Jaka jest wydajność turbulatorów ze sprężynami spiralnymi w rurach wymiennika ciepła z PTFE?

Ta podstawowa cewka z drutu w kształcie-sprężyny, umieszczona w rurce PTFE, może znacznie zwiększyć wymianę ciepła. Cewka przerywa przepływ na ściance rury, ale nie blokuje środka, w przeciwieństwie do solidnie skręconej taśmy. Prowadzi to do innego bilansu wydajności. Ta pasywna technologia zwiększania wymiany ciepła jest szczególnie użyteczna w przypadku wymienników ciepła PTFE, w których ograniczona przewodność cieplna samego polimeru (≈0,25 W/m·K) ogranicza całkowite współczynniki przenikania ciepła. Zespół wymiennika ciepła turbulatora ze sprężyną spiralną PTFE przerywa warstwę graniczną po stronie rury i zapewnia znaczną poprawę sprawności cieplnej.

Zrozumienie geometrii turbulatora ze sprężyną spiralną
Turbulator ze sprężyną spiralną to spiralnie zwinięta cewka z drutu, która jest ściśle dopasowana do wewnętrznej średnicy rurki PTFE. Cewkę definiują trzy parametry geometryczne:

Średnica drutu (d_w) – zwykle 1-3 mm, w zależności od średnicy rurki

Skok cewki (p) – odstęp osiowy pomiędzy sąsiednimi zwojami

Zewnętrzna średnica cewki (D c): Nieco mniejsza niż wewnętrzna średnica rurki (D i) do wprowadzenia

Skuteczność turbulatora określa się stosunkiem średnicy drutu do średnicy rury (dw/Di) oraz stosunkiem podziałki do średnicy (p/Di). Powszechnie stosowane standardy projektowe sugerują, że optymalną wydajność osiąga się dla dw/Di pomiędzy 0,1 a 0,2 oraz p/Di pomiędzy 1 a 3.

Cewka może być wykonana z wielu materiałów, w zależności od przetwarzanego płynu. W przypadku żrących strumieni wodnych lub kwasowych zaleca się drut metalowy-pokryty PTFE lub cewkę z monofilamentu z litego PTFE. W przypadku mniej ściernych płynów, gdzie zanieczyszczenie metalem nie stanowi problemu, można zastosować druty wysokostopowe (np. stal nierdzewna 316L, Hastelloy C-276). W systemach całkowicie fluoropolimerowych sprężyna PFA lub PTFE zapewnia całkowitą odporność chemiczną.

Mechanizm separacji warstw granicznych
W gładkiej rurze pod przepływem laminarnym lub o niskiej-liczbie Reynoldsa-liczby Reynoldsa na ściance rury tworzy się nieruchoma warstwa graniczna (podwarstwa laminarna). Ta cienka warstwa stanowi główny opór podczas przenoszenia ciepła. Przez tę podwarstwę musi przechodzić jedynie przewodnictwo, co jest nieefektywne.

Warstwa graniczna- to turbulator ze sprężyną spiralną. Gdy płyn przepływa przez rurkę, każdy zwój cewki powoduje lokalne rozdzielenie przepływu, wiry i mieszanie promieniowe. Co ważne, cewka nie blokuje środka rury -, przepływ rdzenia jest w zasadzie niezakłócony. Jest to sprężyna spiralna zamiast solidnie skręconej taśmy, która powoduje, że cały płyn przepływa w ruchu wirowym i często prowadzi do martwej strefy wokół środka taśmy.

Główne działanie sprężyny występuje w pobliżu ścianki rury. W punkcie maksymalnego oporu cieplnego cewka okresowo rozbija rosnącą warstwę graniczną, zwiększając turbulentne mieszanie. W porównaniu eksperymentalnym wykazano, że dobrze-zaprojektowana cewka sprężyny może zwiększyć liczbę Nusselta (Nu) po stronie rury{{3} 2–3 razy w porównaniu z gładką rurą w tych samych warunkach przepływu.

Zmierzona wydajność: liczba Nusselta i spadek ciśnienia
Stale widać kompromis- pomiędzy poprawą wymiany ciepła a utratą ciśnienia. Typowe zakresy opisane w-recenzowanych badaniach dotyczących turbulatorów ze sprężynami spiralnymi mieszczą się w liczbach Reynoldsa od 500 do 10 000:

Parametr Gładka rura ze spiralną sprężyną cewkową
Liczba Nusselta (Nu) Linia wyjściowa (1×) 2–3× augmentacja
Współczynnik tarcia (f) Wartość bazowa (1x) wzrost 3-6x
Współczynnik wzmocnienia zależy w dużej mierze od geometrii cewki. Węższy skok (niższe p/D_i) skutkuje częstszymi zakłóceniami przepływu, a co za tym idzie wyższym Nu, ale także większym spadkiem ciśnienia. Z drugiej strony bardziej rozluźniona cewka minimalizuje straty ciśnienia, a mimo to zapewnia znaczną poprawę.

Konstrukcja cewki jest rozwiązaniem z możliwością regulacji: dla danego zastosowania można wybrać podziałkę i średnicę drutu, aby spełnić ograniczenia procesu dotyczące dopuszczalnego spadku ciśnienia. Maksymalną transmisję ciepła uzyskuje się przy szczelnej wężownicy do czystych płynów i tam, gdzie wystarczająca jest siła pompowania. W przypadku cieczy lepkiej lub wrażliwej na ścinanie luźniejsza cewka zapewnia delikatniejsze mieszanie.

Zalety taśm skręconych solidnie
Turbulator ze sprężyną spiralną ma kilka praktycznych zalet w porównaniu z wkładką z solidnej skręconej taśmy:

Mniejsza tendencja do zarastania - Sprężyna nie tworzy całkowicie zamkniętych stref stagnacji, tj. zawieszone cząstki lub wytrącone ciała stałe są mniej podatne na osadzanie się. Solidna taśma, zwłaszcza w poziomej tubie, może zapewniać obszar o niskim-przepływie w „cieniu” taśmy, w miejscu, w którym zaczyna się zanieczyszczanie. Otwarta konstrukcja sprężyny umożliwia ciągłe usuwanie płynu.

Łatwiejszy montaż i demontaż - Cewkę sprężyny można łatwo umieścić w rurze i zacisnąć na końcach. W przypadku zastosowań modernizacyjnych istniejące rury wymiennika ciepła PTFE można zamontować na sprężynach bez trwałych modyfikacji. Czyszczenie jest łatwe, wystarczy wyciągnąć cewkę, wyczyścić ją i włożyć z powrotem.

Niższy koszt materiału - W cewce drutu znajduje się znacznie mniej materiału w porównaniu z taśmą pełną, szczególnie w przypadku długich rur. Jeśli wymagane są drogie stopy lub fluoropolimery, różnica w kosztach jest znacząca.

Zgodność z rozszerzalnością rurki PTFE - Rury PTFE mają wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej. Solidna taśma, która pasuje w temperaturze otoczenia, może stać się zbyt ciasna w temperaturze roboczej i uszkodzić rurkę. Cewka sprężyny jest elastyczna i może akceptować zmiany wymiarów bez wytwarzania nadmiernej siły promieniowej.

Praktyczna minimalna liczba punktowa Reynoldsa dla efektywności
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10 000) naturalna turbulencja już skutecznie zakłóca warstwę graniczną, a przyrostowa korzyść wężownicy jest zmniejszona w porównaniu z dodatkowym spadkiem ciśnienia. Turbulatory ze sprężynami spiralnymi najlepiej nadają się zatem do wymienników ciepła PTFE pracujących z lepkimi płynami, strumieniami o niskiej prędkości przepływu lub o zwartej geometrii, które naturalnie charakteryzują się niskim natężeniem przepływu.

W eksperymentach widzimy, że współczynnik wzmocnienia maleje wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa. Poniżej Re $\\około 200 wężownica może nadal zwiększać przenoszenie ciepła, tworząc łagodne przepływy wtórne, ale efekt jest mniej uderzający niż w strefie przejścia laminarnego-w-turbulentny.

Aplikacje modernizacyjne i dostępność komercyjna
Dostępne w handlu turbulatory ze sprężynami spiralnymi są dostępne u wielu producentów elementów wymienników ciepła. Typowe średnice rurek PTFE (średnica wewnętrzna 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm i 20 mm) są dostępne w wersjach standardowych. Można produkować druty o specjalnych szerokościach i podziałkach, aby spełnić specyficzne wymagania procesu.

Typową sytuacją podczas remontu jest istniejący wymiennik ciepła-i-rurowy z PTFE, który nie działa dobrze ze względu na niski współczynnik przenikania ciepła-po stronie rury. Zamiast przebudowywać cały wymiennik umieszcza się turbulatory w każdej rurce. Instalacja jest zwykle wykonywana podczas planowanej przerwy konserwacyjnej. Wzrost całkowitego współczynnika przenikania ciepła (U) zapewnia albo wyższą przepustowość, albo mniejsze zużycie ciepłej wody, albo mniejszą powierzchnię niezbędną dla nowego projektu.

Wniosek: łatwa i skuteczna pomoc w instalacji
Turbulatory ze sprężynami spiralnymi to łatwy w montażu, skuteczny wybór poprawiający wymianę ciepła przez rurkę PTFE, szczególnie w instalacjach czystych. Wkładki rewolucjonizują wydajność cieplną wymienników ciepła PTFE o niskiej-przewodności, zwiększając liczbę Nusselta-po stronie rury od 2 do 3 razy, przy rozsądnym spadku ciśnienia od 3 do 6 razy. Układ wymiennika ciepła z PTFE ze sprężyną spiralną jest otwarty,-nie zanieczyszczający i wykorzystuje elastyczny materiał (PTFE, PFA lub drut ze stopu), dzięki czemu nadaje się do zastosowań korozyjnych, o wysokiej-czystości i do modernizacji.

Dostępnych jest wiele kształtów turbulatorów do różnorodnych celów, w tym skręcone taśmy, siatki druciane i mieszalniki statyczne. Sprężyna spiralna ma specjalną niszę, umiarkowaną poprawę, niskie zanieczyszczenie i prostą instalację. Turbulator ze sprężyną spiralną zasługuje na szczególną uwagę ze strony inżynierów zajmujących się procesem, poszukujących pasywnego i niewymagającego-obsługi sposobu optymalizacji przenoszenia ciepła przy jednoczesnym zachowaniu odporności chemicznej.