تأثیر قطر لوله بر اثربخشی نسبی درج های توربولاتور در مبدل های PTFE چیست؟

یک درج توربولاتور که انتقال حرارت را در یک لوله PTFE با قطر کوچک بسیار افزایش می دهد ممکن است در لوله های با قطر بزرگ به طور قابل توجهی کمتر موثر باشد. نسبت ناحیه اختلاط آشفته به مقطع لوله-با قطر کاهش می یابد. اثر پوسته پوسته شدن معمولاً هنگام انتخاب دستگاه‌های تقویت غیرفعال برای مبدل‌های حرارتی با لوله‌های فلوروپلیمر نادیده گرفته می‌شود. آگاهی از تأثیر قطر لوله بر عملکرد نسبی توربولاتورها برای طراحی مبدل های حرارتی PTFE مقرون به صرفه و کارآمد از نظر حرارتی مهم است.

اهمیت قطر لوله در نفوذ اختلاط
درج های توربولاتور (نوارهای پیچ خورده، فنرهای مارپیچ، مش های سیمی، میکسرهای ساکن) لایه مرزی دیواره لوله را می شکنند و جریان های ثانویه (گرداب ها، چرخش یا اجزای سرعت شعاعی) ایجاد می کنند. نفوذ این اختلالات جریان در جهت مرکز لوله بیشتر به دو عامل بستگی دارد: هندسه درج و قطر لوله.

یک توربولاتور کوچک می‌تواند مقدار قابل‌توجهی از سطح مقطع جریان{0}} یک لوله با قطر کوچک (مثلاً قطر داخلی 6 میلی‌متر) را تحت تأثیر قرار دهد. گرداب هایی که از حاشیه های درج ریخته می شوند ممکن است به خط مرکزی لوله برسند و مشخصات سرعت کلی را از جریان آرام یا انتقالی به جریان آشفته به خوبی مخلوط تغییر دهند. در نتیجه، مقاومت حرارتی متمرکز در نزدیکی دیوار تا حد زیادی کاهش می یابد و عدد ناسلت می تواند دو یا سه برابر شود.

در یک لوله با قطر بزرگ (مثلاً{1}} میلی‌متر ID) توربولاتور یکسان تنها به اختلاط موضعی در ناحیه حلقوی نزدیک دیوار منجر می‌شود. جریان هسته اساساً بدون تغییر باقی می‌ماند و آرام یا کمی انتقالی است. این افزایش انتقال حرارت را به ناحیه دیوار نزدیک محدود می کند در حالی که سیال مرکزی در اطراف منطقه اختلاط بهبود یافته جریان دارد. ضریب انتقال حرارت کلی لوله{5}} فقط کمی افزایش می یابد. رابطه مبدل PTFE کارایی توربولاتور قطر لوله به نظر می رسد: هرچه قطر بزرگتر باشد، اثر درج بیشتر رقیق می شود.

یک چشم انداز هندسی آسان شده است
فرض کنید یک درج اختلاط موثر را تا فاصله شعاعی $\\delta$ از دیواره لوله القا می کند. مقطعی که در آن اختلاط تقویت می شود تقریباً این است:

برای قطر کوچک D: کسری سطح مخلوط=1 - ((D-2\\delta)/D)^2

برای قطر بزرگ: کسری از جریان مخلوط با 1/D² با رشد D کاهش می یابد (برای δ ثابت)

از آنجایی که δ توسط هندسه درج محدود می شود (به عنوان مثال، ارتفاع لبه نوار پیچ خورده، قطر سیم فنر و غیره)، یک ویژگی اختلاط که جریان 2 میلی متری از دیوار را مختل می کند، تقریباً بر کل لوله 6 میلی متری تأثیر می گذارد، اما فقط یک حلقه بیرونی نازک در یک لوله 20 میلی متری.

مفاهیم عملی برای طراحی مبدل حرارتی PTFE
اندازه لوله های کوچک برای مبدل های حرارتی پوسته و لوله PTFE معمول است، معمولاً 6 میلی متر، 8 میلی متر، 10 میلی متر یا 12 میلی متر قطر داخلی. این تصادفی نیست قطرهای کوچکتر نسبت سطح به حجم را افزایش می دهد، هدایت حرارتی پایین PTFE را جبران می کند و فشردگی مبدل را حفظ می کند. همین قطرهای کم، لوله ها را به طور طبیعی برای قرار دادن توربولاتورها مطلوب می کند.

یک مشاهده کلی این است که برای قطرهای داخلی لوله تا حدود 15 میلی متر، طرح های توربولاتور استاندارد (مثلاً فنرهای مارپیچی با نسبت گام-به{4}}به قطر 1-2 یا نوارهای پیچ خورده با نسبت پیچش 3-5) منجر به افزایش قابل توجه انتقال حرارت می شود. برای درج بالای 20 میلی‌متر، همان درج ضرایب تقویتی 1.2 تا 1.5 را ارائه می‌کند، مگر اینکه هندسه درج به‌طور تهاجمی مقیاس‌بندی شود، مثلاً قطر سیم بزرگ‌تر، گام محکم‌تر یا فنر چند استارت.

عوامل تقویت عملی برای محدوده قطر لوله
Inner Diameter of TubeTypical Enhancement (Nu/Nu_smooth) Pressure drop increase 6-10 mm 2.5-3.5 4-8× 12-15 mm 2.0-2.5 3-6× 16-20 mm 1.5-2.0 2-5× >20 میلی متر 1.2-1.5 (درج مقیاس شده مورد نیاز) 1.5-3× (یا بیشتر)
این مقادیر برای یک هندسه درج{0}}منطبق خوب و عدد رینولدز در مرحله انتقالی هستند (Re~ 1000-5000). اثر قطر در اعداد رینولدز بالاتر کمتر است زیرا تلاطم طبیعی به هر حال غالب است.

نقش عدد رینولدز: زمانی که لوله های کوچک هنوز خراب می شوند
اگر سرعت جریان بسیار کم باشد، حتی یک لوله با قطر کوچک نیز هیچ مزیتی از توربولاتور نخواهد داشت. در اعداد رینولدز بسیار پایین (Re < 100) نیروهای چسبناک غالب هستند و هرگونه اختلال ایجاد شده توسط درج بلافاصله قبل از اینکه بتواند در سطح مقطع لوله پخش شود، میرا می شود. اختلاط هنوز محلی است و عدد ناسلت به مقدار آرام لوله های صاف نزدیک می شود. در عمل، توربولاتورها در رژیم جریان انتقالی ($Re sim 400-5000$) به خوبی کار می کنند. در زیر این حد، مزیت افزایشی مستقل از قطر است.

طراحان همچنین باید بدانند که برای سرعت جریان جرمی معین، لوله‌های کوچک‌تر به طور طبیعی دارای اعداد رینولدز بالاتری هستند زیرا سرعت با سطح مقطع رابطه معکوس دارد. این تاثیر هم افزایی هنوز برای ترکیب قطر لوله کوچک + توربولاتور مطلوب تر است. لوله کوچک قبلاً دارای عدد رینولدز بالاتری است و توربولاتور انتقال به آشفتگی را تقویت می کند.

معاوضه ها و پیامدهای افت فشار
لوله های کوچکتر به دلیل اصطکاک دیواره بزرگتر، افت فشار پایه بزرگتری نسبت به لوله های بزرگتر برای جریان یکسان دارند. اضافه کردن توربولاتور این افت فشار را با ضریب 3-6 تقویت می کند. افت فشار کل در یک لوله با قطر کوچک می تواند بسیار زیاد باشد، به ویژه در مورد سیالات چسبناک یا طول لوله طولانی. از طرف دیگر یک لوله با قطر بزرگ افت فشار پایه کمتری خواهد داشت، حتی با افزایش ضریب 3 افت مطلق ممکن است قابل قبول باشد. این منجر به یک مبادله طراحی بین انتقال حرارت افزایش یافته به بهای افزایش هزینه پمپاژ برای لوله های کوچک و افزایش انتقال حرارت کمتر در لوله های بزرگتر با عملکرد هیدرولیکی ملایم تر می شود.

برای مبدل‌های PTFE که معمولاً برای سیالات خورنده در سیستم‌های افت فشار کم (مثلاً حمام‌های پولیش فلزی با فشار اتمسفر) استفاده می‌شوند، طراح باید این عوامل را بسنجید. یک روش محبوب، انتخاب یک لوله نسبتا کوچک (مثلاً 10 میلی‌متر ID) با توربولاتور نسبتاً شل (مثلاً فنر گام بلند) برای به دست آوردن بهبود رضایت بخش بدون جریمه فشار قابل توجه است.

نکات کاربردی برای انتخاب توربولاتور
با توجه به تأثیر قابل توجه قطر لوله، توصیه های زیر را می توان در مورد مشخصات درج توربولاتور در مبدل های PTFE ارائه کرد:

برای لوله های کمتر از 10 میلی متر ID: یک فنر مارپیچی یا نوار پیچ خورده به خوبی کار می کند. همبستگی مثبت قابل توجهی بین کارایی توربولاتور قطر لوله و مبدل PTFE وجود دارد. به خصوص برای طول لوله های طولانی، افت فشار باید به طور دقیق تخمین زده شود.

برای لوله‌های ID 12-15 میلی‌متری: درج‌های استاندارد کار می‌کنند، با افزایش کمی کمتر. اگر بتوان افزایش افت فشار را تحمل کرد، عملکرد را می توان با استفاده از گام محکم تر یا قطر سیم بیشتر بازیابی کرد.

برای لوله های بیش از 16 میلی متر ID: درج استاندارد توصیه نمی شود. گزینه های جایگزین عبارتند از چندین درج (به عنوان مثال، دو فنر موازی، یک نوار تابدار چند- یا یک لوله مشبک سیمی) یا استفاده از فناوری های مختلف تقویت کننده (زبری لوله یا لوله های فلوت دار خارجی). در بسیاری از شرایط، استفاده از بسته‌ای از لوله‌های-قطر کوچک‌تر ممکن است ارزان‌تر از لوله‌های-قطر بزرگ با درج‌های تهاجمی باشد.

نتیجه‌گیری: تطبیق اندازه لوله با استراتژی افزایش
درج توربولاتور در لوله های PTFE با قطر بسیار خوب کار می کند همانطور که معمولاً در سیستم های مبدل PTFE استفاده می شود. در لوله‌های با قطر داخلی 6-12 میلی‌متر، اختلاط تولید شده توسط فنرها یا نوار به بخش قابل‌توجهی از مقطع جریان نفوذ می‌کند، که منجر به افزایش عدد ناسلت دو تا سه برابر مقدار لوله صاف می‌شود. کارایی نسبی با قطر بالای 15 میلی متر به سرعت کاهش می یابد، زیرا جریان هسته مخلوط نمی شود و برای به دست آوردن عملکرد مشابه، به یک درج تهاجمی تر یا درج های متعدد نیاز است.

انتخاب اندازه لوله به رویکرد افزایش مربوط است. برای پروژه های جدید مبدل حرارتی PTFE، طراح باید با وظیفه حرارتی مورد نظر و افت فشار مجاز شروع کند. در نظر گرفتن قطر لوله به عنوان یک متغیر اصلی. سیال‌های خورنده و تمیز اغلب با لوله‌های کوچک دارای توربولاتور، که فشرده‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه هستند، به بهترین نحو کار می‌شوند. برای مقاوم سازی یک مبدل موجود، قطر ثابت است، ضریب افزایش موجود را می توان با استفاده از دستورالعمل های وابسته به قطر بالا تقریب زد و هندسه درج را می توان برای اندازه لوله خاص تنظیم کرد. درک ارتباط بین عرض لوله، اثربخشی توربولاتور و مبدل PTFE تضمین می کند که توربولاتورها مزیت مورد نظر خود را بدون طراحی بیش از- یا کاهش ناگهانی فشار ارائه می کنند.