نسبت گام درج نوار پیچ خورده چگونه بر انتقال حرارت در لوله های PTFE تأثیر می گذارد؟

یک نوار پیچ خورده که در یک لوله PTFE قرار می گیرد، جریان چرخشی ایجاد می کند که انتقال گرما را افزایش می دهد. درجه این چرخش و موازنه عملکرد ناشی از آن مستقیماً توسط نسبت گام پیچ کنترل می شود - که به عنوان سفتی پیچ نشان داده می شود.

نسبت پیچ در نوارهای پیچ خورده چیست؟
نسبت گام، نسبت طول لازم برای انجام یک چرخش کامل 360 درجه (طول گام) به عرض نوار است. به عنوان مثال، نواری که یک دور کامل را در فاصله ای برابر با عرض خود می چرخاند، نسبت گام آن 1 است. اگر نوار به طور کامل در طولی پنج برابر عرض خود بپیچد، نسبت گام 5 است. نسبت گام پایین=پیچش بسیار محکم، خشن . نسبت گام بالا=پیچش کم‌تر، نرم‌تر.

در حقیقت، نوارهای پیچ خورده برای لوله های PTFE از PTFE یا PFA (پرفلورالکوکسی آلکان) ساخته شده اند تا از سازگاری کامل شیمیایی با سیالات فرآیندی بسیار خورنده اطمینان حاصل کنند. این تضمین می کند که هیچ آلودگی فلزی یا مشکل خوردگی گالوانیکی حتی با اسیدهای قوی، حلال ها یا محیط های فوق خالص وجود ندارد.

تأثیر نسبت گام بر چرخش و انتقال حرارت
هنگامی که مایع از لوله ای حاوی یک نوار پیچ خورده عبور می کند، نوار جریان را فشار می دهد تا از یک الگوی مارپیچ پیروی کند. این چرخش نیروهای گریز از مرکز تولید می کند که سیال سنگین تر را به سمت دیواره لوله می راند، بنابراین لایه مرزی حرارتی را به طور موثر نازک می کند. این مربوط به ضریب انتقال حرارت همرفتی بزرگتر یا عدد ناسلت بالاتر است.

نسبت گام مستقیماً مسئول قدرت چرخش است. مولفه سرعت مماسی قوی تر ناشی از پیچش محکم تر است (نسبت گام پایین تر به عنوان مثال. 2). به طوری که بهبود انتقال حرارت معمولاً به عنوان نسبت عدد ناسلت با درج به یک لوله ساده نشان داده می شود می تواند تا 150٪ یا بیشتر باشد. با این حال، این چرخش سریع منجر به اصطکاک قابل ملاحظه سیال بالاتری نیز می شود که منجر به افزایش افت فشار شدید می شود که اغلب در محدوده 200-600 درصد در مقایسه با یک لوله خالی است.

از طرف دیگر، پیچش شل تر (نسبت گام بالاتر، مثلاً. 5 یا 6) چرخش ملایم تری ایجاد می کند. افزایش انتقال حرارت نسبتاً متوسط ​​است-معمولاً 50-80٪ نسبت به مقدار لوله ساده - اما جریمه افت فشار به نسبت کمتر است، اغلب فقط 100-200٪ بیشتر است.

نسبت گام نوار پیچ خورده و عملکرد انتقال حرارت PTFE ارتباط خطی ندارند. کاهش نسبت گام از 6 به 2 منجر به افزایش نامتناسب قابل توجهی در انتقال حرارت و اصطکاک می شود. از این رو نسبت گام بهینه یک رقم تنظیم شده نیست بلکه کاملاً به توان پمپاژ مجاز و وظیفه حرارتی مورد نظر بستگی دارد.

توصیه های طراحی عملی برای لوله های PTFE
در مورد لوله های PTFE، اگر افت فشار یک عامل محدود کننده نباشد، اغلب نسبت گام 3 به 5 انتخاب می شود. این محدوده نشان دهنده یک سازش خوب است: افزایش ضریب انتقال حرارت در حدود 80-120٪ با افزایش افت فشار 200-350٪. به طور کلی این مقادیر در اکثر کاربردهای فرآیند شیمیایی قابل تحمل هستند، به ویژه زمانی که طول لوله متوسط ​​باشد (به عنوان مثال مبدل های حرارتی پوسته و لوله یا سیم پیچ غوطه وری).

لازم به ذکر است که خود لوله های PTFE رسانایی حرارتی نسبتاً کمی دارند (حدود. 0.25 W/mK). به طور کلی، مقاومت حرارتی اصلی در دیواره لوله یا فیلم سیال داخلی است. استفاده از نوار پیچ خورده با نسبت گام مناسب می تواند مقاومت فیلم داخلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و بنابراین مقاومت کنترل کننده را به طرف دیگر مبدل حرارتی منتقل کند. این باعث می شود طراحی کامل متعادل تر و مقرون به صرفه تر باشد.

نسبت گام بالای 6 به 8 ممکن است برای برنامه‌هایی انتخاب شود که افت فشار بسیار محدود است، مانند سیستم‌های گرانشی-یا بخاری‌های گازی با فشار کم{3}. این چرخش کافی برای محدود کردن جریان آرام و افزایش اختلاط شعاعی را فراهم می کند، اما جریمه اصطکاک هنوز قابل تحمل است.

در صورت نیاز به حداکثر انتقال حرارت بدون توجه به افت فشار (مثلاً در گرمایش با ویسکوزیته بالا، یا جایی که هزینه های پمپاژ ناچیز است) می توان نسبت گامی 2 به 3 را انتخاب کرد. در چنین مواردی ضریب انتقال حرارت را می توان تا 150% افزایش داد. طراح باید اطمینان حاصل کند که پمپ یا دمنده می تواند فشار بالاتری را ارائه دهد.

ملاحظات مهندسی بیشتر
طول ورودی حرارتی توسط نوارهای پیچ خورده در لوله‌های PTFE کاهش می‌یابد، که رفتاری کاملاً آشفته-همانند حتی در اعداد رینولدز پایین ایجاد می‌کند (Re <2000). این به ویژه در جریان های کند یا در لوله های با قطر کوچک که تلاطم واقعی به سرعت جریان غیر عملی نیاز دارد مفید است.

شما باید تلورانس های تولید را در نظر بگیرید. ماده PTFE انعطاف پذیرتر است، که ساختن یک نوار محکم تابیده (نسبت گام پایین) را دشوارتر می کند. برای نسبت های گام بسیار کم (تقریباً زیر 2.5) PFA به دلیل سفتی بالاتر و حفظ بهتر شکل پیچش در دماهای افزایش یافته به طور کلی مورد علاقه است.

نسبت گام نیز بر تمیز کردن و نگهداری تأثیر می گذارد. نوارهایی با نسبت گام بسیار کم (پیچش های محکم) تمایل دارند ذرات را با سهولت بیشتری جمع آوری کنند و برای تمیز کردن، جدا کردن آنها دشوارتر است. در بیشتر موارد، نسبت گام 4 یا بیشتر، مسیر محوری کافی برای عبور زباله ها یا قرار دادن یک خوک تمیز کننده را فراهم می کند.

خلاصه
نسبت گام یک درج نوار پیچ خورده اهرم طراحی اصلی برای کنترل انتقال حرارت در مقابل مبادله افت فشار-در لوله‌های PTFE است. چرخش قوی و افزایش حرارت{2} بالا با نسبت گام پایین تر (پیچش محکم تر) به قیمت افزایش زیاد تلفات اصطکاک حاصل می شود. نسبت‌های گام بالاتر (پیچش‌های ضعیف‌تر) منجر به تقویت نرم‌تر و کارآمدتر انرژی{4}}می‌شود. نسبت گام بین 3 و 5 تعادل عالی را برای اکثر کاربردهای جابجایی سیالات خورنده فراهم می کند. بهینه سازی شکل درج از جمله نسبت گام هنوز یک عامل مهم در بهبود عملکرد مبدل حرارتی بدون به خطر انداختن سازگاری شیمیایی یا یکپارچگی مواد است.