Hogyan javítják a gödröcskés vagy hullámos PTFE csövek a hőátadást további betétek nélkül?

A gödröcskék, hullámok vagy spirálok közvetlenül a csövön készíthetők, különálló eszköz hozzáadása helyett. Ezek az integrált elemek segítenek megszakítani az áramlást és növelik a hőátadást anélkül, hogy fennállna annak a veszélye, hogy a betét meglazul vagy elakadást okoz.

Miért érdemes megfontolni a csőgeometriával történő passzív javítást?
Számos kémiai és gyógyszerészeti eljárásban a hőcserélők megbízhatósága ugyanolyan fontos, mint a hőteljesítményük. A hagyományos fejlesztési módszerek, mint például a csavart szalag vagy huzaltekercs betétek, olyan belső alkatrészekkel rendelkeznek, amelyek hajlamosak a migrációra, a fáradásra vagy a szennyeződésekre. Egy másik megközelítés magának a csőfalnak a megváltoztatása. A gödröcskés vagy hullámos PTFE csövek felületi érdessége vagy hullámossága a csőre jellemző. A különálló darabok hiánya azt jelenti, hogy a mechanikai meghibásodás, a betét beszorulása vagy az áramlási elzáródás lehetősége szinte minimálisra csökken.

Ez a módszer különösen vonzó lebegő szilárd anyagokat tartalmazó folyadékok, kristályos iszapok vagy polimerizációra hajlamos közegek kezelésére. Az ilyen igényes alkalmazásokhoz gödrös vagy hullámos, sima belső csövet használnak, hogy turbulenciát hozzanak létre repedések nélkül, ahol a törmelék összegyűlhet.

Hogyan keverednek össze a gödröcskék és a hullámok az áramlással
A gödröcskés vagy hullámos PTFE-cső olyan cső, amelynek hossza mentén időszakos bemélyedések vagy mélyedések, illetve tágulások, összehúzódások vagy hullámok váltakozásai vannak. Ahogy a folyadék átáramlik ezeken a geometriai különbségeken, a fal melletti határréteg sorra megszakad, és helyreáll{1}}. Minden egyes mélyedés vagy hullámgerinc mögé örvénylő örvények ürülnek ki, hogy radiális keveredést idézzenek elő a magfolyadék és a falrész között. A keverés hatékonyan vékonyítja a termikus határréteget, és ezáltal növeli a konvektív hőátbocsátási tényezőt.

A fokozó mechanizmus teljesen eltér a csavart szalagbetét mechanizmusától. A csavart szalag egyenletes spirális örvénylést biztosít, de a gödröcskék és a hullámok lokalizált időszakos turbulenciát hoznak létre. Az eredményül kapott gödrös hullámos PTFE cső hőátadási teljesítménye általában mérsékeltebb – 20–60%-os javulás a sima csőhöz képest –, de arányosan kisebb nyomásesés-növekedés mellett, általában 30–100%.

A gyakorlatban a geometriai paraméterek (gödröcskék mélysége, hullámos emelkedése és magassága) beállíthatók a hőátadási nyereség és a súrlódási veszteség közötti kompromisszum{0}}módosítására. A rövidebb osztású hullámok vagy mélyebb gödröcskék erősebb turbulenciát generálnak, de nagyobb ellenállást is biztosítanak. A hosszabb, sekélyebb minták egyenletesebb áramlást biztosítanak, mérsékeltebb lendülettel.

A különálló betétek előnyei
A gödröcskés vagy hullámos PTFE csövek számos gyakorlati előnnyel rendelkeznek a csavart szalaggal vagy más laza betétekkel szemben:

a betétgeometria tartós kialakulása a csőfalban. Nincs a betét elmozdulásának veszélye: Nincs esély arra, hogy a betét lefelé mozduljon el, megsértve a csővégeket vagy megérintse a csőlapot.

Nincs extra érintkezési ellenállás: Külön betéttel hőérintkező ellenállás van a betét és a csőfal között. Nincs extra ellenállás, mivel nincs interfész a beépített mélyedésekkel vagy hullámokkal.

Könnyű vizsgálat és tisztítás A hullámos cső belseje továbbra is nyitott, akadálymentes csatorna. Általában elegendő egy tisztítómalac vagy kefe áthaladása. A cső csavart szalaggal történő tisztítása szükségessé teheti a betét eltávolítását.

Csökkentett mechanikai kopásveszély: A kavargó betétek idővel vibrációt és kopást okozhatnak a PTFE cső falán, különösen nagyobb áramlási sebességnél. Az integrált geometriának nincs relatív mozgása a cső és a javítóelem között.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) a csavart szalagbetét jobb, mint a gödröcskés vagy hullámos csövek. Az integrált csőkialakítás azonban népszerű választás olyan alkalmazásokban, ahol elfogadható az enyhe fejlesztés, és a megbízhatóság rendkívül fontos.

PTFE feldolgozása
Fém hőcserélőkben (pl. rozsdamentes acél, réz) általában hullámos és hornyolt csöveket alkalmaznak. Néhány egyedi extrudálási vagy hőformázási eljárásra van szükség a PTFE-re történő alkalmazásukhoz. A PTFE nem olvadva feldolgozható, mint a hőre lágyuló műanyagok. A PTFE általában extrudált kos vagy paszta extrudált. A szinterezés után a PTFE-re forgó-lyukasztási módszert lehet alkalmazni, hogy pontos mélyedéseket vagy hullámokat kapjunk, vagy egymás után fűtött matricákat is használhatunk a cső meghúzásához. Folyamatos hullámos PTFE csövek a kereskedelemben kaphatók speciális gyártóktól szerény átmérőkre (általában 6-25 mm).

A falvastagság ellenőrzésének nagyon szigorúnak kell lennie. Előfordulhat, hogy a fal túl vékony, és belső nyomás hatására összeomolhat a hullámok tetején; a fal túl vastag lehet, és csökken a szoros hullámosításhoz szükséges hajlítási megfelelőség. A hullámosított PTFE hőcserélő csövek falvastagsága általában 0,8 és 2,0 mm között van az átmérőtől és a nyomásértéktől függően.

Az áramlási rendszer és a nyomásveszteség hatásai
Lamináris áramlásban (Re < 2000) a gödröcskék és hullámok jelenléte jelentős hatással van. Még alacsony Reynolds-számok esetén is korai átmenetet váltanak ki egy instabil, keveredés -dominált áramlási rendszerre, ami 40-80%-kal növeli a Nusselt-számot a sima csőhöz képest. A nyomásveszteség büntetése is fontos, mivel az áramlás folyamatosan gyorsulni és lassulni kényszerül.

Turbulens áramlásban (Re > 4000) a relatív javulás ritkábban - 20-40% - mivel a természetes turbulencia már biztosítja a hatékony keveredést. A nyomáscsökkenés százalékos növekedése azonban általában alacsonyabb. Egy megfelelően felépített gödröcskés cső hőteljesítmény-tényezője (a hőátadás javulásának és a súrlódás 1/3-os teljesítménynövekedésének aránya) jobb is lehet, mint 1,2, ami nettó energiamegtakarítást jelent egy sima csőhöz képest azonos szivattyúzási teljesítmény mellett.

Az alábbi táblázat összefoglalja a gödröcskés vagy hullámos PTFE-csövek jellemző teljesítménytartományait a vízhez hasonló folyadékokon alapuló sima PTFE-csövekhez viszonyítva Re=2000-5000.

Paraméter tipikus javulási tartománya Nusselt-szám (hőátbocsátási tényező) javulása ++20%-ról +60%-ra
A súrlódási tényező (nyomásesés) növekedése +30%-ról +100%-ra
Hőteljesítmény-tényező (η) 1,1-1,3 Következtetés
A gödröcskés vagy hullámos PTFE csövek egyszerű, passzív módot kínálnak a hőátadás javítására nagyon jó megbízhatósággal. A csöveket úgy tervezték, hogy olyan integrált felületi geometriákat hozzanak létre, amelyek áttörik a határréteget és elősegítik a sugárirányú keveredést, ami szerény (20{4}}60%-os) hőátadás-növekedést eredményez, anélkül, hogy a betét migrációja, érintkezési ellenállása vagy tisztítási problémák lépnének fel. A forma különösen hasznos részecskéket, kristályokat vagy szennyező folyadékokat tartalmazó alkalmazásokban, ahol a különálló betétek problémásak lennének. A csőgeometria továbbra is kritikus szempont a hőcserélő tervezésében – a PTFE-vel pedig a gödröcskés vagy hullámos formák a teljesítmény, a tisztíthatóság és a hosszan tartó rugalmasság vonzó keverékét kínálják.