Које су перформансе турбулатора са спиралном опругом у цевима измењивача топлоте од ПТФЕ?

Овај основни намотај жице у облику опруге-, смештен у ПТФЕ цев, може да послужи да значајно побољша пренос топлоте. Намотај прекида проток на зиду цеви, али не омета центар, за разлику од чврсте уврнуте траке. Ово доводи до другачијег баланса перформанси. Ова технологија повећања пасивног преноса топлоте је посебно корисна за ПТФЕ измењиваче топлоте у којима ограничена топлотна проводљивост самог полимера (≈0,25 В/м·К) ограничава укупне коефицијенте преноса топлоте. Склоп измењивача топлоте турбулатора са спиралном опругом ПТФЕ разбија гранични слој на страни цеви и производи велика побољшања у топлотној ефикасности.

Разумевање геометрије турбулатора са спиралном опругом
Турбулатор са спиралном опругом је спирално намотана жичана намотаја која се добро уклапа у унутрашњи пречник ПТФЕ цеви. Завој је дефинисан са три геометријска параметра:

Пречник жице (д_в) – обично 1-3 мм, у зависности од величине цеви

Корак намотаја (п) – аксијални размак између суседних завоја

Спољни пречник завојнице (Д ц): Нешто мањи од унутрашњег пречника цеви (Д и) за уметање

Ефикасност турбулатора је одређена односом пречника жице према пречнику цеви (дв /Д и ) и односом корака према пречнику (п/Д и ). Уобичајени стандарди дизајна сугеришу да се оптималне перформансе постижу за дв / Д и између 0,1 и 0,2 и п / Д и између 1 и 3.

Завој може бити направљен од много материјала у зависности од течности која се третира. За корозивне водене или киселе токове, предлаже се метална жица обложена ПТФЕ-или чврсти ПТФЕ монофиламентни калем. За мање абразивне течности где контаминација металом није проблем, могу се користити високолегиране жице (нпр. нерђајући челик 316Л, Хастеллои Ц-276). У системима од свих флуорополимера, ПФА или ПТФЕ опруга обезбеђује потпуну хемијску отпорност.

Механизам раздвајања граничног слоја
У глаткој цеви под ламинарним или ниским -Рејнолдсовим- бројем протока, постоји стационарни гранични слој (ламинарни подслој) формиран на зиду цеви. Овај танак слој је главни отпор преносу топлоте. Овај подслој се мора прећи само проводљивошћу, што је неефикасно.

Путовање граничног{0}}слоја је турбулатор са спиралном опругом. Како течност тече кроз цев, сваки окрет завојнице производи локално одвајање тока, вртлоге и радијално мешање. Важно је да калем не блокира центар цеви -, проток језгра је у суштини неометан. Ово је спирална опруга уместо чврсте уврнуте траке која чини да цео флуид тече у вртложном кретању и често доводи до мртве зоне око центра траке.

Главни ефекат опруге се јавља у близини зида цеви. У тачки максималног топлотног отпора калем периодично разбија растући гранични слој, повећавајући турбулентно мешање. У експерименталном поређењу, доказано је да добро-дизајниран намотај опруге може повећати Нуселтов број-бочне стране цеви (Ну) за 2 до 3 пута у поређењу са глатком цеви под истим околностима протока.

Измерене перформансе: Нуселтов број и пад притиска
Константно се види компромис{0}}између побољшања преноса топлоте и губитка притиска. Типични опсези описани у -рецензираним студијама за турбулаторе са спиралним опругама су у Реинолдсовим бројевима од 500 до 10.000:

Параметарска глатка цев са спиралном опругом
Нуселтов број (Ну) Основна линија (1×) 2–3× повећање
Фактор трења (ф) Основна линија (1к) Повећање од 3-6к
Фактор побољшања у великој мери зависи од геометрије завојнице. Ужи корак (нижи п/Д_и) доводи до чешћих поремећаја протока и самим тим до већег Ну, али и до већег пада притиска. С друге стране, опуштенији калем минимизира казну притиска, а ипак даје значајно побољшање.

Дизајн намотаја је подесиво решење: за дату примену, корак и пречник жице се могу изабрати тако да задовоље ограничења процеса у погледу дозвољеног пада притиска. Максимални пренос топлоте се постиже са чврстим намотајем за чисте флуиде и где је сила пумпања довољна. За течност која је вискозна или осетљива на смицање, лабавији намотај обезбеђује нежније дејство мешања.

Предности чврстих увијених трака
Турбулатор са спиралном опругом има неке практичне предности у односу на чврсту уврнуту траку:

Смањена тенденција зарастања - Опруга не ствара потпуно затворене стагнирајуће зоне, тј. мања је вероватноћа таложења суспендованих честица или таложених чврстих материја. Чврста трака, посебно у хоризонталној цеви, може да обезбеди подручје малог-тека у „сенци“ траке где почиње загађивање. Отворена структура опруге омогућава континуирано пречишћавање течности.

Лакша инсталација и уклањање - Намотај опруге се лако може ставити у цев и стегнути на крајевима. За апликације за накнадну уградњу постојеће ПТФЕ цеви размењивача топлоте могу се накнадно уградити на опруге без трајних модификација. Чишћење је једноставно, само извуците калем, очистите га и вратите назад.

Мањи трошкови материјала - Има много мање материјала у намотају жице у поређењу са чврстом траком, посебно за дуге цеви. Ако су потребне скупе легуре или флуорополимери, разлика у цени је значајна.

Компатибилност проширења ПТФЕ цеви - ПТФЕ цеви имају висок коефицијент термичког ширења. Чврста трака која пристаје на температуру околине може постати сувише затегнута на радној температури и оштетити цев. Намотај опруге је флексибилан и може да прихвати промене димензија без развијања превелике радијалне силе.

Минимални Рејнолдсов број практичне тачке за ефикасност
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) природна турбуленција већ ефективно ремети гранични слој и инкрементална корист завојнице је смањена у односу на додатни пад притиска. Турбулатори са спиралним опругама су стога најпогоднији за ПТФЕ измењиваче топлоте који раде са вискозним флуидима, струјама мале брзине протока или компактне геометрије које природно карактерише ниска брзина протока.

У експериментима видимо да фактор побољшања опада са повећањем Рејнолдсовог броја. Испод Ре $\\приближно$ 200 калем може и даље да побољша пренос топлоте стварањем благих секундарних токова, али ефекат је мање упечатљив него у ламинарној-у-турбулентној прелазној зони.

Ретрофит апликације и комерцијална доступност
Комерцијално доступни турбулатори са спиралним опругама доступни су од бројних произвођача компоненти за измењивач топлоте. Уобичајени пречници ПТФЕ цеви (6 мм, 8 мм, 10 мм, 12 мм, 16 мм и 20 мм унутрашњег пречника) доступни су као стандардни дизајн. Посебне ширине жице и нагиби могу се произвести како би се задовољиле специфичне потребе процеса.

Уобичајена ситуација за ремонт је постојећи ПТФЕ измењивач топлоте-и-који не ради добро због ниских-коефицијената преноса топлоте на страни цеви. Уместо да реконструишете цео измењивач, ви стављате турбулаторе у сваку цев. Инсталација се обично врши током планираног прекида одржавања. Повећање укупног коефицијента преноса топлоте (У) обезбеђује или већи проток или мању потрошњу топлоте, или мању потребну површину за нови дизајн.

Закључак: Једноставна, ефикасна помоћ за инсталацију
Турбулатори са спиралном опругом су једноставан за уградњу, ефикасан избор за побољшање преноса топлоте ПТФЕ цеви, посебно у чистим сервисима. Уметци револуционишу термичке перформансе ПТФЕ измењивача топлоте ниске{1}}ниске проводљивости тако што повећавају Нуселтов број на страни цеви-за фактор од 2 до 3 уз разумну казну пада притиска од 3 до 6 пута. Турбулатор са спиралном опругом ПТФЕ размењивач топлоте је отворен, без-прљања и користи флексибилан материјал (ПТФЕ, ПФА или легирана жица) што га чини погодним за корозивне, високе{9}}чистоће и примене за накнадну уградњу.

Доступни су бројни облици турбулатора за испуњавање различитих намена, укључујући уплетене траке, жичане мреже и статичке мешалице. Спирална опруга има посебну нишу, умерено побољшање, ниско загађивање и једноставну уградњу. Турбулатор са спиралном опругом заслужује значајну пажњу од стране процесних инжењера који траже пасиван начин-за ниско одржавање за оптимизацију преноса топлоте уз одржавање хемијске отпорности.