A hullámos vagy spirális PFA-csőforma javítja a hőeloszlást alacsony-átfolyású, nagy-viszkozitású olajfürdőkben?

A nagy -viszkozitású olajfürdők, például a polimergyártáshoz, a hőkezeléshez és a kémiai reaktorok burkolásához használt fürdők hőkezelése állandó kihívást jelent: az olaj lassan áramlik (természetes konvekció vagy alacsony áramlású{1}}recirkuláció), és ellenáll a keveredésnek. Ilyen atmoszférában az egyenes PFA-csöves fűtőberendezés korlátozott mennyiségű felmelegített olajcsóvát állít elő, amely függőlegesen emelkedik, és a fürdő jelentős térfogatát alacsonyabb hőmérsékleten hagyja el. A fűtőfelület és az ömlesztett olaj közötti hőmérséklet-különbség néha több, mint 30-40 fok, ami a PFA felgyorsult lebomlását eredményezi a forró területeken. Elméletileg egy hullámos vagy spirálisan ívelt PFA cső jobb hőeloszlást eredményez a másodlagos áramlásokon és a hőzáró réteg megszakításán keresztül. Az, hogy ez az alakváltozás milyen mértékben javít észrevehetően, az olaj viszkozitásától üzemi hőmérsékleten, a tartály geometriájától és a kényszeráramú rendszerek megengedett nyomásesésétől függ.

Helikális geometria áramlási minta megváltoztatása
A spirális PFA csőben (rugószerűen tekercselt) vagy szinuszos csőben (egy síkban hullámos hajlítások) be és körül áramló folyadékot centrifugális erők érik. A nyugvó olajfürdőben a hőátadás természetes konvekció. Egyenes függőleges cső esetén a természetes konvekciós áramlás kizárólag axiális, és csak egy hevített olajoszlop emelkedik felfelé. Másrészt a spirális csőnek ívelt felületei vannak, amelyek a felszálló olajat kifelé hajlítják, ahogy az emelkedik. A 1000 cP-s szilikonolajban 120 fokon végzett részecskeképi sebességmérések azt mutatják, hogy egy spirális PFA-cső (100 mm átmérőjű, 200 mm magasságú tekercs) forgó toroid áramlási mintát hoz létre a fűtőelem körül. A felmelegített olaj spirálisan emelkedik, majd leereszkedik a tartály falain, és nagy léptékű keringtető cellát hoz létre, amely a tartály térfogatának 70-80%-át foglalja el. Ez a cirkuláció csökkenti a maximális hőmérséklet-különbséget a tartályban 25–30 fokról (egyenes cső esetén) 10–15 fokra (spirál esetén) ugyanazon teljesítményfelvétel mellett.

A fokozás a Dean-számmal növekszik, egy dimenzió nélküli mennyiséggel, amely az íves csövek másodlagos áramlásának erősségét méri. Üzemi hőmérsékleten 10 000 cP-t meghaladó olajviszkozitás esetén a Dean-szám kisebb, mint 5, és a másodlagos áramlás minimális. Ezekben a nagyon viszkózus olajokban a spirális forma nem biztosít hőeloszlási előnyt az egyenes csőhöz képest, mivel a folyadék impulzusa nem generál keresztirányú áramlást. A spirális haszon gyakorlati felső viszkozitási határa körülbelül 8 000-10 000 cP. A viszkozitásnak 1000 cP-nél kisebbnek kell lennie ahhoz, hogy a másodlagos áramlás elég erős legyen ahhoz, hogy a PFA-hüvely sértetlenségét a hajlatok külső sugarán kialakuló lokalizált erózió miatt veszélybe sodorja.

A felületi hőmérséklet egyenletessége és a határréteg zavarása
A hullámos csőforma (30-50 mm amplitúdójú, 100-150 mm hullámhosszúságú szinuszos) a hélixtől eltérő módon lép kölcsönhatásba a termikus határréteggel. Amikor az olaj a hullámos felületen átáramlik (természetes konvekcióval vagy szabályozott áramlással), a domború és homorú részek nyomásgradienseket hoznak létre, amelyek az áramlás szétválását és újracsatlakozását eredményezik. Minden hullám egy kis recirkulációs zónát hoz létre a konvex csúcs alsó oldalán, amely 3-5 átmérőjű. Ezek a recirkulációs zónák szállítják a hűtőolajat az ömlesztett áramlásból a fűtőfelület felé, és 30-50%-kal csökkentik a helyi határréteg vastagságát az egyenes csőházhoz képest. Hőelemes kísérletek hullámos PFA fűtőberendezésen 5000 cP olajban 150 fokon azt mutatják, hogy a felületi hőmérséklet ±4-6 fokkal változik a hossz mentén, szemben az azonos teljes felületű, egyenes fűtőberendezés ±12-18 fokkal. A fokozott hőmérsékleti egyenletesség közvetlenül javítja a PFA élettartamát azáltal, hogy csökkenti a csúcsfelületi hőmérsékletet. A maximális felületi hőmérséklet körülbelül 10 fokkal csökken, így a PFA lebomlási sebessége 40-50%-kal csökken (az Arrhenius-kinetikát követve).

A hullámosság gyakorlati korlátot támaszt: a cső minimális hajlítási sugarának több mint 8-10-szeresnek kell lennie a cső átmérőjének, hogy elkerüljük a túlzott feszültségkoncentrációt a PFA-ban. 12 mm átmérőjű PFA csövekhez 60 mm hajlítási sugarú hullámos forma is lehetséges. A szűkebb sugár (30 mm) a PFA fal lokális elvékonyodását eredményezi a külső ívben, ami 20-30%-kal csökkenti a mechanikai szilárdságot és növeli az áthatolás veszélyét. A hullámos vagy spirális PFA fűtőtestek gyártóinak szabályozott hővel tüskehajlítást kell alkalmazniuk, hogy megakadályozzák a fal összeomlását. A hajlított PFA fűtőtestek helyszíni meghibásodásai általában a 6x csőátmérőnél kisebb sugarú, határtalan kanyarokban keletkeznek.

Alakválasztási útmutató alkalmazásokhoz
Viszkozitás Üzemi hőmérséklet és olajtípus Áramlási feltétel Előnyben részesített csőforma A hőmérséklet egyenletességének várható javulása Fő korlátozás
Könnyű olaj (100-500 cP), 80-120 fok, csak természetes konvekciós, csak spirális (tekercs átmérője 8-10-szeres cső külső átmérője) Csökkenti a tartály ΔT értékét 25 fokról 10-12 fokra A másodlagos áramlás erodálja a PFA-t 200 fok felett
Természetes konvekció 120-150 fok Közepes olaj (500-2000 cP) Hullámos (amplitúdó 4-6× cső külső átmérője) 8-12 fokkal csökkenti a felületi forró pontokat; A hullámtávolság döntő; túl szoros csökkenti a hasznot
Közepes olaj (500-2000 cp) Alacsony kényszerített áramlás (Re 100-500) Helikális szélesebb tekercsosztással Hőátbocsátási tényező növelése 30-50 százalékkal Nyomáscsökkentés 2-3x egyenes cső
Nehézolaj (2000-8000 cP), 150-180 fok Természetes konvekció Bordázott egyenes cső vagy kiterjesztett felület A spirális/hullámos előny csekély (Dean<5)Change of shape not justified
Nehézolaj (10,000+ cP)Egyenes cső; számos rövid fűtőelemet kell figyelembe venni.Nincs jelentős javulás a fröccsöntéssel A viszkozitás teljesen csillapítja a másodlagos áramlásokat
Bármilyen viszkozitás, tartály mechanikus keverővelNagy turbulenciával indukált Egyenes cső (domináns keverés) A formázás pénzbe kerül, és nem ad értéket.
Tartály apró keresztmetszetű-(korlátozott hely)Természetes konvekció spirális (kis függőleges profil)A forma javítása fontosabb, mint a helytakarékosság Értékelje az egyenes több fűtőtest egyenletességének javítását
Következtetés: Az alak csak a közepes viszkozitási rendszerben számít
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 $>8000 \\text{cP}$ a folyadék nagy viszkozitása gátolja a másodlagos áramlást, és az ívelt csövek nem jobbak, mint az egyenes csövek. A spirális csövek 40–60 százalékkal minimalizálják a tartály hőmérsékleti gradiensét, a hullámos csövek pedig 30–50 százalékkal csökkentik a felületi forró pontokat az 1000–5000 cP tartományban a legjobb teljesítmény érdekében. A megnövelt egyenletesség közvetlenül növeli a PFA fűtőelem élettartamát azáltal, hogy csökkenti a felületi csúcshőmérsékletet. A közepes viszkozitású olajfürdők fűtőelemeinek specifikációját fontolgató mérnökök számára javasolt, hogy a gyártás megkezdése előtt kérjék a formázott cső számítási folyadékdinamikai (CFD) modellezését a saját tartálygeometriájukban. Az előnyök erősen függnek a tartály méretarányától és a fűtőelem falhoz viszonyított elhelyezésétől. 8000 cP felett több egyenes fűtőtestet és kényszerített recirkulációt kell nézni az összetett forma helyett, mivel a spirális PFA cső költsége, amely általában 30-50%-kal több, mint az egyenes, nem térül meg fokozott egyenletességben.