Milyen áramlási rendszer esetén (lamináris, átmeneti, turbulens) a titán fűtőtest falvastagsága válik a hőáramlással szembeni domináns ellenállássá?

A nagy viszkozitású folyadékokhoz vagy alacsony áramlású alkalmazásokhoz titán merülő fűtőtestet fejlesztő folyamatmérnököknek tudniuk kell, hogy melyik áramlási mód teszi a falvastagságot a szabályozó hőellenállást az optimalizálás érdekében. A hőáramlással szembeni teljes hőellenállás (R_total) három ellenállásból áll. Ezek a folyadék konvekciós ellenállása a köpeny felületével (R_conv), a titánfalon keresztüli vezetőképesség (R_cond=t/k_ti), valamint a fűtőelem és a szigetelés belső ellenállása (R_int). Turbulens áramlásban (Re > 10 000) az R_conv nagyon alacsony (0,0001-0,0005 m²·K/W), míg az R_cond (0,0002 m²·K/W 1,5 mm-es fal esetén) jelentőssé válik – általában a teljes ellenállás 30-50%-a. Lamináris áramlás esetén (Re < 2000) az R_conv szignifikáns (0,002-0,01 m²·K/W vagy nagyobb), de az R_cond csak a teljes ellenállás 2-10%-a. A falvastagság lesz a fő ellenállás a turbulens áramlásról a lamináris áramlásra való átmenet során. Ez akkor fordul elő, ha R_conv < R_cond, és körülbelül 0,3-1,0 m/s áramlási sebességnél történik vízszerű folyadékoknál, de lényegesen nagyobb viszkózus folyadékoknál.

Az áramlási rendszer és a hőellenállás közötti kapcsolat
A konvektív hőátbocsátási tényező, h, arányos Re^n-nel, ahol n körülbelül 0,8 turbulens áramlás esetén és 0,33 lamináris áramlás esetén. R_konv=1/h . 1,5 mm-es falú titán fűtőtesthez R_cond=0.0015 / 7.5=0.0002 m²·K/W. R_conv egyenlő R_cond, amikor h=5,000 W/m²·K. A szokásos korrelációkat használva ez a h érték a Re=5,000-10 ​​000-nek felel meg – a turbulens áramlás alsó határa vízszerű folyadékok esetén. Ez alatt az R_{conv} > R_{cond} és a konvekció dominál. E feletti Reynolds-szám esetén R cond > R konv és a falvastagság lesz a fő ellenállás.

Folyadéktípus viszkozitás (cP) Áramlási sebesség R_conv=R_cond (m/s) Tipikus sebesség (1 m/s) Megfelelő Re domináns ellenállás
Víz (20 fok) 1.0 0.3 – 0.5 7,500 – 12 500 Falvastagság (1 m/s, turbulens)
Víz 80 fok 0.35 0.2-0.3 5,000-7500 Falvastagság
Könnyű olaj (30 cP) 30 1.5–2.5 500–800 (lamináris) Konvekció (1 m/sec., lamináris)
Közepes olaj (100 cP) 100 3.0-5.0 300-500 (lamináris) Konvekció (lamináris, 1 m/s)
Glicerin (50 fok) 50 2.0-3.0 400-600 (lamináris) Konvekció
Polimerolvadék (1000 cP) 1,000 8-12 80-120 (lamináris) Konvekció (a falvastagság jelentéktelen)
Gáz (levegő, 1 atm) 0,018 < 0,1 > 10 000 Falvastagság (általában a gázoldal a domináns)
Áramlási rezisztencia-eloszlás mennyiségi meghatározása
Áramlási rendszer Re Tartomány Tipikus h (W/m2K) Rconv (m2.K/W) Rcond (1,5 mm Ti) Falvastagság Hozzájárulás (R_teljes hegemón ellenállás %-a
Lamináris (alacsony sebesség) < 1,000 100-500 0.002-0.010 0.0002 2-10% Konvekció
Lamináris (közepes sebesség) 1000-2,000 500-1,000 0.002-0.001 0.0002 10-20% konvekció
Átmenet 2000-5000 1000-2500 0.001-0.0004 0.0002 20-40% vegyes
Turbulens (alacsonyabb) 5000-10,000 2,500-5,000 .0004-.0002 .0002 40-50% Falhoz keverve
Turbulens (magas) > 10,000 5,000-20,000 0.0002-0.00005 0.0002 50-80% Falvastagság
Tervezési útmutató fűtőberendezésekhez az áramlási rendszer alapján
Áramlási és alkalmazási feltételek Domináns ellenállás Reynolds szám Tervezési módszer Falvastagság Befolyás
Vízmelegítő, 2 m/s csőáramlás 50.000 (turbulens) falvastagság (50-70% )Magas Minimalizálja t (1,2-1,5 mm-t használjon). Nincs előnye a polírozásnak.
Kevert víztartály, magas keverési arány 10 000-50 000 Falvastagság Magas Vékonyabb fal használata A nagy átmérőjű csövek csökkentik a T hatást.
Olajfűtő, 0,5 m/s, 30 cP 500 (lamináris) Konvekció (90-95 %) Elhanyagolható A falvastagság nem fontos. Növelje az áramlási sebességet vagy a felületet.
Polymer melt heater, low flow < 100 (laminar flow)Convection (>95%) Elhanyagolható A falvastagság csekély következménnyel növelhető. Vastag fal az erőért.
Gázfűtés (levegő, 10 m/s) > 10 000 (turbulens) Falvastagság Magas (bár gáz-oldal h alacsony általában) A gázfűtést a gáz-oldali konvekció korlátozza, faltól függetlenül.
Hőátvivő folyadék (5 cP), 1 m/s 5 000-10 000 (átmeneti/turbulens) Vegyes Közepes Szabványos 1,5 mm-es fal elfogadható. Fontolja meg a 1,2 mm-re való csökkentését a nagyobb hatékonyság érdekében.
A falvastagság megválasztásának mérnöki vonatkozásai
For a turbulent flow regime (Re > 10,000) with a low Rconv, decreasing wall thickness will immediately improve heat transfer. Reducing t from 1.5 mm to 1.0 mm reduces Rcond by 0.000067 m2 .K/W, increasing U by 10-20% when Rconv is 0.0002-0.0004 m2 .K/W. For laminar flow (Re < 2,000) and R_conv >>R_fal, a falvastagság nincs hatással a teljes hőátadásra. A 2,5 mm vastag titán fűtőtest majdnem olyan jól teljesít, mint egy 1,0 mm-es fűtőelem lamináris olaj vagy polimer olvadék alkalmazásoknál. Ennek gyakorlati következménye az, hogy a nagy viszkozitású folyadékok esetében a fűtőfal vastagságát a mechanikai szilárdság és a korróziótűrési követelmények alapján kell megválasztani a hőteljesítmény függvényében.

Következtetések: Turbulens áramlás (Re > 5000-10000) Falvastagság szabályai
Ha az áramlási rendszer turbulens (Re > 5 000{6}}10 000), és az R_conv kisebb, mint R_cond, a titán fűtőtest falvastagsága a fő ellenállás a hőáramlással szemben. Vízszerű folyadékoknál (viszkozitás ~1 cP ez akkor fordul elő, ha az áramlási sebesség meghaladja a 0,3-0,5 m/s-ot. Ebben a környezetben a falvastagság 1,5 mm-ről 1,0 mm-re történő csökkentése 10-20 mm-rel növeli a teljes hőátbocsátási tényezőt. A lamináris áramlásnál (Re < 2000) a hőteljesítménynél a falvastagság nem dominál, a falvastagság pedig nem a konvekció dominál. szilárdság termikus költség nélkül A szállítónak szüksége lesz a folyadék viszkozitására, a várható áramlási sebességre és a cső átmérőjére, hogy kiszámítsa a Reynolds-számot, és meghatározza, hogy a falvastagság csökkentése javítja-e a hőhatékonyságot, vagy más tervezési változtatásokra van szükség (megnövekedett áramlás vagy felület).