Jaký je výkon spirálových pružinových turbulátorů v PTFE trubkách výměníků tepla?

Tato základní drátěná spirála ve tvaru pružiny-, umístěná v trubici z PTFE, může podstatně zlepšit přenos tepla. Cívka přerušuje tok u stěny trubky, ale nebrání jejímu středu, na rozdíl od pevné kroucené pásky. To vede k jiné vyváženosti výkonu. Tato technologie pasivního zvýšení přenosu tepla je zvláště užitečná pro tepelné výměníky PTFE, ve kterých omezená tepelná vodivost samotného polymeru (≈0,25 W/m·K) omezuje celkové koeficienty přenosu tepla. Sestava tepelného výměníku PTFE s turbulátorem se spirálovou pružinou narušuje mezní vrstvu na straně trubky a vytváří velká zlepšení tepelné účinnosti.

Pochopení geometrie turbulátoru se spirálovou pružinou
Turbulátor se spirálovou pružinou je spirálovitě stočený drát, který těsně přiléhá k vnitřnímu průměru PTFE trubice. Cívka je definována třemi geometrickými parametry:

Průměr drátu (d_w) – obvykle 1-3 mm, v závislosti na velikosti trubky

Rozteč cívek (p) – osová vzdálenost mezi sousedními závity

Vnější průměr cívky (Dc): Mírně menší než vnitřní průměr trubky (Di) pro vložení

Účinnost turbulátoru je určena poměrem průměru drátu k průměru trubky (dw/Di) a poměrem stoupání k průměru (p/Di). Běžné konstrukční normy naznačují, že optimálního výkonu je dosaženo pro dw/Di mezi 0,1 a 0,2 a p/Di mezi 1 a 3.

Cívka může být vyrobena z mnoha materiálů v závislosti na kapalině, která je upravována. Pro korozivní vodné nebo kyselé proudy se doporučuje kovový drát potažený PTFE- nebo pevná monofilní cívka z PTFE. Pro méně abrazivní kapaliny, kde není problém s kontaminací kovů, lze použít vysoce legované dráty (např. nerezová ocel 316L, Hastelloy C-276). V celofluorpolymerových systémech poskytuje PFA nebo PTFE pružinu celkovou chemickou odolnost.

Mechanismus separace hraničních vrstev
V hladké trubici pod laminárním nebo nízkým -Reynoldsovým{1}}číslem toku je na stěně trubky vytvořena stacionární mezní vrstva (laminární podvrstva). Tato tenká vrstva představuje hlavní odpor vůči přenosu tepla. Tato podvrstva musí procházet pouze vedením, což je neefektivní.

Hraniční-vrstvou je turbulátor se spirálovou pružinou. Jak tekutina proudí trubicí, každé otočení cívky vytváří místní oddělení proudění, víry a radiální míchání. Důležité je, že cívka neblokuje střed trubky - proudění jádra je v podstatě neomezené. Jedná se o spirálovou pružinu namísto pevné zkroucené pásky, která způsobuje, že celá tekutina proudí vířivým pohybem a často vede k mrtvé zóně kolem středu pásky.

Hlavní účinek pružiny nastává v blízkosti stěny trubky. V bodě maximálního tepelného odporu cívka periodicky narušuje rostoucí mezní vrstvu a zvyšuje turbulentní míchání. V experimentálním srovnání bylo prokázáno, že dobře -navržená pružina může zvýšit Nusseltovo číslo (Nu) na straně trubky 2 až 3krát ve srovnání s hladkou trubicí za stejných podmínek průtoku.

Měřený výkon: Nusseltovo číslo a tlaková ztráta
Neustále je vidět kompromis- mezi zlepšením přenosu tepla a ztrátou tlaku. Typické rozsahy popsané v recenzovaných-studiích pro turbulátory se spirálovou pružinou jsou v Reynoldsových číslech od 500 do 10 000:

Parametr Hladká trubka se spirálovou pružinou
Nusseltovo číslo (Nu) Základní linie (1×) 2–3× augmentace
Faktor tření (f) Základní linie (1x) 3-6x zvýšení
Faktor vylepšení závisí do značné míry na geometrii cívky. Užší stoupání (nižší p/D_i) má za následek častější poruchy průtoku a tím vyšší Nu, ale také vyšší tlakovou ztrátu. Na druhé straně uvolněnější cívka minimalizuje tlakovou penalizaci a přesto přináší významné zlepšení.

Konstrukce cívky je laditelné řešení: pro danou aplikaci lze zvolit rozteč a průměr drátu tak, aby vyhovovaly procesním omezením povoleného poklesu tlaku. Maximální přenos tepla je dosažen s těsnou spirálou pro čisté kapaliny a tam, kde je dostatečná čerpací síla. Pro viskózní kapalinu nebo kapalinu citlivou na smyk poskytuje volnější spirála jemnější míchání.

Výhody pevných kroucených pásek
Turbulátor se spirálovou pružinou má některé praktické výhody oproti pevné kroucené páskové vložce:

Snížená tendence k zanášení - Pružina nevytváří zcela uzavřené stagnující zóny, tj. suspendované částice nebo vysrážené pevné látky se méně usazují. Pevná páska, zejména ve vodorovné trubici, může poskytnout oblast s nízkým-průtokem ve „stínu“ pásky, kde začíná znečištění. Otevřená struktura pružiny umožňuje plynulé proplachování kapaliny.

Snazší instalace a odstranění - Cívku pružiny lze snadno vložit do trubky a sevřít na koncích. Pro dodatečné vybavení lze stávající PTFE trubky výměníku tepla dodatečně namontovat na pružiny bez trvalých úprav. Čištění je snadné, stačí cívku vytáhnout, vyčistit a vrátit zpět.

Nižší materiálové náklady - Ve svitku drátu je mnohem méně materiálu ve srovnání s pevnou páskou, zejména u dlouhých trubek. Pokud jsou požadovány drahé slitiny nebo fluoropolymery, je rozdíl v nákladech značný.

Kompatibilita s roztažitelností PTFE trubek - PTFE trubice mají vysoký koeficient tepelné roztažnosti. Pevná páska, která se hodí při okolní teplotě, by se mohla při provozní teplotě příliš utáhnout a poškodit trubici. Pružinová spirála je pružná a může přijímat rozměrové změny bez vyvinutí nadměrné radiální síly.

Praktické bodové minimální Reynoldsovo číslo pro efektivitu
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) přirozená turbulence již účinně narušuje mezní vrstvu a přírůstkový přínos spirály je snížen v poměru k mimořádnému poklesu tlaku. Turbulátory se spirálovou pružinou jsou proto nejvhodnější pro PTFE tepelné výměníky provozované s viskózními kapalinami, proudy s nízkou rychlostí proudění nebo kompaktní geometrie, které se přirozeně vyznačují nízkým průtokem.

V experimentech vidíme, že faktor vylepšení klesá s rostoucím Reynoldsovým číslem. Pod Re $\\přibližně $ 200 může cívka stále zlepšovat přenos tepla vytvářením mírných sekundárních toků, ale efekt je méně výrazný než v laminární -do- turbulentní přechodové zóně.

Retrofit aplikace a komerční dostupnost
Komerčně dostupné turbulátory se spirálovou pružinou jsou dostupné od řady výrobců součástí výměníků tepla. Běžné průměry PTFE trubek (6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm a 20 mm vnitřní průměr) jsou k dispozici jako standardní provedení. Speciální šířky a rozteče drátu mohou být vyrobeny tak, aby vyhovovaly specifickým procesním potřebám.

Běžnou situací při renovaci je stávající PTFE plášťový-a{1}}trubkový výměník tepla, který nefunguje dobře kvůli nízkým-součinitelům prostupu tepla na straně trubek. Místo přestavby celého výměníku vložíte turbulátory do každé trubky. Instalace se obvykle provádí během plánované odstávky údržby. Zvýšení celkového součinitele prostupu tepla (U) zajišťuje buď vyšší propustnost nebo nižší spotřebu teplé užitkové vody, nebo menší potřebnou plochu pro nový design.

Závěr: Snadná a efektivní pomůcka při instalaci
Turbulátory se spirálovou pružinou jsou snadno instalovatelné a efektivní volbou pro zlepšení přenosu tepla trubicemi PTFE, zejména v čistých provozech. Vložky představují revoluci v tepelném výkonu PTFE výměníků tepla s nízkou vodivostí tím, že zvyšují Nusseltovo číslo na straně trubek 2 až 3 faktorem 2 až 3 při rozumné penalizaci poklesu tlaku 3 až 6krát. Uspořádání výměníku tepla z PTFE s turbulátorem se spirálovou pružinou je otevřené, neznečišťuje -a používá pružný materiál (PTFE, PFA nebo slitinový drát), díky čemuž je vhodné pro korozní aplikace s vysokou-čistotou a dodatečné vybavení.

K dispozici je řada tvarů turbulátorů pro různé účely, včetně kroucených pásek, drátěných sítí a statických mixérů. Spirálová pružina má speciální výklenek, mírné zlepšení, nízké znečištění a jednoduchou instalaci. Turbulátor se spirálovou pružinou si zaslouží značnou pozornost procesních inženýrů, kteří hledají pasivní, nenáročný{2}}způsob údržby, jak optimalizovat přenos tepla při zachování chemické odolnosti.