Jak ovlivní poměr stoupání vložky zkroucené pásky přenos tepla v PTFE trubicích?

Zkroucená páska umístěná v PTFE trubici vytváří vířivý tok, který zvyšuje přenos tepla. Stupeň tohoto víření a výsledný kompromis výkonu jsou přímo řízeny poměrem stoupání zkroucení – reprezentovaným jako těsnost zkroucení.

Co je to Pitch Ratio v kroucených páskových vložkách?
Poměr rozteče je poměr délky potřebné k provedení jednoho plného otočení o 360 stupňů (délka rozteče) k šířce pásky. Například páska, která udělá jednu úplnou otáčku na vzdálenost rovnající se její vlastní šířce, má poměr rozteče 1. Pokud se páska zcela navine přes délku pětinásobku její šířky, poměr rozteče je 5. Nízký poměr rozteče=velmi těsné, prudké zkroucení . Vysoký poměr stoupání=volnější, měkčí zkroucení .

Ve skutečnosti jsou vložky kroucené pásky pro PTFE hadičky konstruovány z PTFE nebo PFA (perfluoralkoxy alkan), aby byla zajištěna plná chemická kompatibilita s vysoce korozivními procesními kapalinami. To zaručuje žádné kovové znečištění nebo problémy s galvanickou korozí ani u silných kyselin, rozpouštědel nebo ultračistých médií.

Vliv Pitch Ratio na víření a přenos tepla
Když tekutina prochází trubicí obsahující zkroucenou pásku, páska tlačí proud tak, aby sledoval spirálový vzor. Toto víření generuje odstředivé síly, které ženou těžší tekutinu směrem ke stěně trubice, čímž se účinně ztenčuje tepelná mezní vrstva. Tomu odpovídá větší koeficient prostupu tepla konvekcí nebo vyšší Nusseltovo číslo.

Poměr výšky je přímo zodpovědný za sílu víření. Silnější tangenciální složka rychlosti je způsobena těsnějším zkroucením (nižší poměr rozteče např. . 2). Takové, že zlepšení přenosu tepla obvykle označované jako poměr Nusseltova čísla s vložkou k tomu u obyčejné trubky může být až 150 % nebo více. Toto rychlé odstřeďování však také vede k podstatně vyššímu tření kapaliny, což vede k obrovskému nárůstu tlakové ztráty, často v rozsahu 200-600 % ve srovnání s prázdnou trubicí.

Na druhou stranu, volnější kroucení (vyšší poměr pitch, např. . 5 nebo 6) poskytne jemnější víření. Zlepšení přenosu tepla je relativně mírné-obvykle o 50-80 % oproti hodnotě obyčejné trubky – ale penalizace poklesu tlaku je úměrně menší, často jen o 100–200 % vyšší.

Poměr rozteče kroucené pásky a výkon přenosu tepla z PTFE spolu -lineárně nesouvisí. Snížení poměru stoupání z 6 na 2 má za následek neúměrně významné zvýšení jak přenosu tepla, tak tření. Optimální poměr stoupání tedy není stanovenou hodnotou, ale zcela závisí na přípustném čerpacím výkonu a požadovaném tepelném zatížení.

Praktická konstrukční doporučení pro PTFE hadičky
V případě PTFE trubek se často volí poměr stoupání 3 ku 5, pokud pokles tlaku není omezujícím faktorem. Toto rozmezí představuje dobrý kompromis: zvýšení součinitele prostupu tepla o cca 80-120 % se zvýšením tlakové ztráty o 200-350 %. Obecně jsou tyto hodnoty tolerovatelné ve většině aplikací chemických procesů, zejména pokud je délka trubice střední (např. výměníky tepla typu plášť a trubka nebo ponorná spirála).

Je třeba poznamenat, že samotné PTFE trubice mají relativně nízkou tepelnou vodivost (cca . 0.25 W/mK). Obecně platí, že hlavní tepelný odpor je ve stěně trubky nebo ve vnitřním filmu tekutiny. Použití kroucené páskové vložky s odpovídajícím poměrem rozteče může významně snížit vnitřní odpor fólie, a proto přesunout řídicí odpor na druhou stranu tepelného výměníku. Díky tomu je celý design vyváženější a nákladově efektivnější.

Vysoký poměr rozteče 6 až 8 lze zvolit pro aplikace, kde je tlaková ztráta velmi omezená, jako jsou gravitační-systémy nebo nízkotlaké-plynové ohřívače. To poskytuje dostatečné víření pro omezení laminárního proudění a zvýšení radiálního míchání, ale penalizace tření je stále tolerovatelná.

Alternativně lze zvolit poměr stoupání 2 ku 3, pokud je požadován maximální přenos tepla bez ohledu na tlakovou ztrátu (např. při vysokoviskózním ohřevu nebo tam, kde jsou náklady na čerpání zanedbatelné). V takových případech lze součinitel prostupu tepla zvýšit až o 150 %. Projektant musí zajistit, aby čerpadlo nebo dmychadlo dokázalo zajistit vyšší tlakovou výšku.

Další technické úvahy
Délka tepelného vstupu je dále zkrácena kroucenými páskovými vložkami v PTFE trubicích, které poskytují plně vyvinuté turbulentní-chování i při nízkých Reynoldsových číslech (Re < 2000). To je zvláště užitečné při pomalém proudění nebo v potrubí s malým průměrem, kde by skutečná turbulence vyžadovala nepraktické rychlosti proudění.

Musíte vzít v úvahu výrobní tolerance. Látka PTFE je pružnější, což ztěžuje výrobu pevně zkroucené pásky (nízký poměr rozteče). Pro velmi nízké poměry stoupání (pod zhruba 2,5) je PFA obecně upřednostňován kvůli své vyšší tuhosti a lepšímu zachování tvaru zkroucení při zvyšujících se teplotách.

Poměr stoupání také ovlivňuje čištění a údržbu. Pásky s velmi nízkým poměrem stoupání (pevné zkroucení) mají tendenci snáze sbírat částice a je obtížnější je odstranit pro čištění. Poměr stoupání 4 nebo větší většinou poskytuje dostatečně otevřenou axiální cestu pro průchod odpadu nebo pro vložení čisticího prasátka.

Shrnutí
Poměr stoupání kroucené páskové vložky je hlavní konstrukční páka pro ovládání přenosu tepla proti kompenzaci poklesu tlaku-u trubic PTFE. Silné víření a vysoké zlepšení přenosu tepla-je dosaženo s nižším poměrem stoupání (tuhším zákrutem) za cenu velkého nárůstu ztrát třením. Vyšší poměry tónů (volnější zákruty) vedou k měkčímu a energeticky-účinnějšímu zesílení. Poměr stoupání mezi 3 a 5 poskytuje vynikající rovnováhu pro většinu aplikací pro manipulaci s korozivními kapalinami. Optimalizace tvaru břitové destičky včetně poměru stoupání je stále klíčovým faktorem pro zlepšení výkonu výměníku tepla, aniž by došlo k ohrožení chemické kompatibility nebo integrity materiálu.