Kuidas mõjutab juhtivast materjalist (nt metallist) valmistatud keerdteipsiseste kasutamine jõudlust võrreldes PTFE sisestustega?

See on lihtne PTFE-st keerdlint, mis soodustab soojusülekannet voolu keerutades. Metalllint teeb sama, kuid edastab soojust ka toru seinast endasse, toimides sisuliselt sisemise ribina. See toob kaasa konvektiivsuse paranemise juhtiva suhtes.

Kaks keerdlindi sisestamise mehhanismi
Mis tahes materjalist keeratud lindi sisestus tekitab toru sees spiraalse voolukanali. Tekkiv keeris tekitab tsentrifugaaljõude, mis suruvad vedelikku toru seina poole, mille tulemuseks on termilise piirkihi õhenemine ja konvektiivse soojusülekandeteguri suurenemine. Ainuüksi see keerlemismehhanism võib suurendada Nusselti arvu tühja toruga võrreldes 100–150% võrra, olenevalt sammusuhtest.

Täiendav uimeefekt ilmneb siis, kui lint ise on soojust juhtiv materjal (nt roostevaba teras, Hastelloy, titaan, vasesulamid). Lint on otseses kontaktis toru seinaga (tavaliselt vedrustusega või kergelt häiriv sobivus). soojus voolab kuumseinast lindile ja kogu lindi korpus soojendatakse. Seejärel edastab lint salvestatud energia mõlemalt laialt pinnalt läbivasse vedelikku. See annab toru{6}}ristlõikele täiendava soojusülekandeala, nagu omamoodi sisemine pikisuunaline rib.

Juhtiva ja mittejuhtiva lindi jõudlus
Mittejuhtivast materjalist, näiteks PTFE-st või PFA-st, keeratud lint võib ainult konvektiivse keerise võimendada. PTFE-l on väga halb soojusjuhtivus (umbes . 0.25 W/mK), mistõttu soojust seinalt lindile peaaegu ei toimu. Lint püsib ligikaudu kohalikul vedelikutemperatuuril ja ei mõjuta ribi.

Teisest küljest võib metallist keerdlindi soojusjuhtivus olla suurusjärgus suurem. Roostevaba teras (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) või vask (~400 W/m·K). Kui teibi ja toru seina vahel säilib hea termiline kontakt, suurendab juhtivuse eelis oluliselt üldist soojusülekannet. Juhtiva keerdlindi sisestusega PTFE torude paigutuses annab keerise pluss ribi efekt tavaliselt 20-30% täiendava soojusülekande võimenduse mittejuhtiva lindi suhtes samadel voolutingimustel.

PTFE-keerdlindi puhul suureneb Nusselti arv 120% (2,2 korda suurem kui tühja toru puhul), kuid hästi-disainitud sama geomeetriaga metalllint võib seda suurendada 150-170% (2,5–2,7 korda). Tegelik võimendus sõltub lindi paksusest, soojuskontakti juhtivusest ja vedeliku omadustest. Juhtivuse eelis on suurim, kui kilekoefitsient toru seinal on juba suur, nii et ribiefekti ei piira seina-lindi liidese takistus.

Alumine rida: hea termiline kontakt
Metalllint peaks olema PTFE-toru siseseinaga tihedas termilises kontaktis, et saavutada ribiefekt. Tavaliselt tehakse seda nii, et lindi laius on veidi suurem kui toru siseläbimõõt, nii et see sisestatakse vedruga. Metallteibi olemuslik paindlikkus (või tagasihoidlik ülemõõduline keerdumine) surub lindi servad vastu toru seina. Liiga-tihe sobitus võib aga kahjustada PTFE-torusid või muuta sisestamise võimatuks. Liiga lõtv sobivus tekitab õhupilu, mis on hea soojusisolaator ja tühistab uimeefekti.

Praktikas valmistatakse PTFE-torude metallist keerutatud teipe tavaliselt toru ID-st 0,95–1,00 laiusega, kasutades punktkontaktide, mitte täisliinikontaktide tagamiseks spiraalset kuju. Tegelik kontaktpind on piiratud ja uimede efektiivsus väheneb. Kuid isegi siis, kui kontakt on ainult osaline, suureneb juhtivus veidi, kuna lint võtab kokkupuutekohtades soojust ja kannab seda kogu pikkuses. Keerulisemate kujunduste puhul kasutatakse kontaktala parandamiseks paksemat teipi või volditud serva.

Korrosiooni- ja saastumise oht
Üks peamisi kontrollitavaid riske on galvaaniline korrosioon ja metallide saastumine. Isegi kui metalllint ise on valitud protsessivedelikuga ühilduvuse järgi (nt Hastelloy C-276 agressiivsete kloriidide jaoks või titaan oksüdeerivate hapete jaoks), kujutab metallkomponendi sisestamine PTFE torusse kahte potentsiaalset rikkestsenaariumi.

Esiteks, kui protsessivedelik söövitab metalli töötemperatuuril, korrodeerub lint aeglaselt. Korrosiooniproduktid (metalliioonid või osakesed) võivad imbuda vedelikku ja saastada toodet. See on sobimatu farmaatsia-, toidu- või ülimalt{2}}keemiliste rakenduste puhul. PTFE toru eesmärk on tavaliselt vältida kokkupuudet metalliga. Metalllindi kasutamine on selle eesmärgiga vastuolus.

Teiseks, isegi kui lint on ise korrosioonikindel, võib galvaanilise paari ikkagi tekkida, kui süsteemis on mõni muu metallkomponent (nt metalltoru leht, pumba tiivik või allavooluklapp). Kuni see ei puuduta väliseid metallesemeid, on lint neist elektriliselt isoleeritud - PTFE toru on elektriisolaator. Kui aga lint puutub kokku metallist otsaliitmikuga või kui kasutatav vedelik on elektrit juhtiv (nt elektrolüüdi vesi), võib läbi vedeliku konstrueerida galvaanilise vooluringi. Väärismetall (nt titaan) võib soodustada vähem väärismetalli (nt süsinikterase) korrosiooni mujal süsteemis.

Millal kasutada metalli vs PTFE keerdteipi?
Olenevalt rakenduse prioriteetidest on võimalik valida juhtiva metallteibi või mittejuhtiva PTFE-teibi vahel.

Millal kasutada metallist keerdteipi:

Protsessi vedelik ei ole -söövitav valitud metallile (nt deioniseeritud vesi, nõrgad orgaanilised lahustid, neutraalsed soolveed).

Vajad maksimaalset soojusülekannet pikkuseühiku kohta, pumpamisvõimsus on juba piiratud.

Vedelikuga ühilduvus on lubatud ja toote saastumine ei ole probleem (nt mitte-farmatseutiline tööstuskeemia).

Hea soojuskontakt on võimalik ilma PTFE toru kahjustamata.

Valige PTFE või PFA keerdteip:

Protsessi vedelik on väga söövitav (tugevad happed, leelised, halogeenid, oksüdeerivad ained).

Metalliioonidega saastumise vältimine (farmatseutilise API süntees, pooljuhtide jahutamine, toiduainete töötlemine).

Töötemperatuur ületab saadaolevate sulamite korrosioonipiiri, kuid alla 110 kraadi (PTFE) või 260 kraadi (PFA).

Lihtsus ja tõestatud keemiline inertsus kaaluvad üles metalllindi jõudluse 20-30% paranemise.

Äärmiselt söövitavate teenuste puhul kasutatakse vaatamata ribiefekti kadumisele PTFE- või PFA-teipe, kuna nende pakutav töökindlus ja puhtus on vaieldamatud.

Juhtivate ja mittejuhtivate{0}}lintide toimivuse kokkuvõte
Parameeter PTFE (mittejuhtiv) lint Metallist (juhtiv) lint
Soojusülekande mehhanismLihtsalt keerutamine Keeris + uime löök
Tüüpiline Nu suurendamine (üle tühja toru) 100–150% 130–180%
Lisakasum juhtivusest - +20-30 % võrreldes PTFE-lindiga
Soojuskontakti nõue Ei kohaldata (ei löö ribi) Kriitiline - vedru sobivus on oluline
Korrosioonioht Puudub (inertne kõikide kemikaalide suhtes kuni 110 kraadini) Sõltub vedeliku -metalli ühilduvusest
Metalli saastumise oht Pole võimalik (korrosioon või kulumine)
Maksimaalne temperatuur 110 kraadi (PTFE); 260 kraadi (PFA) sulamist sõltuv (nt roostevaba 400 kraadi)
Maksumus mõõdukas (ekstrudeeritud PTFE) kõrgem (metallist töödeldud või tembeldatud)
Töönäide: veepõhise neutraalse voolu kuumutamine
Oletame, et PTFE-soojusvahetit kasutatakse neutraalse, kloriidivaba -veevoolu soojendamiseks 20 kraadilt 60 kraadini. Ainuüksi keeris parandaks soojusülekannet PTFE keerdteibiga. Uimeefekti saab luua, asendades selle roostevabast terasest 316 keeratud teibiga, mis on sobivalt toruseinaga kokku sobitatud. Üldist soojusülekandetegurit saab suurendada 150 W/m²·K-lt 190 W/m²·K-ni (27%). Vedelik on 60 kraadi juures roostevaba terase suhtes mitte{11}}söövitav ega põhjusta märkimisväärset metalli leostumist. Toimivuse suurendamine võimaldab vähendada soojusvahetit või väiksemat voolukiirust sama töö jaoks.

Samas rakenduses, kuid kergelt happelises soolvees (pH 4, 1000 ppm kloriidi), oleks roostevaba teras 316 allutatud punktkorrosioonile. Maksumus oleks väga kõrge, selleks oleks vaja Hastelloy C-276 linti. Teine võimalus on kasutada PTFE-lindi odavamat jõudlust, mis väldib korrosiooniprobleemi täielikult.

Kokkuvõte
Metallist keerdteibide pealekandmisega plastlintidele võib saavutada juhtiva ribiefekti, mis võib soojusülekannet parandada umbes 20-30%. See kasu saavutatakse aga ainult siis, kui säilib hea termiline kontakt toru seinaga ja mis veelgi olulisem, kui metall on protsessivedelikuga täielikult ühilduv. Delikaatsete toimingute puhul, nagu farmaatsia süntees või kõrge puhtusastmega keemiline töötlemine, varjutab soojuse kasu igasugune korrosiooni- või metallisaastumisoht. Lisaseadmete materjali valik peaks olema sama ettevaatlik kui soojusvaheti enda jaoks; Paljude söövitavate või puhtustundlike teenuste puhul jääb PTFE- või PFA-lindi inertsus parimaks valikuks hoolimata ribiefekti puudumisest.