عملکرد توربولاتورهای فنری مارپیچی در لوله های مبدل حرارتی PTFE چیست؟

این سیم پیچ اولیه به شکل فنر{0}}، که در داخل یک لوله PTFE قرار می گیرد، می تواند انتقال حرارت را به طور قابل ملاحظه ای افزایش دهد. سیم پیچ جریان را در دیواره لوله قطع می کند اما بر خلاف یک نوار پیچ خورده جامد، مرکز را مسدود نمی کند. این منجر به تعادل عملکرد متفاوت می شود. این فناوری افزایش انتقال حرارت غیرفعال به ویژه برای مبدل‌های حرارتی PTFE مفید است که در آن رسانایی حرارتی محدود خود پلیمر (≈0.25 W/m·K) ضرایب انتقال حرارت کلی را محدود می‌کند. مجموعه مبدل حرارتی یک توربولاتور فنری مارپیچی PTFE لایه مرزی سمت لوله را می شکند و پیشرفت های زیادی در راندمان حرارتی ایجاد می کند.

آشنایی با هندسه توربولاتور فنری مارپیچی
توربولاتور فنری مارپیچی یک سیم پیچ سیم پیچی است که به قطر داخلی لوله PTFE نزدیک است. سیم پیچ با سه پارامتر هندسی تعریف می شود:

قطر سیم (d_w) - معمولاً 1-3 میلی متر، بسته به اندازه لوله

گام سیم پیچ (p) - فاصله محوری بین پیچ های همسایه

قطر خارجی سیم پیچ (D c): کمی کوچکتر از قطر داخلی لوله (D i) برای درج

کارایی توربولاتور با نسبت قطر سیم به قطر لوله (dw /D i) و نسبت گام به قطر (p/D i) تعیین می‌شود. استانداردهای طراحی رایج نشان می دهد که عملکرد بهینه برای dw / D i بین 0.1 و 0.2 و p / D i بین 1 و 3 به دست می آید.

کویل ممکن است از مواد زیادی بسته به سیالی که تحت درمان است ساخته شود. برای جریان های آبی یا اسیدی خورنده، سیم فلزی با روکش PTFE یا سیم پیچ تک رشته ای جامد PTFE پیشنهاد می شود. برای سیالات ساینده کمتر که آلودگی فلزی مشکلی ندارد، ممکن است از سیم های آلیاژی بالا (مانند فولاد ضد زنگ 316L، Hastelloy C{8}}276) استفاده شود. در سیستم های تمام فلوئوروپلیمری یک فنر PFA یا PTFE مقاومت شیمیایی کلی را ایجاد می کند.

مکانیسم جداسازی لایه مرزی
در یک لوله صاف تحت جریان آرام یا کم-رینولدز-، یک لایه مرزی ثابت (زیرلایه آرام) در دیواره لوله تشکیل شده است. این لایه نازک مقاومت اصلی در برابر انتقال حرارت است. این زیرلایه فقط باید از طریق رسانایی عبور کند که ناکارآمد است.

سفر لایه مرزی، توربولاتور فنری مارپیچی است. همانطور که سیال از طریق لوله جریان می یابد، هر چرخش سیم پیچ جداسازی جریان محلی، گردابه ها و اختلاط شعاعی ایجاد می کند. نکته مهم این است که سیم پیچ مرکز لوله را مسدود نمی کند - جریان هسته اساساً بدون مانع است. این یک فنر مارپیچ به جای یک نوار پیچ خورده جامد است که کل سیال را در یک حرکت چرخشی جریان می دهد و اغلب به یک منطقه مرده در اطراف مرکز نوار منتهی می شود.

اثر اصلی فنر در مجاورت دیواره لوله رخ می دهد. در نقطه حداکثر مقاومت حرارتی سیم پیچ به طور دوره ای لایه مرزی در حال رشد را می شکند و اختلاط آشفته را افزایش می دهد. در مقایسه تجربی، ثابت شده است که یک سیم پیچ فنری-به خوبی طراحی شده می تواند عدد ناسلت سمت لوله (Nu) را 2 تا 3 برابر در مقایسه با یک لوله صاف تحت شرایط جریان یکسان افزایش دهد.

عملکرد اندازه گیری شده: عدد ناسلت و افت فشار
مبادله-میان افزایش انتقال حرارت و کاهش فشار دائماً دیده می‌شود. محدوده‌های معمولی شرح‌داده‌شده در مطالعات{2}}بررسی شده برای توربولاتورهای فنری مارپیچی در اعداد رینولدز از 500 تا 10000 است:

پارامتر لوله صاف با سیم پیچ فنری مارپیچی
عدد ناسلت (Nu) خط پایه (1×) 2-3× افزایش
ضریب اصطکاک (f) خط پایه (1x) 3-6 برابر افزایش می یابد
ضریب افزایش تا حد زیادی به هندسه سیم پیچ بستگی دارد. گام محکم تر (p/D_i کمتر) منجر به اختلالات مکرر جریان و در نتیجه Nu بالاتر، اما همچنین افت فشار بیشتر می شود. از سوی دیگر، یک سیم پیچ شل تر، جریمه فشار را به حداقل می رساند و در عین حال بهبود قابل توجهی را به همراه دارد.

طراحی سیم پیچ یک راه حل قابل تنظیم است: برای یک کاربرد معین می توان گام و قطر سیم را انتخاب کرد تا محدودیت های فرآیند در افت فشار مجاز برآورده شود. حداکثر انتقال حرارت با یک سیم پیچ محکم برای سیالات تمیز و در جایی که نیروی پمپاژ کافی است به دست می آید. برای یک سیال چسبناک یا حساس به برشی، یک سیم پیچ شلتر عمل اختلاط ملایم تری را ارائه می دهد.

مزایای نوارهای پیچ خورده جامد
توربولاتور فنری مارپیچ دارای مزایای عملی نسبت به نوار چسباننده جامد است:

کاهش تمایل به رسوب گیری - فنر مناطق راکد کاملاً محصور را ایجاد نمی کند، به عنوان مثال ذرات معلق یا جامدات رسوبی کمتر احتمال دارد که رسوب کنند. یک نوار جامد، به ویژه در یک لوله افقی، ممکن است یک ناحیه جریان کم-در "سایه" نوار که در آن رسوب شروع می شود، ایجاد کند. ساختار باز فنر باعث می شود تا مایع به طور مداوم تمیز شود.

نصب و برداشتن آسان‌تر - یک سیم پیچ فنری را می‌توان به راحتی در یک لوله قرار داد و در انتهای آن گیره کرد. برای مصارف مقاوم سازی، لوله های مبدل حرارتی PTFE موجود را می توان بدون تغییر دائمی به فنرها مجهز کرد. تمیز کردن آسان است، فقط سیم پیچ را بیرون بکشید، آن را تمیز کنید و آن را برگردانید.

هزینه مواد کمتر - مواد بسیار کمتری در سیم پیچ سیم در مقایسه با نوار جامد وجود دارد، به خصوص برای لوله های طولانی. اگر آلیاژهای گران قیمت یا فلوروپلیمرها مورد نیاز باشد، تفاوت هزینه قابل توجه است.

سازگاری با انبساط لوله PTFE - لوله های PTFE دارای ضریب انبساط حرارتی بالایی هستند. یک نوار جامد که در دمای محیط قرار می گیرد می تواند در دمای کار بسیار سفت شود و به لوله آسیب برساند. سیم پیچ فنری انعطاف پذیر است و می تواند تغییرات ابعادی را بدون ایجاد نیروی شعاعی بیش از حد بپذیرد.

یک نقطه عملی حداقل عدد رینولدز برای اثربخشی
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10000) آشفتگی طبیعی در حال حاضر به طور موثر لایه مرزی را مختل می کند و سود افزایشی سیم پیچ نسبت به افت فشار اضافی کاهش می یابد. توربولاتورهای فنری مارپیچی برای مبدل‌های حرارتی PTFE که با سیالات چسبناک، جریان‌های با سرعت جریان کم یا هندسه‌های فشرده که به طور طبیعی با سرعت جریان پایین مشخص می‌شوند، بهترین گزینه هستند.

در آزمایش‌ها مشاهده می‌کنیم که با افزایش عدد رینولدز، ضریب افزایش کاهش می‌یابد. کمتر از 200$، سیم پیچ ممکن است همچنان انتقال حرارت را با ایجاد جریان های ثانویه ملایم افزایش دهد، اما این اثر نسبت به منطقه انتقال آرام-به{3}}آشفتگی، کمتر قابل توجه است.

برنامه های کاربردی مقاوم سازی و در دسترس بودن تجاری
توربولاتورهای فنری مارپیچی تجاری موجود در تعدادی از تولیدکنندگان قطعات مبدل حرارتی در دسترس هستند. قطرهای معمول لوله PTFE (6 میلی متر، 8 میلی متر، 10 میلی متر، 12 میلی متر، 16 میلی متر و قطر داخلی 20 میلی متر) به عنوان طرح های استاندارد موجود است. برای رفع نیازهای فرآیندی خاص، می توان عرض و گام های سیم ویژه ای تولید کرد.

یک وضعیت متداول تعمیر، یک مبدل حرارتی{0}}و{1}}لوله ای PTFE موجود است که به دلیل ضرایب انتقال حرارت پایین لوله-به خوبی کار نمی کند. به جای بازسازی کل مبدل، توربولاتورها را در هر لوله قرار می دهید. نصب معمولاً در طول یک قطع تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده انجام می شود. افزایش ضریب انتقال حرارت کلی (U) یا توان عملیاتی بالاتر یا مصرف آب گرم کمتری را فراهم می کند یا منطقه لازم برای طراحی جدید را کمتر می کند.

نتیجه گیری: یک کمک نصب آسان و مؤثر
توربولاتورهای فنری مارپیچی یک انتخاب آسان برای نصب و انتخاب موثر برای بهبود انتقال حرارت لوله PTFE، به ویژه در خدمات تمیز است. این درج‌ها عملکرد حرارتی مبدل‌های حرارتی PTFE با رسانایی پایین را با افزایش عدد ناسلت لوله با ضریب 2 تا 3 با جریمه افت فشار معقول 3 تا 6 برابر، متحول می‌کنند. چیدمان مبدل حرارتی PTFE توربولاتور فنری مارپیچی باز است،-غیر رسوب‌پذیر است و از مواد انعطاف‌پذیر (PTFE، PFA یا سیم آلیاژی) استفاده می‌کند که آن را برای کاربردهای خورنده، با خلوص{{9} و مقاوم سازی مناسب می‌سازد.

تعدادی از اشکال توربولاتور برای انجام اهداف مختلف در دسترس هستند، از جمله نوارهای پیچ خورده، مش های سیمی و میکسرهای ساکن. فنر مارپیچ دارای طاقچه خاص، بهبود متوسط، رسوب کم و نصب ساده است. توربولاتور فنری مارپیچی سزاوار توجه قابل توجهی توسط مهندسان فرآیند است که به دنبال روشی غیرفعال- با تعمیر و نگهداری کم برای بهینه سازی انتقال حرارت و حفظ مقاومت شیمیایی هستند.