Cum afectează raportul de pas al unei inserții de bandă răsucite transferul de căldură în tuburile PTFE?

O bandă răsucită plasată într-un tub PTFE generează un flux învolburat care mărește transmisia căldurii. Gradul acestui vârtej și compromisul de performanță rezultat sunt controlate direct de raportul de pas al răsucirii – reprezentat ca etanșeitatea răsucirii.

Care este raportul de pas în inserțiile de bandă răsucite?
Raportul de pas este raportul dintre lungimea necesară pentru a face o răsucire completă de 360 ​​de grade (lungimea pasului) și lățimea benzii. De exemplu, o bandă care face o întoarcere completă pe o distanță egală cu propria lățime are un raport de pas de 1. Dacă banda se înfășoară complet pe o lungime de cinci ori lățimea ei, raportul de pas este de 5. Raport de pas scăzut=răsucire foarte strânsă, violentă . Raport de înălțime înaltă=răsucire mai liberă, mai moale .

În realitate, inserțiile de bandă răsucite pentru tuburile PTFE sunt construite din PTFE sau PFA (perfluoroalcoxi alcan) pentru a asigura compatibilitatea chimică deplină cu fluidele de proces extrem de corozive. Acest lucru garantează nicio contaminare metalică sau probleme de coroziune galvanică chiar și cu acizi puternici, solvenți sau medii ultrapure.

Efectul raportului de pas asupra turbiiului și transferului de căldură
Pe măsură ce fluidul trece printr-un tub care conține o bandă răsucită, banda împinge fluxul pentru a urma un model elicoidal. Acest vârtej generează forțe centrifuge care conduc fluidul mai greu către peretele tubului, subțiind astfel în mod eficient stratul limită termic. Aceasta corespunde unui coeficient de transfer de căldură convectiv mai mare sau unui număr Nusselt mai mare.

Raportul de pas este direct responsabil pentru puterea vârtejului. Componenta mai puternică a vitezei tangențiale este cauzată de o răsucire mai strânsă (raport de pas mai mic, de exemplu . 2). Astfel încât îmbunătățirea transferului de căldură indicată de obicei ca raportul dintre numărul Nusselt cu inserția și cel al unui tub simplu poate fi de până la 150% sau mai mult. Cu toate acestea, această învârtire rapidă duce și la o frecare substanțial mai mare a fluidului, ceea ce duce la o creștere uriașă a căderii de presiune, adesea în intervalul 200-600% în comparație cu un tub gol.

Pe de altă parte, o răsucire mai liberă (raport de înălțime mai mare, de exemplu . 5 sau 6) va da un vârtej mai blând. Îmbunătățirea transferului de căldură este relativ modestă-de obicei cu 50-80% peste valoarea tubului simplu, dar penalizarea căderii de presiune este proporțional mai mică, adesea cu doar 100-200% mai mare.

Raportul de pas al benzii răsucite și performanța transferului de căldură PTFE nu sunt legate-liniar. Reducerea raportului de pas de la 6 la 2 are ca rezultat o creștere disproporționat de semnificativă atât a transferului de căldură, cât și a frecării. Prin urmare, raportul optim de pas nu este o cifră stabilită, ci se bazează în totalitate pe puterea de pompare admisă și sarcina termică dorită.

Recomandări practice de proiectare pentru tubulatura PTFE
În cazul tuburilor PTFE, un raport de pas de 3 la 5 este adesea ales dacă scăderea de presiune nu este un factor limitator. Acest interval reprezintă un compromis bun: o creștere a coeficientului de transfer termic de aproximativ 80-120% cu o creștere a căderii de presiune de 200-350%. În general, aceste valori sunt tolerabile în majoritatea aplicațiilor proceselor chimice, în special atunci când lungimea tubului este moderată (de exemplu, schimbătoare de căldură cu carcasă și tub sau bobină de imersie).

Trebuie remarcat faptul că tuburile PTFE în sine au o conductivitate termică relativ scăzută (ca. 0.25 W/mK). În general, rezistența principală la căldură se află în peretele tubului sau în pelicula de fluid interior. Utilizarea unei inserții de bandă răsucite cu un raport de pas adecvat poate reduce semnificativ rezistența internă a filmului și, prin urmare, poate muta rezistența de control pe cealaltă parte a schimbătorului de căldură. Acest lucru face ca designul complet să fie mai echilibrat și mai eficient din punct de vedere al costurilor.

Un raport de pas mare de 6 la 8 poate fi selectat pentru aplicații în care căderea de presiune este foarte restrânsă, cum ar fi sistemele cu alimentare gravitațională-sau încălzitoarele cu gaz-de joasă presiune. Acest lucru oferă suficientă turbiune pentru a restricționa fluxul laminar și pentru a crește amestecarea radială, dar penalizarea la frecare este totuși tolerabilă.

Alternativ, poate fi selectat un raport de pas de 2 la 3 dacă este necesar un transfer maxim de căldură, indiferent de pierderea de presiune (de exemplu, în cazul încălzirii cu vâscozitate ridicată sau în cazul în care costurile de pompare sunt neglijabile). În astfel de cazuri, coeficientul de transfer de căldură poate fi crescut cu până la 150%. Proiectantul trebuie să se asigure că pompa sau suflantul poate asigura o presiune mai mare.

Considerații suplimentare de inginerie
Lungimea de intrare termică este redusă și mai mult de inserțiile de bandă răsucite în tuburile PTFE, producând un comportament turbulent-complet dezvoltat chiar și la numere Reynolds scăzute (Re < 2000). Acest lucru este util în special în debite lente sau în tuburi cu diametru mic, unde turbulența reală ar necesita viteze de curgere nepractice.

Trebuie să luați în considerare toleranțele de fabricație. Substanța PTFE este mai flexibilă, ceea ce face mai dificilă realizarea unei benzi strâns răsucite (raport de pas scăzut). Pentru rapoarte de pas foarte scăzute (sub aproximativ 2,5) PFA este în general favorizat datorită rigidității sale mai mari și a reținerii mai bune a formei de răsucire la temperaturi în creștere.

Raportul de pas influențează, de asemenea, curățarea și întreținerea. Benzile cu proporții de pas foarte scăzute (răsuciri strânse) tind să colecteze particulele mai ușor și sunt mai greu de îndepărtat pentru curățare. În cea mai mare parte, un raport de pas de 4 sau mai mare oferă suficient traseu axial deschis pentru a trece deșeurile sau pentru a fi introdus un porc de curățare.

Rezumat
Raportul de pas al unei inserții de bandă răsucite este pârghia principală de proiectare pentru a controla transmiterea căldurii împotriva schimbului de pierdere de presiune-în tuburile PTFE. Vârtejul puternic și o îmbunătățire ridicată a transferului de căldură-se obțin cu un raport de pas mai mic (întorsătură mai strânsă) cu prețul unei creșteri mari a pierderilor prin frecare. Rapoarte mai mari de înălțime (întorsături mai libere) au ca rezultat un impuls mai moale, mai eficient-energetic. Un raport de pas între 3 și 5 oferă un echilibru excelent pentru majoritatea aplicațiilor de manipulare a fluidelor corozive. Optimizarea formei inserției, inclusiv raportul de pas, este încă un factor crucial în îmbunătățirea performanței schimbătorului de căldură fără a compromite compatibilitatea chimică sau integritatea materialului.