چگونه لوله های PTFE فرورفته یا راه راه انتقال حرارت را بدون درج اضافی بهبود می بخشند؟

فرورفتگی‌ها، موج‌ها یا مارپیچ‌ها را می‌توان به‌جای افزودن یک دستگاه جداگانه، مستقیماً روی خود لوله ایجاد کرد. این عناصر یکپارچه به قطع جریان و افزایش انتقال گرما بدون خطر شل شدن یا ایجاد انسداد کمک می کنند.

چرا تقویت غیرفعال توسط هندسه لوله باید در نظر گرفته شود؟
در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و دارویی، قابلیت اطمینان مبدل های حرارتی به اندازه عملکرد حرارتی آنها اهمیت دارد. روش‌های بهبود سنتی مانند نوار پیچ‌خورده یا درج سیم‌پیچ دارای اجزای داخلی هستند که مستعد مهاجرت، خستگی یا محل‌های رسوب هستند. روش دیگر تغییر خود دیواره لوله است. لوله PTFE گودی یا موجدار دارای زبری سطح یا موجی است که ذاتی لوله است. عدم وجود قطعات متمایز به این معنی است که احتمال شکست مکانیکی، گیر افتادن درج یا انسداد جریان تقریباً به حداقل رسیده است.

این روش به ویژه برای مقابله با سیالات حاوی جامدات معلق، دوغاب کریستالی یا محیط های مستعد پلیمریزاسیون جذاب است. برای چنین کاربردهای سختی، از یک لوله داخلی صاف فرورفته یا موجدار برای ایجاد تلاطم بدون شکاف در جایی که ممکن است زباله ها جمع شوند استفاده می شود.

چگونه گودی‌ها و موج‌ها با جریان آشفته می‌شوند
لوله PTFE فرورفته یا موجدار به لوله ای گفته می شود که دارای یک سری فرورفتگی یا فرورفتگی دوره ای یا متناوب انبساط و انقباض یا موجدار در طول خود است. همانطور که سیال بر روی این تفاوت‌های هندسی جریان می‌یابد، لایه مرزی مجاور دیوار به‌طور متوالی مختل می‌شود و دوباره-استقرار می‌یابد. گرداب های چرخشی در پشت هر گودی یا برآمدگی راه راه ریخته می شوند تا اختلاط شعاعی بین سیال هسته و ناحیه دیوار ایجاد شود. اختلاط به طور موثر لایه مرزی حرارتی را نازک می کند و از این رو ضریب انتقال حرارت همرفتی را افزایش می دهد.

مکانیسم افزایش کاملاً متفاوت از درج نوار پیچ خورده است. نوار پیچ خورده یک چرخش مارپیچ ثابت ایجاد می کند، اما فرورفتگی ها و راه راه ها تلاطم دوره ای موضعی ایجاد می کنند. عملکرد انتقال حرارت لوله PTFE موجدار ایجاد شده معمولاً در محدوده 20 تا 60 درصد بهبود نسبت به یک لوله صاف متوسط ​​تر است اما با افزایش افت فشار نسبتاً کمتری، معمولاً بین 30 تا 100 درصد.

در عمل، پارامترهای هندسی (عمق گودی، گام راه راه و ارتفاع) را می توان به گونه ای تنظیم کرد که-بین افزایش انتقال حرارت و افت اصطکاک مبادله شود. موج‌های کوتاه‌تر یا فرورفتگی‌های عمیق‌تر، تلاطم قوی‌تری ایجاد می‌کنند، اما مقاومت بیشتری نیز ایجاد می‌کنند. الگوهای بلندتر و کم عمق تر، جریان روان تری را همراه با تقویت متوسط ​​تر می دهند.

مزایای درج های جداگانه
لوله های PTFE دارای فرورفتگی یا راه راه نسبت به نوار پیچ خورده یا سایر درج های شل دارای مزایای عملی مختلفی هستند:

شکل گیری مداوم هندسه درج در دیواره لوله. بدون خطر جابجایی درج: هیچ شانسی برای جابجایی درج به پایین دست، آسیب دیدن انتهای لوله یا تماس با ورق لوله وجود ندارد.

بدون مقاومت تماس اضافی: با یک درج جداگانه، یک مقاومت تماس حرارتی بین درج و دیواره لوله وجود دارد. هیچ مقاومت اضافی وجود ندارد زیرا هیچ رابطی با فرورفتگی های یکپارچه یا راه راه وجود ندارد.

بررسی و تمیز کردن آسان داخل لوله موجدار همچنان یک کانال باز و بدون مانع است. به طور معمول عبور خوک تمیز کننده یا برس کافی است. تمیز کردن لوله با نوار پیچ خورده ممکن است نیاز به برداشتن درج داشته باشد.

کاهش خطر سایش مکانیکی: درج های چرخشی ممکن است باعث ارتعاش و سایش دیواره لوله PTFE در طول زمان، به ویژه در سرعت های جریان بالاتر شود. هندسه انتگرال هیچ حرکت نسبی بین لوله و ویژگی تقویت کننده ندارد.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100٪ درج نوار پیچ خورده بهتر از لوله های فرورفته یا موجدار است. با این حال، طراحی لوله یکپارچه یک انتخاب محبوب برای کاربردهایی است که در آن بهبود خفیف قابل قبول است و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است.

پردازش PTFE
لوله های راه راه و فرورفته معمولاً در مبدل های حرارتی فلزی (مانند فولاد ضد زنگ، مس) استفاده می شوند. برخی از روش های منحصر به فرد اکستروژن یا شکل دهی حرارتی برای کاربرد آنها در PTFE مورد نیاز است. PTFE را نمی توان مانند ترموپلاستیک ها ذوب کرد. PTFE به طور کلی رم اکسترود یا خمیر اکسترود شده است. یک روش پانچ چرخشی می‌تواند پس از پخت روی PTFE اعمال شود تا گودی‌ها یا موج‌های دقیقی ایجاد کند، یا می‌توان از قالب‌های گرم‌شده متوالی برای کشیدن لوله استفاده کرد. لوله های PTFE موجدار پیوسته به صورت تجاری از تولیدکنندگان متخصص برای قطرهای متوسط ​​(معمولاً 6-25 میلی متر) در دسترس هستند.

کنترل ضخامت دیوار باید بسیار دقیق باشد. دیوار ممکن است خیلی نازک باشد و ممکن است تحت فشار داخلی در بالای موج‌ها فرو بریزد. دیوار ممکن است بیش از حد ضخیم باشد و انطباق خمشی مورد نیاز برای ایجاد یک راه راه محکم کاهش می یابد. ضخامت دیواره لوله‌های مبدل حرارتی PTFE موجدار معمولاً بسته به قطر و درجه فشار در محدوده 0.8 تا 2.0 میلی‌متر است.

اثرات رژیم جریان و افت فشار
در جریان آرام (Re < 2000) وجود فرورفتگی ها و موج ها تأثیر قابل توجهی دارد. حتی در اعداد رینولدز پایین، آنها یک انتقال اولیه به یک رژیم جریان ناپایدار و مخلوط{2} را آغاز می‌کنند که در مقایسه با لوله صاف، عدد ناسلت را 40 تا 80 درصد افزایش می‌دهد. همچنین، جریمه افت فشار مهم است زیرا جریان مجبور به تسریع و کاهش مداوم است.

در جریان آشفته (Re > 4000) بهبود نسبی کمتر - اغلب 20-40% است - زیرا تلاطم طبیعی از قبل اختلاط مؤثر را تضمین می‌کند. با این حال درصد افزایش در کاهش فشار تمایل کمتری دارد. یک لوله فرورفته به درستی ساخته شده می تواند ضریب عملکرد حرارتی (نسبت بهبود انتقال حرارت به افزایش اصطکاک به توان 1/3) بهتر از 1.2 داشته باشد، که نشان دهنده صرفه جویی در انرژی خالص در مقایسه با یک لوله صاف برای همان قدرت پمپاژ است.

جدول زیر محدوده عملکرد معمولی لوله‌های PTFE دارای فرورفتگی یا موج‌دار را در رابطه با لوله‌های PTFE صاف بر اساس سیالات آب مانند در Re=2000-5000. خلاصه می‌کند.

پارامتر Typical Improvement Range Improvement of Nusselt number (ضریب انتقال حرارت) ++20% تا +60%
افزایش ضریب اصطکاک (افت فشار) +30% به +100%
ضریب عملکرد حرارتی (η) 1.1-1.3 نتیجه گیری
لوله های PTFE دارای فرورفتگی یا راه راه یک راه ساده و غیرفعال برای بهبود انتقال حرارت با قابلیت اطمینان بسیار خوب ارائه می دهند. لوله‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هندسه‌های سطحی یکپارچه ایجاد کنند که لایه مرزی را می‌شکند و اختلاط شعاعی را تقویت می‌کند، که منجر به افزایش متوسط ​​(20{4}}60%) انتقال حرارت بدون پتانسیل مهاجرت، مقاومت تماس یا مسائل تمیز کردن می‌شود. این شکل به ویژه در کاربردهایی که حاوی ذرات، کریستال ها یا مایعات رسوب کننده هستند که درج های جداگانه مشکل ساز هستند، مفید است. هندسه لوله یک جنبه حیاتی در طراحی مبدل حرارتی باقی مانده است – و با PTFE، اشکال فرورفته یا موجدار ترکیبی جذاب از عملکرد، قابلیت تمیز کردن و انعطاف پذیری طولانی مدت را ارائه می دهند.