Aký je výkon špirálových pružinových turbulátorov v rúrkach výmenníka tepla z PTFE?

Tento základný drôt v tvare pružiny-umiestnený do trubice z PTFE môže výrazne zlepšiť prenos tepla. Cievka prerušuje tok na stene trubice, ale neprekáža v strede, na rozdiel od pevnej skrútenej pásky. To vedie k inej bilancii výkonu. Táto pasívna technológia zosilnenia prenosu tepla je užitočná najmä pre PTFE výmenníky tepla, v ktorých obmedzená tepelná vodivosť samotného polyméru (≈0,25 W/m·K) obmedzuje celkové koeficienty prestupu tepla. Zostava výmenníka tepla PTFE s turbulátorom so špirálovou pružinou porušuje hraničnú vrstvu na strane rúrky a vytvára veľké zlepšenie tepelnej účinnosti.

Pochopenie geometrie turbulátora so špirálovou pružinou
Turbulátor so špirálovou pružinou je špirálovito stočený drôt, ktorý tesne prilieha k vnútornému priemeru PTFE trubice. Cievka je definovaná tromi geometrickými parametrami:

Priemer drôtu (d_w) – zvyčajne 1-3 mm, v závislosti od veľkosti rúrky

Stúpanie cievok (p) – osová vzdialenosť medzi susednými závitmi

Vonkajší priemer cievky (Dc): O niečo menší ako vnútorný priemer trubice (Di) na vloženie

Účinnosť turbulátora je určená pomerom priemeru drôtu k priemeru rúrky (dw/Di) a pomerom stúpania k priemeru (p/Di). Spoločné konštrukčné normy naznačujú, že optimálny výkon sa dosiahne pre dw/Di medzi 0,1 a 0,2 a p/Di medzi 1 a 3.

Cievka môže byť vyrobená z mnohých materiálov v závislosti od kvapaliny, ktorá sa spracováva. Pre korozívne vodné alebo kyslé prúdy sa odporúča kovový drôt potiahnutý PTFE- alebo pevná PTFE monofilová cievka. Pre menej abrazívne kvapaliny, kde nie je problémom kontaminácia kovov, sa môžu použiť vysokolegované drôty (napr. nehrdzavejúca oceľ 316L, Hastelloy C-276). V celofluoropolymérových systémoch poskytuje PFA alebo PTFE pružina úplnú chemickú odolnosť.

Mechanizmus oddeľovania hraničných vrstiev
V hladkej trubici pod laminárnym alebo nízkym -Reynoldsovým{1}} číslom toku je na stene trubice vytvorená stacionárna hraničná vrstva (laminárna podvrstva). Táto tenká vrstva predstavuje hlavný odpor proti prenosu tepla. Táto podvrstva musí prechádzať len vedením, čo je neefektívne.

Hraničnou-vrstvou je turbulátor so špirálovou pružinou. Keď tekutina preteká trubicou, každé otočenie cievky vytvára lokálne oddelenie toku, víry a radiálne miešanie. Dôležité je, že cievka neblokuje stred trubice - prúdenie jadra je v podstate neobmedzené. Toto je špirálová pružina namiesto pevnej skrútenej pásky, ktorá spôsobuje, že celá tekutina prúdi vírivým pohybom a často vedie k mŕtvej zóne okolo stredu pásky.

Hlavný účinok pružiny nastáva v blízkosti steny rúrky. V bode maximálneho tepelného odporu cievka periodicky narúša rastúcu hraničnú vrstvu, čím sa zvyšuje turbulentné miešanie. Experimentálnym porovnaním bolo dokázané, že dobre{2}}navrhnutá pružina môže zvýšiť Nusseltove číslo (Nu) na strane trubice 2 až 3-krát v porovnaní s hladkou trubicou za rovnakých podmienok prietoku.

Meraný výkon: Nusseltove číslo a pokles tlaku
Kompromis- medzi zlepšením prenosu tepla a stratou tlaku je neustále viditeľný. Typické rozsahy opísané v partnerských-štúdiách pre špirálové pružinové turbulátory sú v Reynoldsových číslach od 500 do 10 000:

Parameter Hladká trubica so špirálovou pružinou
Nusseltov počet (Nu) Základná línia (1×) 2–3× augmentácia
Faktor trenia (f) Základná línia (1x) 3-6x zvýšenie
Faktor vylepšenia závisí vo veľkej miere od geometrie cievky. Užšie stúpanie (nižšie p/D_i) má za následok častejšie poruchy prietoku a tým vyššie Nu, ale aj vyšší pokles tlaku. Na druhej strane, uvoľnenejšia cievka minimalizuje tlakovú penalizáciu a napriek tomu prináša výrazné zlepšenie.

Konštrukcia cievky je laditeľné riešenie: pre danú aplikáciu je možné zvoliť rozstup a priemer drôtu tak, aby vyhovovali procesným obmedzeniam na povolený pokles tlaku. Maximálny prenos tepla sa dosiahne pomocou tesnej cievky pre čisté kvapaliny a tam, kde je dostatočná čerpacia sila. Pre viskóznu kvapalinu alebo kvapalinu citlivú na strih poskytuje voľnejšia špirála jemnejšie miešanie.

Výhody pevných skrútených pások
Turbulátor so špirálovou pružinou má oproti pevnej skrútenej páskovej vložke niekoľko praktických výhod:

Znížená tendencia k zanášaniu - Pružina nevytvára úplne uzavreté stagnujúce zóny, tj suspendované častice alebo vyzrážané pevné látky sa menej pravdepodobne ukladajú. Pevná páska, najmä v horizontálnej trubici, môže poskytnúť oblasť s nízkym-tečením v „tieni“ pásky, kde začína znečistenie. Otvorená štruktúra pružiny umožňuje plynulé preplachovanie tekutiny.

Jednoduchšia inštalácia a odstránenie - Pružinová cievka sa dá jednoducho vložiť do trubice a na jej koncoch sa upne. Pre aplikácie dodatočnej montáže je možné existujúce PTFE rúrky výmenníka tepla dodatočne namontovať na pružiny bez trvalej úpravy. Čistenie je jednoduché, stačí vytiahnuť cievku, vyčistiť ju a vložiť späť.

Nižšia cena materiálu - V cievke drôtu je oveľa menej materiálu v porovnaní s pevnou páskou, najmä v prípade dlhých rúrok. Ak sú potrebné drahé zliatiny alebo fluórpolyméry, rozdiel v nákladoch je značný.

Kompatibilita expanzie PTFE trubíc - PTFE trubice majú vysoký koeficient tepelnej rozťažnosti. Pevná páska, ktorá sa hodí pri okolitej teplote, by sa mohla pri prevádzkovej teplote príliš utiahnuť a poškodiť trubicu. Pružinová špirála je flexibilná a dokáže akceptovať rozmerové zmeny bez toho, aby vyvíjala nadmernú radiálnu silu.

Praktické bodové minimálne Reynoldsovo číslo pre efektívnosť
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10 000) prirodzená turbulencia už účinne narúša hraničnú vrstvu a prírastkový prínos cievky je znížený v porovnaní s dodatočným poklesom tlaku. Turbulátory so špirálovou pružinou sú preto najvhodnejšie pre PTFE tepelné výmenníky pracujúce s viskóznymi kvapalinami, prúdmi s nízkou rýchlosťou prúdenia alebo kompaktnými geometriami, ktoré sa prirodzene vyznačujú nízkym prietokom.

V experimentoch vidíme, že faktor vylepšenia klesá so zvyšujúcim sa Reynoldsovým číslom. Pod Re $\\cca$ 200 môže cievka ešte zlepšiť prenos tepla vytváraním miernych sekundárnych tokov, ale efekt je menej výrazný ako v laminárnej -až{3}}turbulentnej prechodovej zóne.

Retrofit aplikácie a komerčná dostupnosť
Komerčne dostupné turbulátory so špirálovou pružinou sú dostupné od mnohých výrobcov komponentov výmenníkov tepla. Bežné priemery PTFE trubíc (6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm a 20 mm vnútorný priemer) sú dostupné ako štandardné prevedenia. Môžu byť vyrobené špeciálne šírky a rozstupy drôtov, aby vyhovovali špecifickým procesným potrebám.

Bežnou situáciou pri rekonštrukcii je existujúci PTFE plášťový-a{1}}rúrkový výmenník tepla, ktorý nefunguje správne z dôvodu nízkych koeficientov prestupu tepla na strane rúr-. Namiesto prestavby celého výmenníka vložíte turbulátory do každej trubice. Inštalácia sa zvyčajne vykonáva počas plánovanej odstávky údržby. Zvýšenie celkového súčiniteľa prestupu tepla (U) poskytuje buď vyššiu priepustnosť alebo nižšiu spotrebu teplej úžitkovej vody, alebo nižšiu potrebnú plochu pre nový dizajn.

Záver: Jednoduchá a efektívna pomôcka pri inštalácii
Turbulátory so špirálovými pružinami sú jednoduchou inštaláciou, efektívnou voľbou na zlepšenie prenosu tepla trubicou PTFE, najmä v čistých službách. Vložky spôsobujú revolúciu v tepelnom výkone PTFE výmenníkov tepla s nízkou vodivosťou PTFE zvýšením Nusseltovho čísla na -strane rúrky o faktor 2 až 3 pri primeranej penalizácii poklesu tlaku 3 až 6-krát. Usporiadanie výmenníka tepla z PTFE s turbulátorom so špirálovou pružinou je otvorené, neznečisťujúce -a používa flexibilný materiál (PTFE, PFA alebo zliatinový drôt), vďaka čomu je vhodné pre korozívne aplikácie s vysokou-čistotou a dodatočnú montáž.

Na splnenie rôznych účelov je k dispozícii množstvo tvarov turbulátorov, vrátane skrútených pások, drôtených sietí a statických mixérov. Špirálová pružina má špeciálny výklenok, mierne zlepšenie, nízke zanášanie a jednoduchú inštaláciu. Turbulátor so špirálovou pružinou si zasluhuje značnú pozornosť procesných inžinierov, ktorí hľadajú pasívny spôsob s nízkymi -údržbami na optimalizáciu prenosu tepla pri zachovaní chemickej odolnosti.