Како удубљене или валовите ПТФЕ цеви побољшавају пренос топлоте без додатних уметака?

Удубљења, набори или спирале се могу произвести директно на самој цеви, уместо да се дода посебан уређај. Ови интегрисани елементи помажу да се прекине проток и повећа пренос топлоте без ризика да се уметак олабави или створи препреку.

Зашто је потребно узети у обзир пасивно побољшање геометријом цеви
У многим хемијским и фармацеутским процесима, поузданост измењивача топлоте је подједнако важна као и њихове термичке перформансе. Традиционалне методе побољшања као што су уметци уврнуте траке или жичане намотаје имају унутрашње компоненте које су склоне миграцији, замору или локацијама запрљања. Други приступ је измена самог зида цеви. Удубљена или валовита ПТФЕ цев има храпавост површине или таласастост која је својствена цеви. Нема посебних делова значи да је потенцијал механичког квара, заглављивања уметка или блокаде протока скоро минимизиран.

Овај метод је посебно атрактиван за рад са течностима које садрже суспендоване чврсте материје, кристалне суспензије или медије склоне полимеризацији. За тако захтевне примене, користи се глатка унутрашња цев са удубљењем или валовитом за стварање турбуленције без пукотина на којима би се остаци могли сакупљати.

Како се рупице и набори мешају са током
Удубљена или валовита ПТФЕ цев је цев која има низ периодичних удубљења или удубљења или наизменичних проширења и контракција или набора дуж своје дужине. Како течност тече преко ових геометријских разлика, гранични слој поред зида се сукцесивно прекида и поново-успоставља. Вртложни вртлози се избацују иза сваке рупице или гребена да би изазвали радијално мешање између течности језгра и области зида. Мешање ефикасно разређује термички гранични слој и тиме повећава коефицијент конвективног преноса топлоте.

Механизам за побољшање је потпуно другачији од оног код уврнуте траке. Уврнута трака обезбеђује стабилан спирални вртлог, али рупице и набори стварају локализовану периодичну турбуленцију. Резултирајуће перформансе преноса топлоте валовите ПТФЕ цеви са удубљењем су генерално умереније – у распону од 20-60% побољшања у односу на глатку цев- али са пропорционално мањим повећањем пада притиска, обично између 30-100%.

У пракси, геометријски параметри (дубина удубљења, корак набора и висина) могу да се подесе тако да-одступе између повећања преноса топлоте и губитка трења. Набори краћег корака или дубље рупице стварају снажнију турбуленцију, али такође пружају већи отпор. Дужи, плићи узорци дају глаткији проток са умеренијим појачањем.

Предности одвојених уметака
Удубљене или валовите ПТФЕ цеви имају различите практичне предности у односу на уплетену траку или друге лабаве уметке:

упорно формирање геометрије уметка у зиду цеви. Нема ризика од миграције уметка: Нема шансе да се уметак помери низводно, повреди крајеве цеви или додирне цевни лист.

Без додатног контактног отпора: Са посебним уметком, отпор топлотног контакта је између уметка и зида цеви. Нема додатног отпора јер нема интерфејса са интегралним удубљењима или наборима.

Лако испитивање и чишћење Унутрашњост валовите цеви је и даље отворен, неометан канал. Обично је довољан пролаз свиње за чишћење или четке. Чишћење цеви са уврнутом траком може захтевати уклањање уметка.

Смањена опасност од механичког хабања: Вртлајући умеци могу временом проузроковати вибрације и хабање зида ПТФЕ цеви, посебно при већим брзинама протока. Интегрална геометрија нема релативно кретање између цеви и функције за побољшање.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) уметак уплетене траке је бољи од удубљених или валовитих цеви. Међутим, дизајн интегралне цеви је популаран избор за апликације где је благо побољшање прихватљиво и поузданост је од највеће важности.

Обрада ПТФЕ
Валовите и удубљене цеви се обично користе у металним измењивачима топлоте (нпр. нерђајући челик, бакар). Неки јединствени поступци екструзије или термоформирања су потребни за њихову примену на ПТФЕ. ПТФЕ се не може топити као термопластика. ПТФЕ се генерално екструдира рамом или пастом. Метода ротационог{6}}пробијања може се применити на ПТФЕ након синтеровања да би се добиле тачне удубљења или набори, или се може користити низ загрејаних калупа за извлачење цеви. Континуиране валовите ПТФЕ цеви су комерцијално доступне од специјализованих произвођача за скромне пречнике (обично 6-25 мм).

Контрола дебљине зида мора бити веома строга. Зид може бити превише танак и може се срушити под унутрашњим притиском на врховима набора; зид може бити превише дебео и савијање потребно за стварање чврстог ребра је смањено. Дебљине зида валовитих ПТФЕ цеви размењивача топлоте су углавном у опсегу од 0,8 до 2,0 мм у зависности од пречника и степена притиска.

Ефекти режима протока и губитка притиска
У ламинарном току (Ре < 2000) присуство удубљења и набора има значајан утицај. Чак и при ниским Рејнолдсовим бројевима они покрећу рани прелазак на нестабилан режим протока којим-доминира мешање, што повећава Нуселтов број за 40-80% у поређењу са глатком цеви. Такође, казна губитка притиска је важна јер је проток принуђен да се убрзава и успорава континуирано.

Код турбулентног струјања (Ре > 4000) релативно побољшање је ређе - често 20-40% – пошто природна турбуленција већ обезбеђује ефикасно мешање. Међутим, проценат повећања смањења притиска има тенденцију да буде мањи. Правилно конструисана цев са удубљењем може имати фактор топлотних перформанси (однос побољшања преноса топлоте и повећања трења на 1/3 снаге) бољи од 1,2, што указује на нето уштеду енергије у поређењу са глатком цеви за исту снагу пумпања.

Табела у наставку резимира типичне опсеге перформанси за ПТФЕ цеви са удубљењем или валовитом у односу на глатке ПТФЕ цеви засноване на течностима попут воде на Ре=2000-5000.

Параметар Типични опсег побољшања Побољшање Нуселтовог броја (коефицијент преноса топлоте) ++20% до +60%
Фактор трења (пад притиска) повећање од +30% до +100%
Фактор топлотних перформанси (η) 1.1-1.3 Закључак
Удубљене или ребрасте ПТФЕ цеви нуде једноставан, пасиван начин за побољшање преноса топлоте уз веома добру поузданост. Цеви су пројектоване да створе интегралне геометрије површине које разбијају гранични слој и промовишу радијално мешање, што резултира умереним (20-60%) повећањем преноса топлоте без потенцијала за миграцију уметка, отпорност на контакт или проблеме са чишћењем. Облик је посебно користан у апликацијама које садрже честице, кристале или загађујуће течности где би одвојени уметци били проблематични. Геометрија цеви остаје критичан аспект у дизајну измењивача топлоте – а са ПТФЕ-ом, удубљени или валовити облици нуде привлачну мешавину перформанси, могућности чишћења и дуготрајне отпорности.