چگونه استفاده از نوارهای پیچ خورده ساخته شده از مواد رسانا (به عنوان مثال، فلز) بر عملکرد در مقایسه با درج های PTFE تأثیر می گذارد؟

این یک نوار پیچ خورده PTFE ساده است که با چرخاندن جریان، انتقال حرارت را افزایش می دهد. یک نوار فلزی نیز همین کار را می‌کند، اما گرما را از دیواره لوله به درون خود منتقل می‌کند و اساساً به عنوان یک باله داخلی عمل می‌کند. این منجر به افزایش همرفتی نسبت به رسانا می شود.

دو مکانیسم درج نوار پیچ خورده
هر نوار پیچ خورده در هر ماده ای یک کانال جریان مارپیچ در داخل لوله ایجاد می کند. چرخش تولید شده نیروهای گریز از مرکز تولید می کند که سیال را به سمت دیواره لوله می راند و در نتیجه باعث نازک شدن لایه مرزی حرارتی و افزایش ضریب انتقال حرارت همرفتی می شود. این مکانیسم چرخشی به تنهایی می تواند عدد ناسلت را 100 تا 150 درصد در یک لوله خالی بسته به نسبت گام افزایش دهد.

اگر نوار خود یک ماده رسانای حرارتی باشد (به عنوان مثال فولاد ضد زنگ، هاستلو، تیتانیوم، آلیاژهای مس) اثر باله دیگری وجود دارد. نوار در تماس مستقیم با دیواره لوله است (معمولاً مناسب فنر یا تداخل ملایم). گرما از دیواره داغ به داخل نوار جریان می یابد و بدنه کامل نوار گرم می شود. سپس نوار انرژی ذخیره شده را از هر دو سطح وسیع به سیال عبوری می رساند. این به مقطع لوله یک ناحیه انتقال حرارت اضافی، مانند نوعی باله طولی داخلی می دهد.

اجرای نوار رسانا و نارسانا
نوار پیچ خورده از یک ماده غیررسانا مانند PTFE یا PFA می تواند صرفاً باعث افزایش چرخش همرفتی شود. PTFE رسانایی حرارتی بسیار ضعیفی دارد (تقریبا. 0.25 W/mK) از این رو انتقال حرارت از دیوار به نوار به سختی انجام می شود. نوار تقریباً در دمای مایع موضعی باقی می‌ماند و هیچ ضربه‌ای به باله وارد نمی‌کند.

از طرف دیگر، یک نوار پیچ خورده فلزی ممکن است رسانایی گرمایی در مرتبه قدر بالاتر داشته باشد. فولاد ضد زنگ (~15 W/m·K)، Hastelloy (~10 W/m·K) یا مس (~400 W/m·K). با برقراری تماس حرارتی خوب بین نوار و دیواره لوله، مزیت رسانایی انتقال حرارت کلی را تا حد زیادی افزایش می دهد. در آرایش لوله PTFE با درج نوار پیچ خورده رسانا، اثر چرخشی به علاوه باله معمولاً افزایش انتقال حرارت اضافی 20-30٪ را در نوار غیر رسانا تحت شرایط جریان یکسان فراهم می کند.

برای یک نوار پیچ خورده PTFE، عدد Nusselt 120٪ افزایش می یابد (2.2 برابر مقدار در یک لوله خالی)، اما یک نوار فلزی خوب طراحی شده در همان هندسه ممکن است آن را 150-170٪ (2.5-2.7 برابر) افزایش دهد. بهره واقعی به ضخامت نوار، هدایت تماس حرارتی و ویژگی های سیال بستگی دارد. مزیت رسانایی زمانی بیشتر است که ضریب فیلم روی دیواره لوله از قبل زیاد باشد، به طوری که اثر باله توسط مقاومت رابط دیوار-نوار محدود نمی شود.

خط آخر: تماس حرارتی خوب
نوار فلزی باید در تماس حرارتی نزدیک با دیواره داخلی لوله PTFE باشد تا به اثر باله دست یابد. این کار معمولاً با بزرگ‌تر کردن عرض نوار از قطر داخلی لوله انجام می‌شود به طوری که با یک فنر درج می‌شود. انعطاف پذیری ذاتی نوار فلزی (یا پیچش کم اندازه بزرگ) لبه های نوار را به دیواره لوله فشار می دهد. با این حال، -تناسب بسیار محکم می‌تواند به لوله PTFE آسیب برساند یا وارد کردن آن را غیرممکن کند. تناسب بیش از حد شل یک شکاف هوا ایجاد می کند که عایق حرارتی خوبی است و اثر باله را خنثی می کند.

در عمل، نوارهای پیچ خورده فلزی برای لوله‌های PTFE معمولاً با عرض 0.95 تا 1.00 ID لوله تولید می‌شوند و از شکل مارپیچ برای ایجاد تماس‌های نقطه‌ای به جای تماس کامل خط استفاده می‌کنند. سطح تماس واقعی محدود است و اثربخشی باله کاهش می یابد. اما حتی زمانی که تماس فقط جزئی باشد، رسانایی کمی افزایش می‌یابد، زیرا نوار گرما را در محل‌های تماس گرفته و آن را در طول خود حمل می‌کند. طرح‌های پیچیده‌تر از یک نوار ضخیم‌تر یا یک لبه تا شده برای بهبود ناحیه تماس استفاده می‌کنند.

خطر خوردگی و آلودگی
یکی از خطرات اصلی برای کنترل، خوردگی گالوانیکی و آلودگی فلزی است. حتی زمانی که خود نوار فلزی برای سازگاری با سیال فرآیند انتخاب می شود (به عنوان مثال، Hastelloy C-276 برای کلریدهای تهاجمی، یا تیتانیوم برای اسیدهای اکسید کننده)، معرفی یک جزء فلزی در یک لوله PTFE دو سناریو بالقوه شکست را ارائه می دهد.

ابتدا، اگر سیال فرآیند در دمای عملیاتی فلز را خورده کند، نوار به آرامی خورده می شود. محصولات خوردگی (یون های فلزی یا ذرات) می توانند به داخل مایع نفوذ کرده و محصول را آلوده کنند. این در کاربردهای دارویی، غذایی یا مواد شیمیایی فوق‌العاده ناب است. تمام هدف یک لوله PTFE معمولاً اجتناب از تماس با فلز است. استفاده از نوار فلزی بر خلاف این هدف است.

ثانیاً، حتی اگر نوار به خودی خود در برابر خوردگی مقاوم باشد، اگر هر جزء فلزی دیگری در سیستم وجود داشته باشد (مثلاً ورق لوله فلزی، پروانه پمپ یا شیر پایین دست) باز هم می توان یک جفت گالوانیکی ایجاد کرد. تا زمانی که با هیچ اقلام فلزی خارجی تماس نداشته باشد، نوار از آنها عایق الکتریکی است - لوله PTFE یک عایق الکتریکی است. با این حال، اگر نوار با اتصالات انتهایی فلزی تماس پیدا کند، یا اگر سیال مورد استفاده رسانای الکتریکی باشد (مثلاً الکترولیت آبی)، ممکن است یک مدار گالوانیکی از طریق سیال ساخته شود. فلز نجیب تر (مثلا تیتانیوم) ممکن است باعث خوردگی فلز کمتر نجیب (مثلاً فولاد کربنی) در سایر نقاط سیستم شود.

زمان استفاده از نوار فلزی در مقابل PTFE Twisted Tape
بسته به اولویت های برنامه، انتخاب بین یک نوار فلزی رسانا یا یک نوار{0} PTFE غیر رسانا است.

زمان استفاده از نوار تابیده فلزی:

سیال فرآیند برای فلز انتخاب شده خورنده نیست (مانند آب دیونیزه، حلال های آلی ملایم، آب نمک خنثی).

نیاز به حداکثر انتقال حرارت در واحد طول، قدرت پمپاژ از قبل محدود شده است.

سازگاری با سیال مجاز است و آلودگی محصول مشکلی نیست (مثلاً شیمی صنعتی غیر دارویی).

تماس گرمای خوب بدون آسیب به لوله PTFE امکان پذیر است.

نوار PTFE یا PFA Twisted Tape را برای:

سیال فرآیند بسیار خورنده است (اسیدهای قوی، قلیایی ها، هالوژن ها، عوامل اکسید کننده).

اجتناب از آلودگی با یون های فلزی (سنتز API دارویی، خنک کننده نیمه هادی، پردازش مواد غذایی).

دمای کاری فراتر از حد خوردگی آلیاژهای موجود است اما کمتر از 110 درجه (PTFE) یا 260 درجه (PFA) است.

سادگی و بی اثری شیمیایی اثبات شده بر بهبود عملکرد 20 تا 30 درصدی نوار فلزی برتری دارد.

برای سرویس‌های بسیار خورنده، علی‌رغم از بین رفتن اثر باله، نوارهای PTFE یا PFA استفاده می‌شوند زیرا قابلیت اطمینان و خلوصی که ارائه می‌کنند قابل مذاکره نیست.

خلاصه عملکرد نوارهای رسانا و غیر رسانا-
پارامتر PTFE (غیر{0}}نوار رسانا) نوار فلزی (رسانا)
مکانیسم انتقال حرارت فقط چرخش چرخش + ضربه باله
افزایش عدد معمولی (روی لوله خالی) 100-150٪ 130-180٪
بهره اضافی از رسانایی - +20-30 درصد نسبت به نوار PTFE
الزامات تماس حرارتی قابل اجرا نیست (بدون ضربه باله) تناسب فنر بحرانی - ضروری است
خطر خوردگی هیچ (بی اثر در برابر همه مواد شیمیایی تا 110 درجه) بستگی به سازگاری فلزات با سیال{1}}
خطر آلودگی فلزی امکان پذیر نیست (خوردگی یا سایش)
حداکثر دما 110 درجه (PTFE); 260 درجه (PFA) وابسته به آلیاژ (به عنوان مثال 400 درجه ضد زنگ)
هزینه متوسط ​​(PTFE اکسترود شده) بالاتر (فلز ماشینکاری شده یا مهر شده)
یک مثال کاری: گرم کردن یک جریان خنثی آبی
فرض کنید یک مبدل حرارتی PTFE برای گرم کردن یک جریان آب خنثی-آزاد کلرید از 20 درجه تا 60 درجه استفاده می شود. چرخش به تنهایی انتقال گرما را با درج نوار پیچ خورده PTFE بهبود می بخشد. جلوه باله را می توان با جایگزین کردن آن با یک نوار پیچ خورده در فولاد ضد زنگ 316، که مناسب برای دیدار با دیواره لوله است، معرفی کرد. ضریب انتقال حرارت کلی را می توان از 150 W/m²·K به 190 W/m²·K (27%) افزایش داد. سیال در دمای 60 درجه به فولاد ضد زنگ{11}}خورنده نیست و شسته شدن فلز قابل توجهی ایجاد نمی کند. افزایش عملکرد اجازه می دهد تا مبدل حرارتی کاهش یافته یا نرخ جریان کمتری برای همان وظیفه وجود داشته باشد.

در همان کاربرد، اما یک آب نمک کمی اسیدی (pH 4، 1000 ppm کلرید) فولاد ضد زنگ 316 در معرض خوردگی حفره ای قرار می گیرد. هزینه بسیار بالا خواهد بود و نیاز به نوار Hastelloy C-276 دارد. گزینه دیگر این است که با عملکرد ارزان تر نوار PTFE استفاده کنید که به طور کلی از مشکل خوردگی جلوگیری می کند.

خلاصه
با استفاده از نوارهای پیچ خورده فلزی بر روی نوارهای پلاستیکی، یک اثر باله رسانا ممکن است حاصل شود که می تواند عملکرد انتقال حرارت را تا حدود 20-30% بهبود بخشد. با این حال، این مزیت تنها در صورتی محقق می شود که تماس حرارتی خوبی با دیواره لوله حفظ شود و مهمتر از آن اگر فلز کاملاً با سیال فرآیند سازگار باشد. برای عملیات ظریف مانند سنتز دارویی یا فرآوری شیمیایی با خلوص بالا، هر گونه خطر خوردگی یا آلودگی فلزی، مزیت حرارت را تحت الشعاع قرار می دهد. انتخاب مواد برای دستگاه های بهبود باید به اندازه خود مبدل دقیق باشد. برای بسیاری از خدمات حساس به خورندگی یا خلوص، بی اثر بودن نوار PTFE یا PFA علیرغم عدم وجود اثر باله، انتخاب برتر است.