Kako udubljene ili valovite PTFE cijevi poboljšavaju prijenos topline bez dodatnih umetaka?

Udubljenja, nabori ili spirale mogu se proizvesti direktno na samoj cijevi, umjesto dodavanja zasebnog uređaja. Ovi integrirani elementi pomažu da se prekine protok i poveća prijenos topline bez rizika da se umetak olabavi ili stvori prepreku.

Zašto je potrebno uzeti u obzir pasivno poboljšanje geometrijom cijevi
U mnogim hemijskim i farmaceutskim procesima, pouzdanost izmjenjivača topline je jednako važna kao i njihova toplinska učinkovitost. Tradicionalne metode poboljšanja, kao što su umetci upletene trake ili žičane zavojnice, imaju unutrašnje komponente koje su sklone migraciji, zamoru ili lokacijama zaprljanja. Drugi pristup je izmjena samog zida cijevi. Udubljena ili valovita PTFE cijev ima hrapavost površine ili valovitost koja je svojstvena cijevi. Nema posebnih dijelova znači da je mogućnost mehaničkog kvara, zaglavljivanja umetka ili blokade protoka skoro svedena na minimum.

Ova metoda je posebno atraktivna za rad sa fluidima koji sadrže suspendovane čvrste materije, kristalne suspenzije ili medije sklone polimerizaciji. Za takve zahtjevne primjene koristi se glatka unutrašnja cijev s udubljenjem ili valovitom za stvaranje turbulencije bez pukotina gdje bi se krhotine mogle skupiti.

Kako se rupice i nabori mešaju sa protokom
Udubljena ili valovita PTFE cijev je cijev koja ima niz periodičnih udubljenja ili udubljenja ili naizmjence proširenja i skupljanja ili nabora duž svoje dužine. Kako fluid teče preko ovih geometrijskih razlika, granični sloj uz zid se sukcesivno prekida i ponovo{1}}uspostavlja. Vrtložni vrtlozi se izbacuju iza svake rupice ili grebena da bi izazvali radijalno miješanje između tekućine jezgre i područja zida. Mešanje efikasno razređuje termički granični sloj i time povećava koeficijent konvektivnog prenosa toplote.

Mehanizam za poboljšanje je potpuno drugačiji od umetka upletene trake. Uvrnuta traka pruža stabilan spiralni vrtlog, ali udubljenja i nabori stvaraju lokaliziranu periodičnu turbulenciju. Rezultirajuća izvedba prijenosa topline valovite PTFE cijevi je općenito umjerenija – u rasponu od 20-60% poboljšanja u odnosu na glatku cijev- ali sa proporcionalno manjim povećanjem pada pritiska, obično između 30-100%.

U praksi, geometrijski parametri (dubina udubljenja, korak valovitosti i visina) mogu se postaviti tako da-odstupe između povećanja prijenosa topline i gubitka trenja. Nabori kraćeg koraka ili dublje rupice stvaraju snažniju turbulenciju, ali također pružaju veći otpor. Duži, plići uzorci daju glatkiji protok sa umjerenijim pojačanjem.

Prednosti odvojenih umetaka
Udubljene ili valovite PTFE cijevi imaju različite praktične prednosti u odnosu na upletenu traku ili druge labave umetke:

uporno formiranje geometrije umetka u zidu cijevi. Nema rizika od migracije umetka: Ne postoji šansa da se umetak pomakne nizvodno, da ozlijedi krajeve cijevi ili da dodirne cijev.

Bez dodatnog kontaktnog otpora: Sa posebnim umetkom otpornost na termički kontakt je između umetka i zida cijevi. Nema dodatnog otpora jer nema interfejsa sa integralnim udubljenjima ili naborima.

Lako ispitivanje i čišćenje Unutrašnjost valovite cijevi je i dalje otvoren, neometan kanal. Obično je dovoljan prolaz svinje za čišćenje ili četke. Čišćenje cijevi uvijenom trakom može zahtijevati uklanjanje umetka.

Smanjena opasnost od mehaničkog habanja: vrtložni umetci mogu vremenom uzrokovati vibracije i abraziju stijenke PTFE cijevi, posebno pri većim brzinama protoka. Integralna geometrija nema relativno kretanje između cijevi i funkcije za poboljšanje.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) umetak upletene trake je bolji od udubljenih ili valovitih cijevi. Međutim, dizajn integralne cijevi je popularan izbor za primjene gdje je blago poboljšanje prihvatljivo i pouzdanost je od najveće važnosti.

Prerada PTFE
Valovite i udubljene cijevi se obično koriste u metalnim izmjenjivačima topline (npr. nehrđajući čelik, bakar). Neki jedinstveni postupci ekstruzije ili termoformiranja su potrebni za njihovu primjenu na PTFE. PTFE se ne može topiti kao termoplasti. PTFE se općenito ekstrudira ramom ili pastom. Metoda rotacionog{6}}probijanja se može primijeniti na PTFE nakon sinterovanja da bi se dobile tačne udubljenja ili nabori, ili se niz zagrijanih kalupa može koristiti za izvlačenje cijevi. Kontinuirane valovite PTFE cijevi su komercijalno dostupne od specijalizovanih proizvođača za skromne prečnike (obično 6-25 mm).

Kontrola debljine zida mora biti vrlo stroga. Zid može biti pretanak i može se srušiti pod unutrašnjim pritiskom na vrhovima rebra; zid može biti predebeo i savijanje potrebno za stvaranje čvrstog rebra je smanjeno. Debljine zida valovitih PTFE cijevi izmjenjivača topline su općenito u rasponu od 0,8 do 2,0 mm u zavisnosti od prečnika i stepena pritiska.

Efekti režima protoka i gubitka pritiska
U laminarnom toku (Re < 2000) prisustvo udubljenja i nabora ima značajan uticaj. Čak i pri niskim Reynoldsovim brojevima oni pokreću rani prijelaz na nestabilan režim protoka kojim- dominira miješanje, što povećava Nusselt broj za 40-80% u poređenju sa glatkom cijevi. Također, kazna gubitka tlaka je važna jer je protok prisiljen da se neprestano ubrzava i usporava.

Kod turbulentnog strujanja (Re > 4000) relativno poboljšanje je manje - često 20-40% - pošto prirodna turbulencija već osigurava efikasno miješanje. Međutim, postotak povećanja pada pritiska je manji. Pravilno konstruirana cijev sa udubljenjem može imati faktor toplinske performanse (odnos poboljšanja prijenosa topline i povećanja trenja na 1/3 snage) bolji od 1,2, što ukazuje na neto uštedu energije u poređenju sa glatkom cijevi za istu snagu pumpanja.

Tabela u nastavku sumira tipične opsege performansi za udubljene ili valovite PTFE cijevi u odnosu na glatke PTFE cijevi na bazi tekućina poput vode na Re=2000-5000.

Parametar Tipični raspon poboljšanja Poboljšanje Nusselt broja (koeficijent prijenosa topline) ++20% do +60%
Faktor trenja (pad pritiska) povećanje od +30% do +100%
Faktor toplotnih performansi (η) 1.1-1.3 Zaključak
Udubljene ili valovite PTFE cijevi nude jednostavan, pasivan način poboljšanja prijenosa topline uz vrlo dobru pouzdanost. Cijevi su konstruirane tako da stvaraju integralne površinske geometrije koje razbijaju granični sloj i promoviraju radijalno miješanje, što rezultira umjerenim (20-60%) povećanjem prijenosa topline bez potencijala migracije umetka, otpora kontakta ili problema sa čišćenjem. Oblik je posebno koristan u aplikacijama koje sadrže čestice, kristale ili obrastajuće tekućine gdje bi odvojeni umetci bili problematični. Geometrija cijevi ostaje kritičan aspekt u dizajnu izmjenjivača topline – a sa PTFE-om, udubljeni ili valoviti oblici nude privlačan spoj performansi, mogućnosti čišćenja i dugotrajne otpornosti.