Да ли таласаст или спирални облик ПФА цеви побољшава дистрибуцију топлоте у уљним купатилима ниског{0}}протока, високог{1}}вискозитета?

Термичко управљање уљним купатилима високог{0}}вискозитета, као што су коришћена за производњу полимера, топлотну обраду и облагање хемијског реактора, је стални изазов: уље тече споро (само природна конвекција или рециркулација ниског{1}}тока) и отпорно је на мешање. У таквој атмосфери прави грејач од ПФА цеви производи ограничени облак загрејаног уља који се подиже вертикално, остављајући значајне запремине купатила на нижој температури. Температурна разлика између површине грејача и масног уља је понекад већа од 30-40 степени, што доводи до убрзане деградације ПФА на врућим подручјима. У теорији, таласаста или спирално закривљена ПФА цев резултира бољом дистрибуцијом топлоте кроз секундарне токове и нарушавањем слоја термалне баријере. Степен до којег ова промена облика даје видљиво побољшање зависи од вискозности уља на радној температури, геометрије резервоара и дозвољеног пада притиска у системима са принудним протоком.

Измена узорка тока спиралне геометрије
Течност која тече у и око спиралне ПФА цеви (намотане попут опруге) или синусоидне цеви (таласасте кривине у једној равни) је изложена центрифугалним силама. Метода преноса топлоте у мирном уљном купатилу је природна конвекција. У случају равне вертикалне цеви, природни ток конвекције је искључиво аксијалан и постоји само један стуб загрејаног уља који се пење нагоре. С друге стране, спирална цев има закривљене површине које савијају уље које се диже ка споља док се диже. Мерења брзине слике честица у силиконском уљу од 1000 цП на 120 степени показују да спирална ПФА цев (калем пречника 100 мм, висина 200 мм) ствара ротирајући тороидни образац струјања око грејача. Загрејано уље се диже спирално, а затим се спушта низ зидове резервоара, стварајући велику циркулациону ћелију која заузима 70-80% запремине резервоара. Ова циркулација смањује максималну температурну разлику у резервоару са 25–30 степени (за равну цев) на 10–15 степени (за спиралу) за исту улазну снагу.

Побољшање се повећава са Деан бројем, бездимензионалном количином која мери јачину секундарног протока у закривљеним цевима. За вискозности уља веће од 10.000 цП на радној температури, Деан број је мањи од 5, а секундарни проток је минималан. У овим веома вискозним уљима спирални облик не обезбеђује предност у дистрибуцији топлоте у односу на равну цев јер импулс флуида не ствара циркулацију попречног тока. Практична горња граница вискозитета за спиралну корист је око 8.000-10.000 цП. Вискозитет мора бити мањи од 1000 цП да би секундарни ток био довољно јак да угрози интегритет ПФА омотача локализованом ерозијом на спољашњем радијусу кривина.

Уједначеност површинске температуре и поремећај граничног слоја
Таласаста цев (синусоидна са амплитудом 30-50 мм и таласном дужином од 100-150 мм) ступа у интеракцију са термичким граничним слојем на другачији начин од спирале. Како уље тече преко валовите површине (природном конвекцијом или контролисаним протоком), конвексни и конкавни делови стварају градијенте притиска који резултирају раздвајањем и поновним спајањем тока. Сваки талас генерише малу зону рециркулације на низводној страни конвексног врха чија је дужина 3-5 пречника. Ове зоне рециркулације транспортују хладније уље из масивног тока према површини грејача и смањују дебљину локалног граничног слоја за 30-50% у поређењу са кућиштем са равном цеви. Експерименти термопарова на таласастом ПФА грејачу у уљу од 5.000 цП на 150 степени откривају да површинска температура варира за ±4–6 степени по дужини, у поређењу са ±12–18 степени за прави грејач са истом укупном површином. Побољшана уједначеност температуре директно побољшава животни век ПФА смањењем вршне површинске температуре. Максимална површинска температура је смањена за око 10 степени за смањење од 40–50 % стопе разградње ПФА (пратећи Аррхениусову кинетику).

Таласавост намеће практично ограничење: минимални радијус савијања цеви треба да буде више од 8-10 пута пречника цеви, како би се спречила прекомерна концентрација напрезања у ПФА. За ПФА цеви пречника 12 мм могућ је таласаст облик са радијусом савијања 60 мм. Ужег радијуса (30 мм) долази до локализованог стањивања ПФА зида на спољној кривини, што смањује механичку чврстоћу за 20–30% и повећава опасност од пермеације. Произвођачи таласастих или спиралних ПФА грејача морају користити савијање трна са контролисаном топлотом како би спречили урушавање зида. Кварови у пољу савијених ПФА грејача обично потичу од неограничених кривина са радијусом мањим од 6к пречника цеви.

Водич за избор облика за апликације
Вискозност Радна температура и тип уља Услов протока Преферирани облик цеви Очекивано побољшање уједначености температуре Основно ограничење
Лако уље (100–500 цП), 80–120 степени Само природна конвекција Хеликални (пречник калема 8–10 пута ОД цеви) Смањује ΔТ резервоара са 25 степени на 10-12 степени Секундарни ток еродира ПФА изнад 200 степени
Природна конвекција 120–150 степени Средње уље (500–2.000 цП) Таласасто (амплитуда 4–6× ОД цеви) смањује површинске вруће тачке за 8-12 степени; Таласни размак је пресудан; преуско умањује корист
Средње уље (500-2.000 цп) Низак принудни проток (Ре 100–500) спирални са ширим кораком завојнице Повећајте коефицијент преноса топлоте за 30 до 50 процената Смањење притиска 2-3к равна цев
Тешка нафта (2000–8000 цП), 150–180 степени Природна конвекција Ребраста равна цев или продужена површина спирална/таласаста предност је мала (Деан<5)Change of shape not justified
Тешка нафта (10,000+ цП)Права цев; треба узети у обзир бројне кратке грејаче. Нема значајног побољшања у односу на обликовање.Вискозитет потпуно пригушује секундарне токове
Било који вискозитет, резервоар са механичким миксером Индукована висока турбуленција Равна цев (доминантно мешање) Обликовање кошта новац и не даје вредност. Уједначена температура је већ дата уз мешање,
Резервоар са малим попречним-пресеком (ограничен простор)Природна конвекција Хеликални (мали вертикални профил)Побољшање облика је важније од уштеде простора Процените побољшање равномерности вишеструких грејача
Закључак: Облик је битан само у режиму средњег вискозитета
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\тект{цП}$ висок вискозитет течности инхибира секундарне токове и закривљене цеви нису боље од равних цеви. Спиралне цеви минимизирају градијенте температуре резервоара за 40 до 60 процената, а таласасте цеви смањују вруће тачке на површини за 30 до 50 процената у опсегу од 1.000 до 5.000 цП за најбоље перформансе. Побољшана униформност директно продужава животни век ПФА грејача тако што снижава вршне површинске температуре. За инжењере који разматрају спецификацију грејача за уљне купке средњег вискозитета, препоручује се да затраже рачунарско моделирање динамике флуида (ЦФД) обликоване цеви у њиховој специфичној геометрији резервоара пре него што пређу у производњу. Предности у великој мери зависе од односа ширине и висине резервоара и постављања грејача у односу на зидове. Изнад 8.000 цП, погледајте неколико равних грејача и принудну рециркулацију уместо сложеног облика, јер се трошак спиралне ПФА цеви, која је генерално 30-50% више од равне, не надокнађује повећаном униформношћу.