Selle asemel, et sisestada eraldi seadet, saab toru ise valmistamise ajal moodustada lohkude, laineliste või spiraalidega. Need lahutamatud funktsioonid häirivad voolu ja suurendavad soojusülekannet, ilma et oleks oht, et sisestus võib lahti tulla või ummistuda.
Miks kaaluda passiivset täiustamist torugeomeetria kaudu?
Paljudes keemilistes ja farmaatsiaprotsessides on soojusvaheti töökindlus sama kriitiline kui termiline jõudlus. Traditsioonilised täiustamismeetodid-nagu keerdlint või traatpooli sisestamine-lisavad sisemisi komponente, mis võivad migreeruda, väsida või muutuda saastumiskohtadeks. Alternatiivne lähenemisviis on muuta toru seina ise. Dimped või gofreeritud PTFE torud saavutavad pinna kareduse või lainelisuse, mis on toru lahutamatu osa. Kuna puuduvad eraldi osad, on mehaanilise rikke, sisendite kinnijäämise või voolu ummistumise oht sisuliselt välistatud.
See lähenemine on eriti atraktiivne hõljuvate ainete, kristalsete suspensioonide või polümerisatsiooniohtlike ainete käitlemisel. Selliste keeruliste rakenduste jaoks tagab sujuv lohkude või laineliste sisetoru turbulentsi ilma pragudeta, kuhu praht võib koguneda.
Kuidas lohud ja lained voolu häirivad
Süvend- või gofreeritud PTFE-torul on kogu pikkuses rida perioodilisi süvendeid (süvendeid) või vahelduvaid paisumisi ja kokkutõmbeid (lainesusi). Kui vedelik läbib neid geomeetrilisi variatsioone, katkeb seina lähedal asuv piirkiht korduvalt ja taastatakse. Iga lohu või laineharja taha eralduvad pöörlevad keerised, mis soodustavad radiaalset segunemist tuumavedeliku ja seinapiirkonna vahel. See segamine õhutab tõhusalt termilist piirkihti, mille tulemuseks on suurem konvektiivse soojusülekande koefitsient.
Täiustusmehhanism erineb põhimõtteliselt keeratud lindi sisestusest. Keerutatud lint tekitab pideva spiraalse keerise, samas kui lohud ja lained tekitavad lokaalset perioodilist turbulentsi. Saadudlohuga gofreeritud PTFE toru soojusülekannejõudlus on tavaliselt mõõdukam-suurusjärgus 20–60% parem kui sileda toruga,-kuid proportsionaalselt väiksema rõhulanguse suurenemisega, sageli 30–100%.
Praktikas saab geomeetrilisi parameetreid (süvendi sügavus, lainetuse samm ja kõrgus) häälestada, et tasakaalustada soojusülekande võimendust ja hõõrdekadu. Lühema sammuga lainetus või sügavamad lohud tekitavad tugevama turbulentsi, aga ka suurema takistuse. Pikemad ja madalamad mustrid tagavad sujuvama voolu ja tagasihoidlikuma täienduse.
Eelised eraldiseisvate vahetükkide ees
Dimpeeritud või gofreeritud PTFE torud pakuvad mitmeid praktilisi eeliseid võrreldes keerdlindi või muude lahtiste sisestustega:
Puudub sisestuse migratsiooni oht: Täiendusgeomeetria on püsivalt vormitud toru seina sisse. Puudub võimalus, et sisestus nihkuks allavoolu, kahjustaks toruotsi ega puutuks kokku torulehega.
Puudub täiendav kontakttakistus: Eraldi sisetüki korral on sisetüki ja toru seina vahel termiline kontakttakistus. Integreeritud lohud või lained väldivad seda lisatakistust, kuna liidest pole.
Lihtsam puhastamine ja kontrollimine: Lainepapist toru sisemus jääb avatud, takistusteta läbipääsuks. Puhastussiga või -hari võib läbida normaalselt, erinevalt keerdteibiga torust, kus puhastamine võib nõuda vahetüki eemaldamist.
Madalam mehaanilise kulumise oht: Pöörlevad sisetükid võivad aja jooksul vibreerida või hõõruda PTFE toru seina, eriti suurema voolukiiruse korral. Integreeritud geomeetria ei põhjusta suhtelist liikumist toru ja parendusfunktsiooni vahel.
Väärib märkimist, et väga kõrge soojusülekande parandamise eesmärkide puhul (üle 100%) ületab keerdlint sisetükk siiski lohkudega või gofreeritud torusid. Kuid rakenduste jaoks, kus mõõdukas täiustamine on piisav ja töökindlus on ülimalt oluline, on integreeritud toru geomeetria sageli eelistatud lahendus.
PTFE tootmisega seotud kaalutlused
Gofreeritud ja süvendtorusid kasutatakse laialdaselt metallist soojusvahetites (nt roostevaba teras või vask). Nende kohandamine PTFE-ga nõuab spetsiaalseid ekstrusiooni- või termovormimistehnikaid. PTFE ei ole termoplastiga samal viisil sulatamisel töödeldav; tavaliselt ekstrudeeritakse see rammiga või pastaga. Täpsete lohkude või laineliste moodustamine PTFE-s saavutatakse toru juhtimisega läbi mitme kuumutatud stantsi või kasutades pärast paagutamist pöörlevat stantsimist. Väikese läbimõõduga (tavaliselt 6–25 mm) jaoks on pidevad gofreeritud PTFE torud müügil spetsialiseeritud tootjatelt.
Seina paksust tuleb hoolikalt kontrollida. Liiga õhuke sein võib lainetippude siserõhu all kokku kukkuda; liiga paks sein vähendab tihedate laineliste moodustamiseks vajalikku paindevastavust. Gofreeritud PTFE soojusvaheti torude tüüpiline seinapaksus on vahemikus 0,8 kuni 2,0 mm, sõltuvalt läbimõõdust ja rõhuklassist.
Rõhulanguse ja voolurežiimi mõjud
Laminaarses voolus (Re < 2000) on lohkudel ja lainetustel dramaatiline mõju. Need kutsuvad esile varajase ülemineku ebastabiilsele, segamisel domineerivale voolurežiimile isegi madalate Reynoldsi arvude korral, suurendades Nusselti arvu 40–80% võrreldes sileda toruga. Rõhulanguse trahv on samuti märkimisväärne, kuna vool on sunnitud korduvalt kiirendama ja aeglustuma.
Turbulentses voolus (Re > 4000) on suhteline suurenemine väiksem-sageli 20–40%-, kuna omane turbulents tagab juba hea segunemise. Samas kipub rõhulanguse kasv olema ka protsentuaalselt väiksem. Hästi läbimõeldud süvendiga toru võib saavutada soojusliku jõudluse teguri (soojusülekande paranemise ja hõõrdumise suurenemise suhe 1/3 võimsuseni), mis on suurem kui 1,2, mis näitab energiasäästu võrreldes sileda toruga sama pumpamisvõimsuse korral.
Allolev tabel võtab kokku süvis- või gofreeritud PTFE-torude tüüpilised jõudlusvahemikud võrreldes siledate PTFE-torudega, mis põhinevad veetaolistel vedelikel Re=2000-5000 juures.
| Parameeter | Tüüpiline täiustusvahemik |
|---|---|
| Nusselt arvu (soojusülekandeteguri) paranemine | +20% kuni +60% |
| Hõõrdeteguri (rõhulanguse) suurenemine | +30% kuni +100% |
| Soojusvõimetegur (η) | 1.1 – 1.3 |
Järeldus
Dimped või gofreeritud PTFE torud pakuvad lihtsat passiivset meetodit soojusülekande parandamiseks suurepärase töökindlusega. Luues tervikliku pinnageomeetria, mis häirib piirkihti ja soodustab radiaalset segunemist, saavutavad need torud mõõduka (20–60%) soojusülekande paranemise, ilma et tekiks sisetüki migratsiooni, kontakti takistuse või puhastamisraskuste ohtu. Geomeetria on eriti väärtuslik teenuste puhul, mis hõlmavad tahkeid osakesi, kristalle või saastet tekitavaid vedelikke, kus eraldi lisad poleks praktilised. Toru geomeetria jääb soojusvaheti konstruktsiooni oluliseks muutujaks-ja PTFE puhul tagavad gofreeritud või lohutatud vormid jõudluse, puhastatavuse ja pikaajalise vastupidavuse mõjuva tasakaalu.
