Ako ovplyvňuje používanie vložiek skrútenej pásky vyrobených z vodivého materiálu (napr. kovu) výkon v porovnaní s vložkami z PTFE?

Je to jednoduchá krútená páska z PTFE, ktorá podporuje prenos tepla vírením toku. Kovová páska robí to isté, ale tiež prenáša teplo zo steny rúrky do seba, pričom funguje v podstate ako vnútorné rebro. To vedie ku konvekčnému vylepšeniu oproti vodivému.

Dva mechanizmy vkladania skrútenej pásky
Akákoľvek skrútená pásková vložka z akéhokoľvek materiálu vytvára špirálový prietokový kanál v trubici. Generované vírenie vytvára odstredivé sily, ktoré tlačia tekutinu smerom k stene rúrky, čo vedie k stenčeniu tepelnej hraničnej vrstvy a zvýšeniu koeficientu prenosu tepla konvekciou. Tento vírivý mechanizmus sám o sebe môže zvýšiť Nusseltovo číslo o 100-150% v porovnaní s prázdnou skúmavkou v závislosti od pomeru výšky tónu.

Ďalší efekt rebrovania je prítomný, ak je páska sama o sebe tepelne vodivý materiál (napr. nehrdzavejúca oceľ, Hastelloy, titán, zliatiny medi). Páska je v priamom kontakte so stenou trubice (zvyčajne pružinové uloženie alebo mierne presahujúce uloženie). teplo prúdi do pásky z horúcej steny a celé telo pásky sa zahrieva. Páska potom dodáva uloženú energiu do prechádzajúcej tekutiny z oboch širokých povrchov. To dáva prierezu rúrky-ďalšiu oblasť prenosu tepla, ako je akési vnútorné pozdĺžne rebro.

Výkon vodivej a nevodivej pásky
Skrútená páska z -nevodivého materiálu, ako je PTFE alebo PFA, môže poskytnúť výlučne vylepšenie konvekčného vírenia. PTFE má veľmi zlú tepelnú vodivosť (približne . 0.25 W/mK), preto nedochádza takmer k žiadnemu prenosu tepla zo steny na pásku. Páska zostáva pri približne miestnej teplote tekutiny a neprispieva k žiadnemu nárazu na rebrá.

Na druhej strane kovová skrútená páska môže mať tepelnú vodivosť rádovo vyššiu. Nehrdzavejúca oceľ (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) alebo meď (~400 W/m·K). S dobrým tepelným kontaktom udržiavaným medzi páskou a stenou rúrky vodivá výhoda výrazne zvyšuje celkový prenos tepla. V usporiadaní trubíc z PTFE s vložkou vodivej skrútenej pásky efekt vírenia a rebrovania zvyčajne poskytuje extra zosilnenie prenosu tepla o 20-30 % v porovnaní s nevodivou páskou za rovnakých podmienok toku.

V prípade krútenej pásky z PTFE sa Nusseltovo číslo zvýši o 120 % (2,2-násobok hodnoty v prázdnej skúmavke), ale dobre{2}}navrhnutá kovová páska s rovnakou geometriou ho môže zvýšiť o 150-170 % (2,5 – 2,7-krát). Skutočný zisk závisí od hrúbky pásky, tepelnej kontaktnej vodivosti a charakteristík tekutiny. Vodivá výhoda je najväčšia, keď je koeficient filmu na stene rúrky už veľký, takže efekt rebra nie je obmedzený odporom rozhrania steny a pásky.

Zrátané a podčiarknuté: Dobrý tepelný kontakt
Kovová páska by mala byť v tesnom tepelnom kontakte s vnútornou stenou PTFE trubice, aby sa dosiahol efekt rebrovania. Vo všeobecnosti sa to robí tak, že šírka pásky je o niečo väčšia ako vnútorný priemer rúrky, takže je vložená pružinou. Vnútorná flexibilita kovovej pásky (alebo mierne skrútenie s nadmernou veľkosťou) tlačí okraje pásky proti stene rúrky. Príliš-tesné uloženie však môže poškodiť PTFE hadičku alebo znemožniť vloženie. Príliš voľný strih vytvára vzduchovú medzeru, ktorá je dobrým tepelným izolantom a neguje efekt plutvy.

V praxi sa kovové skrútené pásky pre PTFE rúrky bežne vyrábajú so šírkou 0,95 až 1,00 vnútorného priemeru rúrky, pričom sa používa špirálovitý tvar na zabezpečenie bodových kontaktov a nie úplného čiarového kontaktu. Skutočná kontaktná plocha je obmedzená a účinnosť plutvy je znížená. Ale aj keď je kontakt len ​​čiastočný, vodivosť sa trochu zvýši, pretože páska zaberá teplo v miestach kontaktu a prenáša ho po svojej dĺžke. Sofistikovanejšie dizajny využívajú hrubšiu pásku alebo prehnutý okraj na zlepšenie kontaktnej plochy.

Riziko korózie a kontaminácie
Jedným z hlavných rizík kontroly je galvanická korózia a kontaminácia kovov. Aj keď je samotná kovová páska vybraná z hľadiska kompatibility s procesnou kvapalinou (napr. Hastelloy C-276 pre agresívne chloridy alebo titán pre oxidujúce kyseliny), vloženie kovovej zložky do PTFE trubice predstavuje dva potenciálne scenáre zlyhania.

Po prvé, ak procesná kvapalina koroduje kov pri prevádzkovej teplote, páska bude korodovať pomaly. Produkty korózie (kovové ióny alebo častice) môžu preniknúť do kvapaliny a kontaminovať produkt. To je nevhodné vo farmaceutických, potravinárskych alebo ultra{2}}čistých chemických aplikáciách. Hlavným cieľom PTFE trubice je zvyčajne vyhnúť sa kontaktu s kovom. Použitie kovovej pásky je proti tomuto účelu.

Po druhé, aj keď je páska sama osebe odolná voči korózii, galvanický pár sa môže vytvoriť aj vtedy, ak je v systéme prítomná akákoľvek iná kovová súčasť (napr. plechová rúrka, obežné koleso čerpadla alebo ventil na výstupe). Pokiaľ sa páska nedotýka žiadnych vonkajších kovových predmetov, je od nich elektricky izolovaná - PTFE trubica je elektrický izolátor. Ak sa však páska dostane do kontaktu s kovovou koncovkou, alebo ak je použitá tekutina elektricky vodivá (napr. vodný elektrolyt), môže byť cez tekutinu vytvorený galvanický obvod. Ušľachtilejší kov (napr. titán) môže podporovať koróziu menej ušľachtilého (napr. uhlíková oceľ) inde v systéme.

Kedy použiť kovovú verzus PTFE skrútenú pásku
V závislosti od priorít aplikácie je na výber medzi vodivou kovovou páskou alebo -nevodivou páskou PTFE.

Kedy použiť kovovú skrútenú pásku:

Procesná kvapalina nie je-korozívna pre vybraný kov (napr. deionizovaná voda, mierne organické rozpúšťadlá, neutrálne soľné roztoky).

Potrebujete maximálny prenos tepla na jednotku dĺžky, čerpací výkon je už obmedzený.

Kompatibilita s kvapalinami je povolená a kontaminácia produktu nepredstavuje problém (napr. ne-farmaceutická priemyselná chémia).

Dobrý tepelný kontakt je možný bez poškodenia PTFE trubice.

Vyberte PTFE alebo PFA skrútenú pásku pre:

Procesná kvapalina je veľmi korozívna (silné kyseliny, zásady, halogény, oxidačné činidlá).

Zabránenie kontaminácii kovovými iónmi (farmaceutická syntéza API, chladenie polovodičov, spracovanie potravín).

Pracovná teplota je za hranicou korózie dostupných zliatin, ale pod 110 stupňov (PTFE) alebo 260 stupňov (PFA).

Jednoduchosť a preukázaná chemická inertnosť prevažujú nad 20-30% zlepšením výkonu kovovej pásky.

V prípade extrémne korozívnych služieb sa napriek strate rebrového efektu používajú pásky PTFE alebo PFA, pretože o spoľahlivosti a čistote, ktorú poskytujú, sa nedá-vyjednávať.

Súhrn výkonu-vodivých a nevodivých pások
Parameter PTFE (ne{0}}vodivá) páska Kovová (vodivá) páska
Mechanizmus prenosu teplaStačí vírenie Vírenie + náraz plutiev
Typická Nu augmentácia (nad prázdnou skúmavkou) 100-150% 130-180%
Extra zisk z vodivosti - +20-30 % v porovnaní s páskou PTFE
Požiadavka na tepelný kontakt Neaplikovateľné (bez nárazu na rebrá) Zásadné prispôsobenie kritickej pružiny -
Riziko korózie Žiadne (inertné voči všetkým chemikáliám až do 110 stupňov) Závisí od kompatibility s kvapalinou-kov
Riziko kontaminácie kovov Nie je možné (korózia alebo opotrebovanie)
Maximálna teplota 110 stupňov (PTFE); 260 stupňov (PFA) Závisí od zliatiny (napr. nehrdzavejúca 400 stupňov)
Stredná cena (extrudovaný PTFE) Vyššia (kovovo opracovaná alebo razená)
Pracovný príklad: Zahrievanie vodného neutrálneho prúdu
Predpokladajme, že výmenník tepla z PTFE sa používa na ohrev neutrálneho prúdu vody-bez chloridov z 20 stupňov na 60 stupňov . Samotné vírenie by zlepšilo prenos tepla pomocou PTFE skrútenej pásky. Rebrový efekt možno zaviesť jej nahradením skrútenou páskou z nehrdzavejúcej ocele 316, vhodne pripevnenou tak, aby sa dotýkala steny rúrky. Celkový súčiniteľ prestupu tepla možno zvýšiť zo 150 W/m²·K na 190 W/m²·K (27 %). Kvapalina nie je-korozívna pre nehrdzavejúcu oceľ pri 60 stupňoch a nespôsobuje výrazné vylúhovanie kovu. Zvýšenie výkonu umožňuje zníženie výmenníka tepla alebo nižší prietok pri rovnakej prevádzke.

V rovnakej aplikácii, ale s mierne kyslou soľankou (pH 4, 1000 ppm chloridu), by nehrdzavejúca oceľ 316 podliehala bodovej korózii. Náklady by boli veľmi vysoké a vyžadovali by si pásku Hastelloy C-276. Ďalšou možnosťou je ísť s lacnejším výkonom PTFE pásky, ktorá úplne zabráni problémom s koróziou.

Zhrnutie
Aplikovaním kovových skrútených pások na plastové pásky možno dosiahnuť efekt vodivého rebra, ktorý môže zlepšiť výkon prenosu tepla asi o 20-30 %. Táto výhoda je však realizovaná iba vtedy, ak je zachovaný dobrý tepelný kontakt so stenou rúrky a čo je dôležitejšie, ak je kov úplne kompatibilný s procesnou tekutinou. Pri chúlostivých operáciách, ako je farmaceutická syntéza alebo vysoko čisté chemické spracovanie, je tepelný prínos zatienený akýmkoľvek rizikom korózie alebo kontaminácie kovov. Výber materiálu pre vylepšené zariadenia by mal byť taký starostlivý ako pre samotný výmenník; pre mnoho korozívnych alebo na čistotu citlivých služieb zostáva inertnosť PTFE alebo PFA pásky vynikajúcou voľbou napriek absencii efektu rebrovania.