Aký je vplyv priemeru trubice na relatívnu účinnosť turbulátorových vložiek v PTFE výmenníkoch?

Vložka turbulátora, ktorá výrazne zlepšuje prenos tepla v trubici z PTFE s malým priemerom, môže byť výrazne menej účinná v trubici s veľkým priemerom. Pomer turbulentnej zmiešavacej zóny k prierezu rúrky-sa znižuje s priemerom. Účinok škálovania sa zvyčajne ignoruje pri výbere zariadení na pasívne vylepšenie pre výmenníky tepla s fluórpolymérovými rúrkami. Znalosť vplyvu priemeru trubice na relatívny výkon turbulátorov je dôležitá pre návrh nákladovo-efektívnych a tepelne účinných PTFE výmenníkov tepla.

Význam priemeru trubice pri penetrácii miešania
Turbulátorové vložky (krútené pásky, špirálové pružiny, drôtené pletivá, statické mixéry) porušujú hraničnú vrstvu na stene rúrky a vytvárajú sekundárne prúdenie (víry, vír alebo zložky radiálnej rýchlosti). Prenikanie týchto porúch prúdenia v smere do stredu rúrky závisí väčšinou od dvoch faktorov: od geometrie vložky a od priemeru rúrky.

Malý turbulátor môže ovplyvniť značnú časť{0}} prierezovej prietokovej plochy rúrky s malým priemerom (napr. vnútorný priemer 6 mm). Víry, ktoré vychádzajú z okrajov vložky, môžu dosiahnuť stredovú os trubice, čím sa zmení celkový rýchlostný profil z laminárneho alebo prechodného na dobre zmiešané turbulentné prúdenie. V dôsledku toho sa tepelný odpor sústredený v blízkosti steny značne zníži a Nusseltovo číslo sa môže zdvojnásobiť alebo strojnásobiť.

V trubici s veľkým priemerom (napr. vnútorný priemer . 25 mm) vedie rovnaký turbulátor iba k lokalizovanému miešaniu v prstencovej oblasti pri stene. Tok jadra zostáva v podstate nezmenený a je laminárny alebo mierne prechodný. To obmedzuje zlepšenie prenosu tepla do oblasti blízkej steny, zatiaľ čo stredná tekutina prúdi okolo zlepšenej oblasti miešania. Celkový súčiniteľ prestupu tepla-na strane rúrky sa len trochu zvýši. Vzťah účinnosti PTFE výmenníka s priemerom rúrky turbulátora sa zdá byť nasledujúci: čím väčší je priemer, tým viac je zriedený efekt vložky.

Jednoduchá geometrická perspektíva
Predpokladajme vložku, ktorá vyvoláva účinné miešanie až do radiálnej vzdialenosti $\\delta$ od steny rúrky. Prierez,-kde je vylepšené miešanie, je približne:

Pre malý priemer D: frakcia zmiešavacej plochy=1 - ( (D-2\\delta)/D)^2

Pre veľký priemer: podiel zmiešaného prietoku klesá s 1/D² ako D rastie (pre pevné δ)

Pretože δ je obmedzené geometriou vložky (napr. výškou skrúteného okraja pásky, priemerom drôtu pružiny atď.), funkcia miešania, ktorá narúša tok 2 mm od steny, zasiahne takmer celú 6 mm trubicu, ale iba tenký vonkajší prstenec v 20 mm trubici.

Praktické implikácie pre návrh PTFE výmenníka tepla
Pre PTFE plášťové a rúrkové výmenníky tepla sú typické malé veľkosti rúrok, zvyčajne vnútorný priemer 6 mm, 8 mm, 10 mm alebo 12 mm. Nie je to náhoda. Menšie priemery zväčšujú pomer plochy povrchu k objemu, vyrovnávajú nízku tepelnú vodivosť PTFE a zachovávajú kompaktnosť výmenníka. Rovnaké malé priemery spôsobujú, že rúrky sú prirodzene vhodné na vkladanie turbulátorov.

Všeobecným postrehom je, že pre vnútorné priemery rúrok do približne 15 mm vedú štandardné konštrukcie turbulátorov (napr. špirálové pružiny s pomerom rozstupu-k-priemeru 1-2 alebo skrútené pásky s pomerom krútenia 3-5) k výraznému zvýšeniu prenosu tepla (Nu/Nu_smooth=2-3). Pre vložku nad 20 mm poskytuje tá istá doštička zosilňujúce faktory iba 1,2–1,5, pokiaľ geometria vložky nie je agresívne upravená, napríklad väčší priemer drôtu, užšie stúpanie alebo viacchodová pružina.

Praktické vylepšenia pre rozsahy priemerov rúr
Inner Diameter of TubeTypical Enhancement (Nu/Nu_smooth) Pressure drop increase 6-10 mm 2.5-3.5 4-8× 12-15 mm 2.0-2.5 3-6× 16-20 mm 1.5-2.0 2-5× >20 mm 1,2-1,5 (vyžaduje sa vložka s mierkou) 1,5-3× (alebo viac)
Tieto hodnoty platia pre dobre{0}}zhodnú geometriu doštičky a Reynoldsovo číslo v prechodnej fáze (Re ~ 1000-5000). Účinok priemeru je menší pri vyšších Reynoldsových číslach, pretože prirodzená turbulencia je aj tak dominantná.

Úloha Reynoldsovho čísla: Keď malé elektrónky stále zlyhávajú
Ak je prietok veľmi nízky, potom ani trubica s malým priemerom nebude mať z turbulátora žiadnu výhodu. Pri veľmi nízkych Reynoldsových číslach (Re < 100) dominujú viskózne sily a akékoľvek rušenie spôsobené vložkou je okamžite tlmené skôr, ako sa môže šíriť po priereze rúrky-. Miešanie je stále lokalizované a Nusseltovo číslo sa blíži k laminárnej hodnote pre hladké rúrky. V praxi turbulátory fungujú dobre v režime prechodného prúdenia ($ Re sim 400-5000 $). Pod touto hranicou je prírastková výhoda nezávislá od priemeru.

Dizajnéri by si tiež mali uvedomiť, že pre daný hmotnostný prietok majú menšie rúrky prirodzene vyššie Reynoldsove čísla, pretože rýchlosť je nepriamo úmerná prierezu- plochy. Tento synergický efekt je ešte priaznivejší pre kombináciu malého priemeru trubice + turbulátora. Malá trubica má už vyššie Reynoldsovo číslo a turbulátor zosilňuje prechod do turbulencie.

Kompromisy a dôsledky poklesu tlaku
Menšie rúrky majú väčší základný pokles tlaku ako väčšie rúrky pri rovnakom prietoku v dôsledku väčšieho trenia steny. Pridaním turbulátora sa tento pokles tlaku zosilní 3-6. Celkový pokles tlaku v trubici s malým priemerom sa môže stať neúmerným, najmä pri viskóznych kvapalinách alebo predĺžených dĺžkach trubíc. Na druhej strane trubica s veľkým priemerom bude mať nižší základný pokles tlaku, dokonca aj pri zvýšení faktora 3 môže byť absolútny pokles prijateľný. To vedie k konštrukčnému kompromisu medzi zvýšeným prenosom tepla na úkor zvýšených nákladov na čerpanie pre malé rúry a menším zlepšením prenosu tepla vo väčších rúrach s miernejším hydraulickým výkonom.

Pri výmenníkoch PTFE, ktoré sa zvyčajne používajú pre korozívne kvapaliny v systémoch s nízkym poklesom tlaku (napr. kúpele na leštenie kovov pri atmosférickom tlaku), musí projektant zvážiť tieto faktory. Obľúbenou metódou je výber primerane malej rúrky (napr. 10 mm vnútorný priemer) s relatívne voľným turbulátorom (napr. pružina s dlhým stúpaním), aby sa dosiahlo uspokojivé vylepšenie bez výraznej tlakovej penalizácie.

Praktické rady pre výber turbulátora
Vzhľadom na značný vplyv priemeru rúrky je možné urobiť nasledujúce odporúčania týkajúce sa špecifikácie turbulátorových vložiek do PTFE výmenníkov:

Pre rúrky < 10 mm ID: Jedna špirálová pružina alebo skrútená páska funguje celkom dobre. Existuje podstatná pozitívna korelácia medzi účinnosťou turbulátora s priemerom rúrky a PTFE výmenníka. Najmä pri dlhých rúrach je potrebné presne odhadnúť pokles tlaku.

Pre rúrky s ID 12–15 mm: Fungujú štandardné vložky s o niečo nižším vylepšením. Ak je možné tolerovať zvýšenie poklesu tlaku, výkon možno obnoviť použitím užšieho rozstupu alebo väčšieho priemeru drôtu.

Pre rúrky s vnútorným priemerom nad 16 mm: Štandardné vložky sa neodporúčajú. Alternatívou je niekoľko vložiek (dve paralelné pružiny, napríklad viac-zákrutová páska alebo rúrka s drôtenou sieťkou) alebo použitie rôznych vylepšovacích technológií (zdrsnenie rúrok alebo rúrky s vonkajšími drážkami). Za mnohých okolností môže byť použitie zväzku rúr s menším-priemerom lacnejšie ako rúr s veľkým{5}}priemerom s agresívnymi vložkami.

Záver: Prispôsobenie veľkosti trubice stratégii vylepšenia
Turbulátorové vložky fungujú veľmi dobre v rúrkach PTFE s malým priemerom, ktoré sa bežne používajú v systémoch výmenníkov PTFE. V rúrach s vnútorným priemerom 6-12 mm preniká miešanie spôsobené pružinami alebo páskou značnou časťou prierezu prietoku-, čo vedie k zvýšeniu Nusseltovho čísla na dvoj- až trojnásobok hodnoty hladkej rúrky. Relatívna účinnosť rýchlo klesá s priemerom nad 15 mm, pretože tok jadra nie je zmiešaný a na dosiahnutie podobného výkonu je potrebná agresívnejšia vložka alebo početné vložky.

Výber veľkosti trubice súvisí s prístupom vylepšenia. Pri nových projektoch výmenníkov tepla z PTFE by mal projektant začať s požadovanou tepelnou prevádzkou a povoleným poklesom tlaku. Zváženie priemeru rúry ako hlavnej premennej. S korozívnymi, čistými kvapalinami sa často najlepšie manipuluje pomocou malých rúrok s turbulátormi, ktoré bývajú najkompaktnejšou a najhospodárnejšou možnosťou. Pri dodatočnej montáži existujúceho výmenníka je priemer fixný, dostupný faktor vylepšenia sa môže aproximovať pomocou vyššie uvedených smerníc závislých od priemeru a geometria vložky môže byť prispôsobená konkrétnej veľkosti rúrky. Pochopenie prepojenia medzi šírkou trubice, účinnosťou turbulátora a PTFE výmenníkom zaručuje, že turbulátory poskytujú svoje zamýšľané výhody bez zbytočného prehnaného{5}}dizajnu alebo prekvapivého poklesu tlaku.