آیا شکل لوله PFA موجدار یا مارپیچ، توزیع گرما را در حمام‌های روغن با ویسکوزیته کم-جریان، بالا- بهبود می‌بخشد؟

مدیریت حرارتی حمام‌های روغن با ویسکوزیته بالا، مانند مورد استفاده در تولید پلیمر، عملیات حرارتی و پوشش راکتور شیمیایی یک چالش همیشگی است: روغن به آرامی جریان می‌یابد (همرفت طبیعی به تنهایی یا جریان کم{{1}) و در برابر اختلاط مقاومت می‌کند. در چنین فضایی، یک بخاری مستقیم لوله PFA، ستون محدودی از روغن گرم شده تولید می کند که به صورت عمودی بالا می رود و حجم قابل توجهی از حمام را در دمای پایین تر می گذارد. اختلاف دما بین سطح بخاری و روغن فله گاهی بیش از 30-40 درجه است که منجر به تخریب سریع PFA در مناطق گرم می شود. در تئوری، یک لوله PFA منحنی مواج یا مارپیچ منجر به توزیع بهتر گرما از طریق جریان‌های ثانویه و اختلال در لایه سد حرارتی می‌شود. درجه ای که این تغییر شکل باعث بهبود محسوس می شود به ویسکوزیته روغن در دمای کار، هندسه مخزن و افت فشار مجاز در سیستم های جریان اجباری بستگی دارد.

تغییر الگوی جریان هندسه حلزونی
سیالی که در داخل و اطراف یک لوله PFA مارپیچ (مپیچ مانند فنر) یا یک لوله سینوسی (خمش های مواج در یک صفحه) جریان دارد تحت نیروهای گریز از مرکز قرار می گیرد. روش انتقال حرارت در حمام روغن خاموش، همرفت طبیعی است. در مورد یک لوله عمودی مستقیم، جریان همرفت طبیعی منحصراً محوری است و تنها یک ستون روغن گرم شده وجود دارد که به سمت بالا صعود می کند. از طرف دیگر، یک لوله مارپیچ دارای سطوح منحنی است که روغن در حال افزایش را در حین بالا آمدن به سمت بیرون خم می کند. اندازه گیری سرعت سنجی تصویر ذرات در روغن سیلیکون 1000 cP در 120 درجه نشان می دهد که یک لوله PFA مارپیچ (کویل به قطر 100 میلی متر، ارتفاع 200 میلی متر) یک الگوی جریان حلقوی چرخشی در اطراف بخاری ایجاد می کند. روغن گرم شده در یک الگوی مارپیچی بالا می رود و سپس دیواره های مخزن را پایین می آورد و یک سلول گردشی در مقیاس بزرگ ایجاد می کند که 70 تا 80 درصد حجم مخزن را اشغال می کند. این گردش حداکثر اختلاف دما در سراسر مخزن را از 25 تا 30 درجه (برای یک لوله مستقیم) به 10-15 درجه (برای یک مارپیچ) برای همان ورودی برق کاهش می دهد.

افزایش با عدد دین افزایش می یابد، کمیتی بدون بعد که قدرت جریان ثانویه را در لوله های منحنی اندازه گیری می کند. برای ویسکوزیته روغن بیش از 10000 cP در دمای عملیاتی، عدد Dean کمتر از 5 است و جریان ثانویه حداقل است. در این روغن‌های بسیار چسبناک، شکل مارپیچ مزیت توزیع گرما را نسبت به یک لوله مستقیم فراهم نمی‌کند، زیرا تکانه سیال گردش جریان متقاطع را ایجاد نمی‌کند. حد عملی ویسکوزیته بالایی برای بهره مارپیچی حدود 8000-10000 cP است. ویسکوزیته باید کمتر از 1000 cP باشد تا جریان ثانویه به اندازه کافی قوی باشد که یکپارچگی غلاف PFA را با فرسایش موضعی در شعاع بیرونی خم ها به خطر بیندازد.

یکنواختی دمای سطح و اختلال در لایه مرزی
شکل لوله مواج (سینوسی با دامنه 30-50 میلی متر و طول موج 100-150 میلی متر) با لایه مرزی حرارتی به روشی متفاوت از مارپیچ در تعامل است. همانطور که روغن روی سطح موجدار جریان می یابد (توسط همرفت طبیعی یا جریان کنترل شده)، قسمت های محدب و مقعر شیب فشار ایجاد می کنند که منجر به جدا شدن جریان و اتصال مجدد می شود. هر موج یک منطقه چرخش کوچک در سمت پایین دست قله محدب ایجاد می کند که طول آن 3-5 است. این مناطق چرخشی روغن خنک‌کننده را از جریان حجیم به سمت سطح بخاری منتقل می‌کنند و ضخامت لایه مرزی محلی را در مقایسه با مورد لوله مستقیم 30-50٪ کاهش می‌دهند. آزمایش‌های ترموکوپل روی بخاری موج‌دار PFA در روغن 5000 cP در دمای 150 درجه نشان می‌دهد که دمای سطح 4-6± درجه در طول طول تغییر می‌کند، در مقایسه با 12-18 درجه برای یک بخاری مستقیم با مساحت کل یکسان. یکنواختی دما افزایش یافته به طور مستقیم با کاهش دمای پیک سطح، عمر PFA را بهبود می بخشد. حداکثر دمای سطح حدود 10 درجه برای کاهش 40 تا 50 درصد در نرخ تجزیه PFA کاهش می یابد (به دنبال سینتیک آرنیوس).

موج‌بودن یک محدودیت عملی ایجاد می‌کند: حداقل شعاع خمشی لوله باید بیش از 8 تا 10 برابر قطر لوله باشد تا از غلظت بیش از حد تنش در PFA جلوگیری شود. برای لوله های PFA با قطر 12 میلی متر، شکل موج دار با شعاع خمش 60 میلی متر امکان پذیر است. شعاع تنگ تر (30 میلی متر) منجر به نازک شدن موضعی دیواره PFA در خم بیرونی می شود که استحکام مکانیکی را 20-30٪ کاهش می دهد و خطر نفوذ را افزایش می دهد. سازندگان بخاری های PFA موج دار یا مارپیچ باید از خمش سنبه با حرارت کنترل شده برای جلوگیری از فروریختن دیوار استفاده کنند. خرابی های میدانی بخاری های PFA خم شده معمولاً در خم های نامحدود با شعاع کمتر از قطر لوله 6 برابر منشأ می گیرند.

راهنمای انتخاب شکل برای برنامه ها
ویسکوزیته دمای عملیاتی و نوع روغن شرایط جریان، شکل لوله ترجیحی بهبود پیش بینی شده در یکنواختی دما محدودیت اصلی
روغن سبک (100-500 cP)، 80-120 درجه فقط همرفت طبیعی مارپیچی (قطر سیم پیچ 8-10 برابر لوله OD) مخزن ΔT را از 25 درجه به 10-12 درجه کاهش می دهد جریان ثانویه PFA را بالای 200 درجه فرسایش می دهد.
همرفت طبیعی 120-150 درجه روغن متوسط ​​(500-2000 cP) موج دار (دامنه 4-6× لوله OD) نقاط داغ سطح را 8-12 درجه کاهش می دهد. فاصله موج بسیار مهم است. خیلی تنگ سود را کم می کند
روغن متوسط ​​(500-2000 cp) جریان اجباری کم (Re 100-500) حلزونی با گام سیم پیچ گسترده تر افزایش ضریب انتقال حرارت 30 تا 50 درصد کاهش فشار 2-3 برابر لوله مستقیم
روغن سنگین (2000-8000 cP)، 150-180 درجه همرفت طبیعی لوله مستقیم باله دار یا سطح کشیده مزیت مارپیچ/مواج جزئی است (دین<5)Change of shape not justified
نفت سنگین (10,000+ cP)Traight tube; بخاری های کوتاه متعددی باید در نظر گرفته شوند. هیچ پیشرفت قابل توجهی از قالب گیری وجود ندارد. ویسکوزیته جریان های ثانویه را به طور کامل مرطوب می کند.
هر گونه ویسکوزیته، مخزن با مخلوط کن مکانیکی لوله مستقیم القا شده با آشفتگی بالا (هم زدن غالب) شکل دادن هزینه دارد و هیچ ارزشی ایجاد نمی کند دمای یکنواخت قبلاً هم زدن داده می شود
مخزن با مقطع کوچک-(فضای محدود) همرفت طبیعی حلزونی (پروفایل عمودی کوچک) بهبود شکل مهمتر از صرفه جویی در فضا است.ارزیابی بهبود یکنواختی بخاری های چندگانه مستقیم
نتیجه گیری: شکل فقط در رژیم ویسکوزیته متوسط ​​مهم است
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ ویسکوزیته بالای سیال جریان های ثانویه را مهار می کند و لوله های منحنی بهتر از لوله های مستقیم نیستند. لوله های حلزونی شیب دمای مخزن را 40 تا 60 درصد به حداقل می رساند و لوله های موج دار نقاط داغ سطح را 30 تا 50 درصد در محدوده 1000 تا 5000 cP برای بهترین عملکرد کاهش می دهند. یکنواختی افزایش یافته به طور مستقیم با کاهش دمای پیک سطح، طول عمر بخاری PFA را افزایش می دهد. برای مهندسانی که مشخصات بخاری‌ها را برای حمام‌های روغنی با ویسکوزیته متوسط ​​در نظر می‌گیرند، توصیه می‌شود که قبل از تعهد به تولید، مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) لوله شکل‌دار در هندسه مخزن خاص خود را درخواست کنند. مزایا به شدت به نسبت ابعاد مخزن و محل قرارگیری بخاری نسبت به دیوارها بستگی دارد. بالاتر از 8000 cP، به چندین گرم کننده مستقیم و چرخش اجباری به جای شکل پیچیده نگاه کنید، زیرا هزینه یک لوله PFA مارپیچی، که عموما 30 تا 50 درصد بیشتر از مستقیم است، با افزایش یکنواختی بازیابی نمی شود.