Cum îmbunătățesc tuburile PTFE cu gropițe sau ondulate transferul de căldură fără inserții suplimentare?

Gropitele, ondulațiile sau spiralele pot fi produse direct pe tub în sine, mai degrabă decât adăugarea unui dispozitiv separat. Aceste elemente integrate ajută la întreruperea fluxului și la creșterea transmiterii căldurii fără riscul ca o inserție să se slăbească sau să creeze obstrucții.

De ce trebuie luată în considerare îmbunătățirea pasivă prin geometria tubului
În multe procese chimice și farmaceutice, fiabilitatea schimbătoarelor de căldură este la fel de importantă ca și performanța lor termică. Metodele tradiționale de îmbunătățire, cum ar fi inserțiile cu bandă răsucită sau bobina de sârmă, au componente interne care sunt predispuse la migrare, oboseală sau locații de murdărie. O altă abordare este modificarea peretelui tubului în sine. Tubul PTFE ondulat sau ondulat are o rugozitate sau ondulare a suprafeței care este intrinsecă tubului. Fără piese distincte înseamnă că potențialul de defecțiune mecanică, blocarea inserției sau blocarea fluxului este aproape minimizat.

Această metodă este deosebit de atractivă pentru a trata fluide care conțin solide în suspensie, suspensii cristaline sau medii predispuse la polimerizare. Pentru astfel de aplicații solicitante, se folosește un tub intern neted cu gropițe sau ondulat pentru a crea turbulențe fără fisuri unde s-ar putea aduna resturile.

Cum gropile și ondulațiile se încurcă cu fluxul
Un tub din PTFE cu gropițe sau ondulat este un tub care are o serie de adâncituri periodice sau gropițe sau alternanțe de dilatații și contracții sau ondulații de-a lungul lungimii sale. Pe măsură ce fluidul curge peste aceste diferențe geometrice, stratul limită adiacent peretelui este întrerupt și re-succesiv. În spatele fiecărei gropițe sau creastă ondulată sunt turnate vârtejuri pentru a induce amestecarea radială între fluidul de miez și regiunea peretelui. Amestecarea subțiază eficient stratul limită termic și, prin urmare, îmbunătățește coeficientul de transfer de căldură convectiv.

Mecanismul de îmbunătățire este total diferit de cel al inserției cu bandă răsucită. Banda răsucită oferă un vârtej elicoidal constant, dar gropițele și ondulațiile creează turbulențe periodice localizate. Performanța rezultată a transferului de căldură a tubului ondulat PTFE cu gropițe este în general mai moderată, în intervalul de îmbunătățire cu 20-60% față de un tub neted, dar cu o creștere proporțional mai mică a căderii de presiune, de obicei între 30-100%.

În practică, parametrii geometrici (adâncimea gropiței, pasul ondulației și înălțimea) pot fi setați pentru a se schimba-între câștigul transferului de căldură și pierderea prin frecare. Ondularile cu pas mai scurt sau gropiturile mai adânci generează turbulențe mai puternice, dar oferă și o rezistență mai mare. Modelele mai lungi și mai puțin adânci oferă un flux mai fin, cu un impuls mai moderat.

Avantajele inserțiilor separate
Tuburile din PTFE cu gropițe sau ondulate au diverse avantaje practice față de banda răsucită sau alte inserții libere:

formarea persistentă a geometriei inserției în peretele tubului. Fără risc de migrare a inserției: nu există nicio șansă ca o inserție să se deplaseze în aval, rănind capetele tubului sau să atingă foaia tubulară.

Fără rezistență de contact suplimentară: Cu o inserție separată, o rezistență de contact termic este între inserție și peretele tubului. Nu există rezistență suplimentară, deoarece nu există interfață cu gropițe sau ondulații integrale.

Examinare și curățare ușoară Interiorul unui tub ondulat este încă un canal deschis, neobstrucționat. În mod normal, trecerea unui porc de curățare sau a unei perii este suficientă. Curăţarea unui tub cu bandă răsucită poate necesita îndepărtarea inserţiei.

Pericol redus de uzură mecanică: inserțiile învolburate pot provoca vibrații și abraziunea peretelui tubului PTFE în timp, în special la viteze de curgere mai mari. Geometria integrală nu are mișcare relativă între tub și caracteristica de îmbunătățire.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) inserția de bandă răsucită este mai bună decât tuburile cu gropițe sau ondulate. Cu toate acestea, designul tubului integral este o alegere populară pentru aplicațiile în care o îmbunătățire ușoară este acceptabilă și fiabilitatea este de cea mai mare importanță.

Prelucrarea PTFE
Tuburile ondulate și gropite sunt utilizate în mod obișnuit în schimbătoarele de căldură metalice (de exemplu, oțel inoxidabil, cupru). Sunt necesare unele proceduri unice de extrudare sau termoformare pentru aplicarea lor pe PTFE. PTFE nu poate fi prelucrat prin topire ca materialele termoplastice. PTFE este, în general, extrudat prin ram sau extrudat cu pastă. O metodă rotativă-poanson poate fi aplicată PTFE după sinterizare pentru a furniza gropițe sau ondulații exacte, sau o succesiune de matrițe încălzite poate fi folosită pentru a trage tubul. Tuburile ondulate continue din PTFE sunt disponibile comercial de la producătorii specialiști pentru diametre modeste (de obicei 6-25 mm).

Controlul grosimii peretelui trebuie să fie foarte strict. Peretele poate fi prea subțire și se poate prăbuși sub presiune internă la vârful ondulațiilor; peretele poate fi prea gros, iar complianța la încovoiere necesară pentru a genera o ondulare strânsă este redusă. Grosimile pereților tuburilor ondulate din PTFE pentru schimbător de căldură sunt, în general, în intervalul 0,8 până la 2,0 mm, în funcție de diametru și presiunea nominală.

Efectele regimului de curgere și ale pierderii de presiune
În fluxul laminar (Re < 2000) prezența gropițelor și ondulațiilor are un efect semnificativ. Chiar și la un număr Reynolds scăzut, acestea declanșează o tranziție timpurie la un regim instabil, dominat de amestecare-, care crește numărul Nusselt cu 40-80% în comparație cu un tub neted. De asemenea, penalizarea pierderii de presiune este importantă deoarece debitul este forțat să accelereze și să decelereze continuu.

În debitul turbulent (Re > 4000) îmbunătățirea relativă este mai puțin - frecvent de 20-40% - deoarece turbulența naturală asigură deja o amestecare eficientă. Cu toate acestea, creșterea procentuală a scăderii presiunii tinde să fie mai mică. Un tub cu gropițe construit corespunzător poate avea un factor de performanță termică (raportul dintre îmbunătățirea transferului de căldură și creșterea frecării la puterea de 1/3) mai bun decât 1,2, ceea ce indică economii nete de energie în comparație cu un tub neted pentru aceeași putere de pompare.

Tabelul de mai jos rezumă intervalele tipice de performanță pentru tuburile PTFE cu gropițe sau ondulate în raport cu tuburile PTFE netede pe bază de fluide asemănătoare apei la Re=2000-5000.

Parametru Interval de îmbunătățire tipic Îmbunătățirea numărului Nusselt (coeficient de transfer de căldură) ++20% până la +60%
Factorul de frecare (cădere de presiune) crește cu +30% până la +100%
Factor de performanță termică (η) 1,1-1,3 Concluzie
Tuburile din PTFE cu gropițe sau ondulate oferă o modalitate simplă, pasivă de a îmbunătăți transmisia căldurii, cu o fiabilitate foarte bună. Tuburile sunt proiectate pentru a crea geometrii de suprafață integrale care sparg stratul limită și promovează amestecarea radială, rezultând o creștere modestă (20-60%) a transferului de căldură fără potențialul de migrare a inserției, rezistență la contact sau probleme de curățare. Forma este deosebit de utilă în aplicațiile care conțin particule, cristale sau fluide murdare, unde inserțiile separate ar fi problematice. Geometria tubului rămâne un aspect critic în proiectarea schimbătorului de căldură – iar cu PTFE, formele gropite sau ondulate oferă un amestec atrăgător de performanță, curățare și rezistență de lungă durată.