosowana konfiguracja.

Przesunięcie taśmy poza środek ma zasadniczy wpływ na geometrię. Przekrój poprzeczny rury-jest teraz podzielony na dwa kanały przepływowe o różnej wielkości, z większą szczeliną po jednej stronie taśmy i mniejszą po drugiej stronie. Ponieważ pole- przekroju poprzecznego jest większe, płyn przepływający przez ten kanał będzie poruszał się z mniejszą prędkością (dla danego objętościowego natężenia przepływu). Wręcz przeciwnie, płyn w mniejszym kanale przyspiesza. Różnica prędkości i spiralny skręt taśmy generują silne wtórne cyrkulacje - wirów w przekroju poprzecznym, które nie występują w układzie wyśrodkowanym.

Rezultatem jest silniejszy wzór mieszania. Skręcona taśma-pomiędzy środkiem generuje główny wir (wokół osi taśmy) i wtórny wir obracający się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu. To dodatkowe mieszanie skuteczniej zakłóca termiczną warstwę graniczną niż położenie wyśrodkowane, zwłaszcza w pobliżu ścianki rury, gdzie występuje najmniejsza szczelina.

Ilościowa poprawa wydajności
Badania eksperymentalne bezpośrednio porównały wydajność przenoszenia ciepła PTFE w taśmie PTFE ze skrętką niecentryczną z topologią taśmy wyśrodkowanej przy identycznych ustawieniach przepływu (Re=500-5000 w typowych badaniach). Kluczowe odkrycia obejmują:

Zwiększenie liczby Nusselta: liczba Nusselta po stronie tuby jest zwiększona o dodatkowe 10-20% w przypadku położenia niecentrycznego względem taśmy wyśrodkowanej przy tym samym współczynniku skrętu i liczbie Reynoldsa.

Zachowanie przy spadku ciśnienia: wzrost współczynnika tarcia w przypadku-umieszczenia niecentrycznego jest podobny lub nieco wyższy (maksymalnie 5–10% powyżej wartości-taśmy wyśrodkowanej). Kara ciśnieniowa nie zwiększa się proporcjonalnie do zysków wymiany ciepła, a zatem zwiększa wskaźnik wydajności termo-hydraulicznej (Nu/f).

Trwałość mechanizmu: Poprawę widać w przypadku szerokiego zakresu współczynników skrętu (y=2–6) i średnic rur, chociaż wielkość zależy od geometrii.

Zyski te nie są wcale niewielkie. W przypadku wymiennika ciepła PTFE, gdzie współczynnik folii-od strony rury jest zazwyczaj czynnikiem ograniczającym całkowitą wydajność, dodatkowe 15% liczby Nusselta może przełożyć się na znaczne zmniejszenie niezbędnej powierzchni wymiany ciepła lub zwiększenie przepustowości.

Efekt odległości przesunięcia i promienia rury
Stopień poprawy przenikania ciepła jest w istotny sposób zależny od przemieszczenia taśmy od środka. Optymalna odległość przesunięcia wynosi często 20-30% promienia rury (tj. $\\delta/R \\około 0,2-0,3$, gdzie $\\delta$ to odległość od środka rury do osi taśmy). W tym zakresie cyrkulacja wtórna jest wystarczająco silna, aby zapewnić dodatkowe mieszanie, ale nie tak silna, aby taśma stykała się ze ścianką rury lub powodowała poważną stagnację przepływu.

„Przesunięcia mniejsze niż 10% promienia nie różnią się zbytnio od sytuacji wyśrodkowanej - asymetria przepływu jest zbyt słaba, aby wytworzyć duże wiry wtórne. Przesunięcia większe niż 40% promienia stwarzają ryzyko kontaktu między taśmą a ścianką rury (szczególnie biorąc pod uwagę rozszerzalność cieplną i tolerancje produkcyjne), a bardzo wąska szczelina może prowadzić do miejscowego zanieczyszczenia lub nadmiernych naprężeń ścinających.

W przypadku rurek PTFE, które są często produkowane z nieco zróżnicowanymi średnicami wewnętrznymi, praktyczne przesunięcie o około 25% promienia nominalnego można uzyskać, instalując mimośrodową konstrukcję wsporczą na wlocie i wylocie rury lub wkładając taśmę z celowo wygiętym segmentem wiodącym.

Zależność od liczby Reynoldsa: Najbardziej zauważalna przy pośrednich liczbach Reynoldsa
Efekt umieszczenia-poza środkiem ma znaczenie głównie dla pośrednich liczb Reynoldsa, zwykle w obszarze przejściowym i niższym obszarze turbulencji (Re\\około 800-4000). W tym trybie przepływ nie jest całkowicie turbulentny, a naturalne mieszanie jest słabe. Taśma asymetryczna może generować prądy wtórne, które mogą sztucznie wywołać bardziej chaotyczny przepływ i znacznie poprawić wymianę ciepła.

Przy bardzo niskich liczbach Reynoldsa (Re < 300) wiry wtórne są tłumione przez tłumienie wiskotyczne niezależnie od asymetrii taśmy. Przewaga nad taśmą wyśrodkowaną maleje i obie konfiguracje działają podobnie do przepływu laminarnego z niewielkim zawirowaniem.

Naturalna turbulencja powoduje już znaczne mieszanie promieniowe przy wysokich liczbach Reynoldsa (Re > 8000). Przyrostowa korzyść z umiejscowienia-poza centrum spada do może 5-10% lub mniej. W większości zastosowań wymienników ciepła PTFE – gdzie natężenia przepływu są zwykle umiarkowane ze względu na ograniczenia spadku ciśnienia w układach fluoropolimerowych – umiarkowany zakres Re to dokładnie zakres, w którym działa sprzęt, dlatego też umieszczenie niecentryczne jest dość istotne.

Zagadnienia praktyczne: siły asymetryczne, drgania
Jedną z praktycznych trudności napotykanych podczas-montażu skręconej taśmy niecentralnie są generowane asymetryczne siły płynu. Szybszy przepływ przez małą szczelinę i wolniejszy przepływ przez dużą szczelinę powodują brak równowagi ciśnienia netto na taśmie. Ta asymetria powoduje siły boczne, które mają tendencję do dociskania taśmy do ścianki rury. Ponadto prędkość przepływu może również powodować siły nośne lub opór działające na taśmę w poziomej rurze.

Te nierówne siły mogą z czasem powodować coraz większe odsuwanie się taśmy od środka- lub ewentualnie dotykanie ścianki rury. Styk nie tylko pogarsza przenoszenie ciepła (blokuje przepływ i powoduje gorące punkty), ale może uszkodzić wewnętrzną powierzchnię rurki PTFE lub zniszczyć taśmę. Taśmy metalowe wkładane do rurek PTFE również są podatne na powstawanie freonów i wibracji. Taśma może odbijać się w przód i w tył od ścianek rury, powodując hałas i możliwe uszkodzenia zmęczeniowe.

Oto kilka strategii łagodzących:

Wiele punktów podparcia - Centralizowanie pierścieni lub elementów dystansowych w regularnych odstępach (np. co 10–20 średnic rury) zapewnia utrzymanie zamierzonego przesunięcia bez powodowania nadmiernych ruchów bocznych.

Wybór materiału taśmy - Sztywniejsza taśma (np. grubszy metal lub kompozyt wypełniony PTFE) wytrzyma odkształcenie pod wpływem naprężeń asymetrycznych.

Zamierzony rowek lub wpust - Rurę można zbudować z wewnętrznym rowkiem wzdłużnym, który chwyta krawędź taśmy i w ten sposób dokładnie ustala miejsce przesunięcia. Jest to bardziej typowe w przypadku rur metalowych, ale można je dostosować do PTFE za pomocą odpowiednich narzędzi do wytłaczania.

Niższa prędkość przepływu - Dopuszczenie umiarkowanej liczby Reynoldsa (gdzie wpływ i tak jest najsilniejszy) minimalizuje wielkość sił asymetrycznych.

W praktyce problemy związane z wibracjami i przesunięciami są tolerowane w przypadku czystych płynów i umiarkowanych natężeń przepływu. Badania laboratoryjne i pilotażowe wykazały długoterminową stabilną pracę z-taśmami umieszczonymi poza środkiem, zabezpieczonymi wyłącznie na końcach.

Porównanie z innymi geometriami wstawiania
Istnieją inne sposoby uzyskania asymetrycznego miksowania niż{0}}umieszczenie poza środkiem. Badano wszystkie taśmy skręcone mimośrodowo, półskręcone i celowo wygięte zespoły taśm osiowych-w-rurowych. Taśma standardowa umieszczona niecentrycznie ma jedną wyraźną zaletę. Nie jest konieczna modyfikacja samej taśmy – wystarczy sposób ułożenia taśmy w tubie. W ten sposób obecne skręcone taśmy można ponownie wykorzystać-w układzie niecentralnym bez żadnych dodatkowych kosztów produkcji.

Taka konstrukcja jest korzystna, gdy wymiennik ciepła już działa i potrzebny jest niewielki wzrost wydajności. Taśmę można celowo przeciągnąć na bok i przytrzymać za pomocą asymetrycznych łączników końcowych. Należy jednak dokładnie rozważyć trudności związane z wibracjami i podparciem, o których mowa powyżej.

Projektowanie wymienników ciepła PTFE: rozważania praktyczne
Projektantom płaszczowo-rurowych wymienników ciepła z PTFE można przedstawić następujące sugestie:

W przypadku rur o stosunkowo dużej średnicy (średnica wewnętrzna większa lub równa 12 mm) z już określoną konwencjonalną skręconą taśmą,-umieszczenie poza środkiem można uznać za stopniowe usprawnienie -, zwłaszcza gdy operacyjna liczba Reynoldsa mieści się w zakresie 800–4000.

Zastosuj przesunięcie wynoszące około 25 procent promienia rury. To równoważenie maksymalizuje przepływ wtórny przy dopuszczalnej asymetrii sił.

Dodaj pierścienie centrujące w odstępach co 10–15 średnic rury, aby utrzymać przesunięcie i zapobiec kontaktowi ze ścianą. Aby zapewnić kompatybilność chemiczną, dostępne są pierścienie z PTFE lub PFA.

Oceń ryzyko wibracji: w przypadku przepływu gazu o dużej prędkości lub cieczy o niskiej lepkości korzystna może być większa liczba podpór lub mniejszy udział przesunięcia (np. promień. 15%).

Wniosek: niedroga aktualizacja przyrostowa
Niewielkim{0}}kosztem dodatkowe zwiększenie przewodności cieplnej można uzyskać poprzez celowe umieszczenie skręconej taśmy-pośrodku, co spowoduje dodatkowy wzrost liczby Nusselta o 10–20% przy niewielkim lub żadnym dalszym spadku ciśnienia w porównaniu z taśmą wyśrodkowaną. Asymetryczny podział przepływu pośredniczy w powstaniu cyrkulacji wtórnych, które zwiększają mieszanie w termicznej warstwie przyściennej. Optymalna wartość przesunięcia wynosi 20-30% promienia rury, a efekt jest najbardziej znaczący przy pośrednich liczbach Reynoldsa (Re ≈ 800-4000).

Małe różnice w kształcie mogą zwiększyć wydajność. Metoda przenoszenia ciepła z PTFE w postaci skręconej taśmy poza środkiem zapewnia proste ulepszenie wymienników ciepła PTFE, w których odporność na korozję determinuje wybór materiału, a jedynym możliwym kierunkiem jest pasywne doskonalenie. Projektanci muszą pogodzić-łagodne wibracje i wsparcie z zaletami termicznymi.