Cum afectează geometria inserției turbulatorului performanța termică a tuburilor schimbătoare de căldură din PTFE?

Transmisia interioară a căldurii în tubul neted PTFE este slabă din cauza tendinței de curgere laminară. Dar introducerea unui dispozitiv modelat, un turbulator, în tub poate afecta drastic modelul de curgere, sporind turbulența și coeficientul de transfer de căldură. Geometria inserției turbulatorului este un factor important în succesul procesului de schimb de căldură și influențează performanța termică precum și căderea de presiune.

Forme tipice de inserții de turbulator
Schimbătoarele de căldură din PTFE folosesc adesea multe tipuri de inserții de turbulator pentru a crește turbulența pe partea tubului și pentru a îmbunătăți transmisia căldurii. Cele mai frecvente trei geometrii utilizate sunt benzile răsucite, bobinele de sârmă și inserțiile cu gropițe sau ondulate.

Benzi rupte
Benzile răsucite sunt benzi elicoidale de material introduse în interiorul tubului pentru a induce un flux turbionar care conduce fluidul spre pereții tubului. Această geometrie rupe considerabil fluxul laminar ceea ce favorizează turbulența și crește coeficientul de transfer termic. Unul dintre cele mai eficiente și utilizate modele de turbulator în practică pentru creșterea transferului de căldură în schimbătoarele de căldură PTFE este banda răsucită. Fluxul turbionar pe care îl generează îmbunătățește amestecarea fluidului, ceea ce duce la o distribuție mai mare a căldurii pe suprafața tubului.

Înfăşurarea sârmei
O altă abordare frecventă pentru a spori turbulențele în interiorul tuburilor PTFE este utilizarea unor inserții de tip arc-sau bobine de sârmă. Pe măsură ce fluidul trece prin tub, aceste bobine declanșează stratul limită. Mișcarea haotică întrerupe fluxul laminar. Bobinele de sârmă fac fluidul să se miște într-o manieră neregulată, crescând astfel rata de transfer de căldură. Este interesant de observat că bobinele de sârmă oferă o manieră echilibrată de creștere a turbulenței fără a crea prea multă obstrucție a fluxului de curgere.

Inserție ondulată sau ondulată
Inserțiile cu gropițe sau ondulate creează vârtejuri mici, localizate în fluxul de curgere. Aceste vârtejuri asigură turbulență în fluxul de fluid pe suprafața inserției, crescând astfel coeficientul de transfer de căldură. Inserțiile cu gropițe sunt mai puțin invazive decât benzile răsucite sau bobinele de sârmă, dar sunt deosebit de benefice în aplicațiile în care este important să se mențină o cădere scăzută de presiune. În practică, sistemele cu inserții gropite sau ondulate se aplică frecvent acolo unde se urmărește o creștere moderată a transferului de căldură cu un efect minim asupra puterii de pompare.

Schimb de performanță-Oprirea transferului de căldură versus căderea de presiune
Fiecare geometrie de inserție de turbulator mărește numărul Nusselt-din partea tubului, o cantitate adimensională care este o măsură a performanței transferului de căldură. Cu toate acestea, aceste geometrii conduc la o creștere a căderii de presiune în schimbătorul de căldură, ceea ce poate contribui la creșterea cheltuielilor de pompare. Cea mai bună alegere a formei inserției turbulatorului este determinată de compromisul dintre creșterea transferului de căldură și căderea de presiune admisă.

În general, benzile răsucite asigură cea mai mare creștere a transferului de căldură, dar și o creștere semnificativă a pierderii de presiune. Bobinele de sârmă oferă o cale de mijloc în ceea ce privește transferul de căldură și căderea de presiune și, prin urmare, performanța și eficiența energetică. Inserțiile cu gropițe oferă cea mai mică cădere de presiune, dar oferă o îmbunătățire mai mică a transferului de căldură în comparație cu celelalte două alternative.

Alegerea unei inserții optime pentru turbulator va depinde de sarcina de transfer de căldură care trebuie efectuată și de puterea de pompare admisă în sistem. În sistemele cu debit mare sau când consumul de energie este o problemă principală, un design mai moderat al inserției turbulatorului, cum ar fi bobinele de sârmă sau gropițele, este ideal.

Tabel de comparație pentru tipurile de turbulatoare
Efectul tipului de turbulator asupra căderii de presiune în îmbunătățirea transferului de căldură
Benzi răsucite Înaltă Înaltă Bobine de sârmă Moderat Moderat
Inserții cu gropițe Mediu Scăzut Concluzie
Inserțiile turbulatoare reprezintă o actualizare eficientă și practică pentru îmbunătățirea performanței termice a tuburilor schimbătoare de căldură din PTFE. Aceste inserții măresc ratele de transfer de căldură prin creșterea turbulenței pe partea-tubului. Acest lucru este util în special pentru un material cu conductivitate termică scăzută, cum ar fi PTFE. Geometria inserției turbulatorului trebuie aleasă cu atenție pentru a atinge îmbunătățirea dorită a transferului de căldură, menținând în același timp căderea de presiune într-un interval acceptabil. Îmbunătățirea transferului de căldură continuă să fie un domeniu important de inovație pentru procesarea termică. Dezvoltarea de noi modele și materiale de turbulator este probabil să aducă câștiguri și mai mari de performanță.