Ako jamkované alebo vlnité PTFE trubice zlepšujú prenos tepla bez ďalších vložiek?

Jamky, zvlnenia alebo špirály môžu byť vyrobené priamo na samotnej trubici, namiesto pridávania samostatného zariadenia. Tieto integrované prvky pomáhajú prerušiť tok a zvýšiť prenos tepla bez rizika, že sa vložka uvoľní alebo vytvorí prekážku.

Prečo je potrebné zvážiť pasívne vylepšenie geometriou rúrok
V mnohých chemických a farmaceutických procesoch je spoľahlivosť výmenníkov tepla rovnako dôležitá ako ich tepelný výkon. Tradičné metódy zlepšovania, ako sú skrútené pásky alebo vložky s drôtenou cievkou, majú vnútorné komponenty, ktoré sú náchylné na migráciu, únavu alebo miesta znečistenia. Ďalším prístupom je zmena samotnej steny rúrky. Jamkové alebo vlnité PTFE hadičky majú drsnosť alebo zvlnenie povrchu, ktoré sú vlastné hadici. Žiadne zreteľné kusy znamenajú, že potenciál mechanického zlyhania, zachytenia vložky alebo zablokovania prietoku je takmer minimalizovaný.

Táto metóda je obzvlášť atraktívna na spracovanie tekutín obsahujúcich suspendované pevné látky, kryštalické kaše alebo médiá náchylné na polymerizáciu. Pre takéto náročné aplikácie sa používa jamková alebo vlnitá hladká vnútorná trubica na vytvorenie turbulencie bez trhlín, kde by sa mohli hromadiť nečistoty.

Ako sa jamky a zvlnenie miešajú s tokom
Zahĺbená alebo vlnitá PTFE trubica je trubica, ktorá má po svojej dĺžke sériu periodických vrúbkov alebo jamiek alebo striedanie expanzií a kontrakcií alebo zvlnení. Keď tekutina preteká cez tieto geometrické rozdiely, hraničná vrstva susediaca so stenou sa postupne narušuje a obnovuje. Vírivé víry sú rozptýlené za každou jamkou alebo hrebeňom zvlnenia, aby sa vyvolalo radiálne miešanie medzi tekutinou jadra a oblasťou steny. Miešanie účinne stenčuje tepelnú hraničnú vrstvu a tým zvyšuje koeficient prestupu tepla konvekciou.

Vylepšovací mechanizmus je úplne odlišný od mechanizmu skrútenej pásky. Skrútená páska poskytuje stabilné špirálové vírenie, ale jamky a zvlnenia vytvárajú lokalizované periodické turbulencie. Výsledný výkon prenosu tepla vlnitej rúrky z PTFE s jamkami je vo všeobecnosti miernejší – v rozsahu zlepšenia o 20 – 60 % v porovnaní s hladkou rúrkou, ale s proporcionálne menším zvýšením tlakovej straty, bežne medzi 30 – 100 %.

V praxi môžu byť geometrické parametre (hĺbka jamky, rozstup zvlnenia a výška) nastavené tak, aby-vyvážili zisk z prenosu tepla a stratu trením. Kratšie zvlnenie alebo hlbšie jamky vytvárajú silnejšie turbulencie, ale tiež poskytujú väčší odpor. Dlhšie, plytšie vzory poskytujú plynulejší tok s miernejším zosilnením.

Výhody samostatných vložiek
Jamkové alebo vlnité PTFE trubice majú rôzne praktické výhody oproti skrútenej páske alebo iným voľným vložkám:

pretrvávajúca tvorba geometrie vložky v stene rúrky. Žiadne riziko migrácie vložky: Neexistuje žiadna šanca, aby sa vložka posunula po prúde, poškodila konce trubice alebo sa dotkla rúrkovnice.

Žiadny dodatočný kontaktný odpor: Pri samostatnej vložke je tepelný kontaktný odpor medzi vložkou a stenou rúrky. Neexistuje žiadny dodatočný odpor, pretože neexistuje žiadne rozhranie s integrovanými jamkami alebo zvlneniami.

Jednoduché skúmanie a čistenie Vnútro vlnitej rúrky je stále otvorený, neprerušovaný kanál. Bežne postačuje prechod čistiaceho prasiatka alebo kefy. Čistenie trubice skrútenou páskou môže vyžadovať odstránenie vložky.

Znížené nebezpečenstvo mechanického opotrebenia: Vírivé vložky môžu časom spôsobiť vibrácie a odieranie steny PTFE rúrky, najmä pri vyšších rýchlostiach prúdenia. Integrálna geometria nemá žiadny relatívny pohyb medzi trubicou a vylepšeným prvkom.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) vložka skrútenej pásky je lepšia ako jamkované alebo vlnité rúrky. Konštrukcia integrálnej trubice je však populárnou voľbou pre aplikácie, kde je prijateľné mierne zlepšenie a spoľahlivosť je nanajvýš dôležitá.

Spracovanie PTFE
Vlnité a vlnité rúry sa bežne používajú v kovových výmenníkoch tepla (napr. nehrdzavejúca oceľ, meď). Na ich aplikáciu na PTFE sú potrebné niektoré jedinečné postupy vytláčania alebo tvarovania za tepla. PTFE nemožno spracovávať taveninou ako termoplasty. PTFE je všeobecne extrudovaný baranidlom alebo extrudovaný pastou. Na PTFE po spekaní možno použiť metódu rotačného razenia-, aby sa vytvorili presné jamky alebo zvlnenia, alebo sa na ťahanie rúrky môže použiť rad vyhrievaných lisovníc. Nepretržité vlnité PTFE rúrky sú komerčne dostupné od špecializovaných výrobcov pre malé priemery (zvyčajne 6-25 mm).

Kontrola hrúbky steny musí byť veľmi prísna. Stena môže byť príliš tenká a môže sa zrútiť pod vnútorným tlakom na vrcholoch zvlnenia; stena môže byť príliš hrubá a ohybová poddajnosť potrebná na vytvorenie tesného zvlnenia je znížená. Hrúbka steny vlnitých PTFE rúrok výmenníka tepla je všeobecne v rozsahu 0,8 až 2,0 mm v závislosti od priemeru a menovitého tlaku.

Účinky režimu prúdenia a straty tlaku
Pri laminárnom prúdení (Re < 2000) má významný vplyv prítomnosť jamiek a zvlnení. Dokonca aj pri nízkych Reynoldsových číslach spúšťajú skorý prechod na nestabilný, zmiešavací-prevládajúci režim prietoku, ktorý zvyšuje Nusseltove číslo o 40 – 80 % v porovnaní s hladkou trubicou. Dôležitá je aj penalizácia straty tlaku, pretože prietok je nútený neustále zrýchľovať a spomaľovať.

Pri turbulentnom prúdení (Re > 4000) je relatívne zlepšenie menej - často 20-40 % – pretože prirodzená turbulencia už zaisťuje efektívne miešanie. Percentuálne zvýšenie poklesu tlaku má však tendenciu byť nižšie. Správne skonštruovaná ponorená trubica môže mať faktor tepelného výkonu (pomer zlepšenia prenosu tepla k zvýšeniu trenia k 1/3 výkonu) lepší ako 1,2, čo naznačuje čistú úsporu energie v porovnaní s hladkou trubicou pri rovnakom čerpacom výkone.

V tabuľke nižšie sú zhrnuté typické rozsahy výkonu pre jamkované alebo vlnité PTFE trubice vo vzťahu k hladkým PTFE trubiciam na báze tekutín podobných vode pri Re=2000-5000.

Parameter Typické zlepšenie Rozsah Zlepšenie Nusseltovho čísla (koeficient prestupu tepla) ++20 % až +60 %
Nárast faktora trenia (pokles tlaku) o +30 % až +100 %
Faktor tepelného výkonu (η) 1,1-1,3 Záver
Jamkové alebo vlnité PTFE rúrky ponúkajú jednoduchý, pasívny spôsob zlepšenia prenosu tepla s veľmi dobrou spoľahlivosťou. Rúry sú navrhnuté tak, aby vytvárali integrálne povrchové geometrie, ktoré porušujú hraničnú vrstvu a podporujú radiálne miešanie, čo vedie k miernemu (20-}60 %) zvýšeniu prenosu tepla bez možnosti migrácie vložiek, kontaktného odporu alebo problémov s čistením. Tento tvar je obzvlášť užitočný v aplikáciách obsahujúcich častice, kryštály alebo zanášacie tekutiny, kde by samostatné vložky boli problematické. Geometria rúrok zostáva kritickým aspektom pri konštrukcii výmenníka tepla – a s PTFE, jamkové alebo vlnité tvary ponúkajú príťažlivú kombináciu výkonu, čistiteľnosť a dlhotrvajúcu odolnosť.