Kuidas lohutatud või gofreeritud PTFE torud parandavad soojusülekannet ilma täiendavate sisestusteta?

Lohud, lained või spiraalid saab toota otse torule endale, selle asemel et lisada eraldi seadet. Need integreeritud elemendid aitavad katkestada voolu ja suurendada soojusülekannet, ilma et tekiks oht, et sisetükk läheb lahti või tekitab takistusi.

Miks tuleb kaaluda torugeomeetria passiivset täiustamist?
Paljudes keemilistes ja farmatseutilistes protsessides on soojusvahetite töökindlus sama oluline kui nende soojuslik jõudlus. Traditsioonilistel parendusmeetoditel, nagu keerdlint või traatpooli sisestused, on sisemised komponendid, mis on altid migreerumisele, väsimusele või saastumisele. Teine võimalus on muuta toru seina ennast. Dimpeeritud või gofreeritud PTFE torudel on torule omane pinnakaredus või lainelisus. Eraldiseisvate tükkide puudumine tähendab, et mehaanilise rikke, sisetüki kinnijäämise või voolu ummistumise võimalus on peaaegu minimaalne.

See meetod on eriti atraktiivne hõljuvaid aineid sisaldavate vedelike, kristalsete suspensioonide või polümerisatsioonile kalduva keskkonna käsitlemisel. Selliste nõudlike rakenduste jaoks kasutatakse lohutatud või gofreeritud siledat sisemist toru, et tekitada turbulentsi ilma pragudeta, kuhu võib koguneda praht.

Kuidas lohud ja lained lähevad vooluga segamini
Süvend- või gofreeritud PTFE-toru on toru, mille pikkuses on perioodiliste süvendite või süvendite või paisumise ja kokkutõmbumise või lainetuse vaheldumine. Kui vedelik voolab üle nende geomeetriliste erinevuste, katkeb ja taastatakse seinaga külgnev piirkiht järjest-. Iga lohu või laineharja taha eralduvad pöörlevad keerised, et kutsuda esile radiaalne segunemine tuumavedeliku ja seinapiirkonna vahel. Segamine õhutab tõhusalt termilist piirkihti ja suurendab seega konvektiivset soojusülekandetegurit.

Suurendusmehhanism erineb täielikult keeratud lindi sisestusest. Keerutatud lint tagab ühtlase spiraalse keerise, kuid lohud ja lained tekitavad lokaalse perioodilise turbulentsi. Saadud lainelise gofreeritud PTFE toru soojusülekande jõudlus on üldiselt mõõdukam – 20–60% parem kui sileda toruga, kuid proportsionaalselt väiksema rõhulanguse suurenemisega, tavaliselt vahemikus 30–100%.

Praktikas saab geomeetrilisi parameetreid (süvendi sügavus, lainetuse samm ja kõrgus) seadistada soojusülekande võimenduse ja hõõrdekadu kompenseerimiseks-. Lühema sammuga lainetus või sügavamad lohud tekitavad võimsamat turbulentsi, kuid tagavad ka suurema takistuse. Pikemad, madalamad mustrid annavad sujuvama voolu ja mõõdukama tõuke.

Eraldi vahetükkide eelised
Dimp- või gofreeritud PTFE-torudel on keerdlindi või muude lahtiste vahetükkide ees mitmeid praktilisi eeliseid:

sisetüki geomeetria püsiv moodustumine toru seinas. Puudub sisetüki migratsiooni oht: sisetükk ei saa allavoolu nihkuda, vigastada toruotsi või puudutada toru lehte.

Puudub täiendav kontakttakistus: Eraldi sisetükiga on termokontakti takistus sisetüki ja toru seina vahel. Puudub lisatakistus, kuna puudub liides integreeritud lohkude või lainetustega.

Lihtne uurimine ja puhastamine Lainepapist toru sisemus on endiselt avatud, takistusteta kanal. Tavaliselt piisab puhastussea või -harja läbipääsust. Toru puhastamisel keerdteibiga võib tekkida vajadus sisetüki eemaldamiseks.

Vähendatud mehaanilise kulumise oht: Pöörlevad sisetükid võivad aja jooksul põhjustada vibratsiooni ja PTFE toru seina hõõrdumist, eriti suurema voolukiiruse korral. Integraalsel geomeetrial ei ole toru ja parendusfunktsiooni vahel suhtelist liikumist.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) on keeratud lint sisetükk parem kui lohkudega või gofreeritud torud. Integreeritud torukonstruktsioon on aga populaarne valik rakendustes, kus on vastuvõetav kerge täiustus ja töökindlus on ülimalt oluline.

PTFE töötlemine
Metallist soojusvahetites (nt roostevaba teras, vask) kasutatakse tavaliselt gofreeritud ja lohkudega torusid. Nende PTFE-le rakendamiseks on vaja unikaalseid ekstrusiooni- või termovormimisprotseduure. PTFE-d ei saa sulatada nagu termoplasti. PTFE on tavaliselt ekstrudeeritud rammiga või pastaga. PTFE-le saab pärast paagutamist rakendada pöörlevat-stantsimismeetodit, et luua täpsed lohud või lainetus, või toru tõmbamiseks võib kasutada järjestikuseid kuumutatud stantse. Pidev gofreeritud PTFE torud on kaubanduslikult saadaval spetsiaalsetelt tootjatelt tagasihoidliku läbimõõduga (tavaliselt 6-25 mm).

Seina paksuse kontroll peab olema väga range. Sein võib olla liiga õhuke ja võib laineliste ülaosas sisemise rõhu all kokku kukkuda; sein võib olla liiga paks ja tiheda lainetuse tekitamiseks vajalik paindevastavus on vähenenud. Gofreeritud PTFE soojusvaheti torude seinapaksused on üldiselt vahemikus 0,8 kuni 2,0 mm, sõltuvalt läbimõõdust ja rõhuklassist.

Voolurežiimi ja rõhukadu mõju
Laminaarses voolus (Re < 2000) on lohkude ja laineliste olemasolul oluline mõju. Isegi madalate Reynoldsi arvude korral käivitavad need varajase ülemineku ebastabiilsele, segavale-domineerivale voolurežiimile, mis suurendab Nusselti arvu 40–80% võrreldes sileda toruga. Samuti on oluline rõhukadu trahv, kuna vool on sunnitud pidevalt kiirenema ja aeglustuma.

Turbulentses voolus (Re > 4000) on suhteline paranemine harvem - 20-40% – kuna loomulik turbulents tagab juba tõhusa segunemise. Kuid rõhu languse protsentuaalne suurenemine kipub olema väiksem. Korralikult ehitatud süvendiga toru soojusliku jõudluse koefitsient (soojusülekande paranemise ja hõõrdumise suurenemise suhe 1/3 võimsuseni) võib olla parem kui 1,2, mis näitab energia netosäästu võrreldes sileda toruga sama pumpamisvõimsuse korral.

Allolev tabel võtab kokku lohuga või gofreeritud PTFE torude tüüpilised jõudlusvahemikud võrreldes siledate PTFE torudega, mis põhinevad veetaolistel vedelikel Re=2000-5000.

Parameetri tüüpiline paranemisvahemik Nusselti arvu (soojusülekandetegur) paranemine ++20% kuni +60%
Hõõrdeteguri (rõhulanguse) tõus +30% kuni +100%
Soojusvõimetegur (η) 1,1-1,3 Järeldus
Dimped või gofreeritud PTFE torud pakuvad lihtsat ja passiivset viisi soojusülekande parandamiseks väga hea töökindlusega. Torud on konstrueeritud nii, et luuakse terviklik pinnageomeetria, mis lõhub piirkihi ja soodustab radiaalset segunemist, mille tulemuseks on mõõdukas (20-60%) soojusülekande suurenemine, ilma et tekiks võimalikku sisendi migratsiooni, kontakti takistust või puhastusprobleeme. Kuju on eriti kasulik rakendustes, mis sisaldavad osakesi, kristalle või saastet tekitavaid vedelikke, kus eraldi sisetükid oleksid problemaatilised. Toru geomeetria jääb soojusvaheti disainis kriitiliseks aspektiks – ja PTFE-ga pakuvad lohutatud või gofreeritud kujundid ahvatlevat segu jõudlusest, puhastatavusest ja kauakestvast vastupidavusest.