Πώς βελτιώνουν τη μεταφορά θερμότητας χωρίς πρόσθετα ένθετα οι σωλήνες PTFE με λακκάκια ή κυματοειδές;

Τα λακκάκια, οι αυλακώσεις ή οι σπείρες μπορούν να παραχθούν απευθείας στον ίδιο τον σωλήνα, αντί να προστεθεί μια ξεχωριστή συσκευή. Αυτά τα ενσωματωμένα στοιχεία βοηθούν στη διακοπή της ροής και στην αύξηση της μετάδοσης θερμότητας χωρίς τον κίνδυνο να χαλαρώσει ένα ένθετο ή να δημιουργήσει εμπόδια.

Γιατί πρέπει να εξεταστεί η παθητική ενίσχυση με γεωμετρία σωλήνων
Σε πολλές χημικές και φαρμακευτικές διεργασίες, η αξιοπιστία των εναλλάκτη θερμότητας είναι εξίσου σημαντική με τη θερμική τους απόδοση. Οι παραδοσιακές μέθοδοι βελτίωσης, όπως τα ένθετα στριμμένης ταινίας ή συρμάτινου πηνίου έχουν εσωτερικά εξαρτήματα που είναι επιρρεπή στη μετανάστευση, την κόπωση ή τις θέσεις ρύπανσης. Μια άλλη προσέγγιση είναι η αλλαγή του ίδιου του τοιχώματος του σωλήνα. Οι αυλακώσεις ή κυματοειδείς σωλήνες PTFE έχουν τραχύτητα ή κυματοειδή επιφάνεια που είναι εγγενής στον σωλήνα. Χωρίς διακριτά κομμάτια σημαίνει ότι η πιθανότητα μηχανικής αστοχίας, παγίδευσης ένθετου ή απόφραξης ροής είναι σχεδόν ελαχιστοποιημένη.

Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα ελκυστική για την αντιμετώπιση υγρών που περιέχουν αιωρούμενα στερεά, κρυσταλλικούς πολτούς ή μέσα επιρρεπή σε πολυμερισμό. Για τέτοιες απαιτητικές εφαρμογές, χρησιμοποιείται ένας λείος εσωτερικός σωλήνας με λακκάκια ή κυματοειδής για τη δημιουργία αναταράξεων χωρίς ρωγμές όπου μπορεί να συγκεντρωθούν τα συντρίμμια.

Πώς τα λακκάκια και οι αυλακώσεις μπλέκουν με τη ροή
Ένας σωλήνας PTFE με βαθουλώματα ή αυλακώσεις είναι ένας σωλήνας που έχει μια σειρά από περιοδικές εγκοπές ή βαθουλώματα ή εναλλαγές διαστολών και συστολών ή αυλακώσεων κατά το μήκος του. Καθώς το ρευστό ρέει πάνω από αυτές τις γεωμετρικές διαφορές, το οριακό στρώμα δίπλα στον τοίχο διακόπτεται διαδοχικά και επανεγκαθίσταται-. Πίσω από κάθε λακκάκι ή κορυφογραμμή αυλάκωσης απορρίπτονται στροβιλιζόμενες δίνες για να προκληθεί ακτινική ανάμειξη μεταξύ του ρευστού πυρήνα και της περιοχής του τοιχώματος. Η ανάμιξη λεπταίνει αποτελεσματικά το θερμικό οριακό στρώμα και ως εκ τούτου ενισχύει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.

Ο μηχανισμός ενίσχυσης είναι τελείως διαφορετικός από αυτόν του ενθέματος στριφτής ταινίας. Η στριμμένη ταινία παρέχει έναν σταθερό ελικοειδή στροβιλισμό, αλλά τα λακκάκια και οι αυλακώσεις δημιουργούν τοπικές περιοδικές αναταράξεις. Η προκύπτουσα απόδοση μεταφοράς θερμότητας από κυματοειδές σωλήνα PTFE με βαθουλώματα είναι γενικά πιο μέτρια - στο εύρος βελτίωσης 20-60% σε σχέση με έναν λείο σωλήνα - αλλά με αναλογικά μικρότερη αύξηση της πτώσης πίεσης, συνήθως μεταξύ 30-100%.

Στην πράξη, οι γεωμετρικές παράμετροι (βάθος λακκούβων, βήμα αυλάκωσης και ύψος) μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να-ανταλλάσσονται μεταξύ του κέρδους μεταφοράς θερμότητας και της απώλειας τριβής. Οι αυλακώσεις με μικρότερο βήμα ή τα βαθύτερα λακκάκια δημιουργούν ισχυρότερους στροβιλισμούς, αλλά παρέχουν επίσης μεγαλύτερη αντίσταση. Τα μακρύτερα, πιο ρηχά μοτίβα δίνουν πιο ομαλή ροή με πιο μέτρια ώθηση.

Πλεονεκτήματα των χωριστών ενθέτων
Οι σωλήνες PTFE με βαθουλώματα ή κυματοειδείς πλάκες έχουν διάφορα πρακτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη στριφτή ταινία ή άλλα χαλαρά ένθετα:

επίμονος σχηματισμός της γεωμετρίας του ένθετου στο τοίχωμα του σωλήνα. Δεν υπάρχει κίνδυνος μετατόπισης του ένθετου: Δεν υπάρχει περίπτωση να μετακινηθεί ένα ένθετο προς τα κάτω, τραυματίζοντας τα άκρα του σωλήνα ή αγγίζοντας το φύλλο σωλήνα.

Χωρίς επιπλέον αντίσταση επαφής: Με ένα ξεχωριστό ένθετο υπάρχει αντίσταση θερμικής επαφής μεταξύ του ενθέτου και του τοιχώματος του σωλήνα. Δεν υπάρχει επιπλέον αντίσταση, καθώς δεν υπάρχει διεπαφή με ενσωματωμένα λακκάκια ή αυλακώσεις.

Εύκολη εξέταση και καθαρισμός Το εσωτερικό ενός κυματοειδούς σωλήνα εξακολουθεί να είναι ένα ανοιχτό, ανεμπόδιστο κανάλι. Κανονικά το πέρασμα ενός χοίρου ή βούρτσας καθαρισμού είναι αρκετό. Ο καθαρισμός ενός σωλήνα με στριμμένη ταινία μπορεί να απαιτήσει την αφαίρεση του ενθέματος.

Μειωμένος κίνδυνος μηχανικής φθοράς: Τα στροβιλιζόμενα ένθετα μπορεί να προκαλέσουν κραδασμούς και τριβή του τοιχώματος του σωλήνα PTFE με την πάροδο του χρόνου, ειδικά σε υψηλότερες ταχύτητες ροής. Η ενσωματωμένη γεωμετρία δεν έχει σχετική κίνηση μεταξύ του σωλήνα και του στοιχείου ενίσχυσης.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) το ένθετο με στριφτή ταινία είναι καλύτερο από τους αυλακωτούς ή κυματοειδείς σωλήνες. Ωστόσο, ο ενσωματωμένος σχεδιασμός σωλήνα είναι μια δημοφιλής επιλογή για εφαρμογές όπου η ήπια βελτίωση είναι αποδεκτή και η αξιοπιστία είναι υψίστης σημασίας.

Επεξεργασία PTFE
Οι κυματοειδείς σωλήνες και οι αυλακώσεις χρησιμοποιούνται συνήθως σε μεταλλικούς εναλλάκτες θερμότητας (π.χ. ανοξείδωτος χάλυβας, χαλκός). Απαιτούνται ορισμένες μοναδικές διαδικασίες εξώθησης ή θερμοδιαμόρφωσης για την εφαρμογή τους σε PTFE. Το PTFE δεν μπορεί να υποστεί επεξεργασία τήξης όπως τα θερμοπλαστικά. Το PTFE είναι γενικά εξώθηση με κριάρι ή εξώθηση πάστας. Μια περιστροφική-μέθοδος διάτρησης μπορεί να εφαρμοστεί στο PTFE μετά την πυροσυσσωμάτωση για την παροχή ακριβών λακκών ή αυλακώσεων ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια σειρά από θερμαινόμενες μήτρες για να τραβήξει το σωλήνα. Οι συνεχείς κυματοειδείς σωλήνες PTFE διατίθενται στο εμπόριο από ειδικούς παραγωγούς για μέτριες διαμέτρους (συνήθως 6-25 mm).

Ο έλεγχος του πάχους του τοίχου πρέπει να είναι πολύ αυστηρός. Ο τοίχος μπορεί να είναι πολύ λεπτός και μπορεί να καταρρεύσει υπό εσωτερική πίεση στις κορυφές των αυλακώσεων. ο τοίχος μπορεί να είναι πολύ παχύς και η κάμψη που απαιτείται για τη δημιουργία μιας σφιχτής αυλάκωσης μειώνεται. Το πάχος τοιχώματος των κυματοειδών σωλήνων εναλλάκτη θερμότητας PTFE είναι γενικά στην περιοχή από 0,8 έως 2,0 mm ανάλογα με τη διάμετρο και την ονομαστική πίεση.

Επιπτώσεις του καθεστώτος ροής και της απώλειας πίεσης
Στη στρωτή ροή (Re < 2000) σημαντική επίδραση έχει η παρουσία λακκών και αυλακώσεων. Ακόμη και σε χαμηλούς αριθμούς Reynolds πυροδοτούν μια πρώιμη μετάβαση σε ένα ασταθές, μεικτό-καθεστώς ροής, το οποίο αυξάνει τον αριθμό Nusselt κατά 40-80% σε σύγκριση με έναν λείο σωλήνα. Επίσης, η ποινή της απώλειας πίεσης είναι σημαντική αφού η ροή αναγκάζεται να επιταχύνεται και να επιβραδύνεται συνεχώς.

Στην τυρβώδη ροή (Re > 4000) η σχετική βελτίωση είναι μικρότερη - συχνά 20-40% - αφού οι φυσικές αναταράξεις εξασφαλίζουν ήδη αποτελεσματική ανάμειξη. Ωστόσο, η ποσοστιαία αύξηση στη μείωση της πίεσης τείνει να είναι χαμηλότερη. Ένας σωστά κατασκευασμένος σωλήνας με βαθουλώματα μπορεί να έχει συντελεστή θερμικής απόδοσης (αναλογία της βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας προς την αύξηση της τριβής στο 1/3 της ισχύος) καλύτερο από 1,2, που υποδηλώνει καθαρή εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με έναν λείο σωλήνα για την ίδια ισχύ άντλησης.

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τυπικά εύρη απόδοσης για λυχνίες ή κυματοειδείς σωλήνες PTFE σε σχέση με λείους σωλήνες PTFE που βασίζονται σε υγρά όπως το νερό στο Re=2000-5000.

Παράμετρος Τυπικό εύρος βελτίωσης Βελτίωση του αριθμού Nusselt (συντελεστής μεταφοράς θερμότητας) ++20% έως +60%
Αύξηση συντελεστή τριβής (πτώση πίεσης) +30% σε +100%
Συντελεστής θερμικής απόδοσης (η) 1.1-1.3 Συμπέρασμα
Οι αυλακώσεις ή οι κυματοειδείς σωλήνες PTFE προσφέρουν έναν απλό, παθητικό τρόπο βελτίωσης της μετάδοσης θερμότητας με πολύ καλή αξιοπιστία. Οι σωλήνες έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν ενσωματωμένες επιφανειακές γεωμετρίες που σπάνε το οριακό στρώμα και προάγουν την ακτινική ανάμειξη, με αποτέλεσμα μέτρια (20{4}}}60%) αύξηση της μεταφοράς θερμότητας χωρίς την πιθανότητα μετατόπισης ένθετων, αντίστασης επαφής ή προβλημάτων καθαρισμού. Το σχήμα είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε εφαρμογές που περιέχουν σωματίδια, κρυστάλλους ή ρυπογόνα ρευστά, όπου χωριστά ένθετα θα ήταν προβληματικά. Η γεωμετρία των σωλήνων παραμένει μια κρίσιμη πτυχή στο σχεδιασμό του εναλλάκτη θερμότητας – και με το PTFE, τα σχήματα με βαθουλώματα ή κυματοειδές σχήμα προσφέρουν ένα ελκυστικό μείγμα απόδοσης, καθαριότητας και ανθεκτικότητας μεγάλης διάρκειας.