Вълнообразната или спираловидна форма на PFA тръба подобрява ли разпределението на топлината в маслени бани с нисък-поток и висок-вискозитет?

Термичното управление на маслени бани с висок-вискозитет, като например използвани за производство на полимери, топлинна обработка и обвивка на химически реактори, е постоянно предизвикателство: маслото тече бавно (само естествена конвекция или рециркулация на нисък{1}}поток) и се противопоставя на смесването. В такава атмосфера нагревател с права PFA тръба произвежда ограничена струя от нагрято масло, издигащо се вертикално, оставяйки значителни обеми от банята при по-ниска температура. Температурната разлика между повърхността на нагревателя и насипното масло понякога е повече от 30-40 градуса, което води до ускорено разграждане на PFA в горещите зони. На теория, вълнообразна или спирално извита PFA тръба води до по-добро разпределение на топлината чрез вторични потоци и разрушаване на термичния бариерен слой. Степента, до която тази промяна във формата дава забележимо подобрение, зависи от вискозитета на маслото при работна температура, геометрията на резервоара и допустимия спад на налягането в системите с принудителен поток.

Промяна на модела на потока на спиралната геометрия
Течността, протичаща в и около спирална PFA тръба (навита като пружина) или синусоидална тръба (вълнообразни завои в една равнина), е подложена на центробежни сили. Методът за пренос на топлина в маслена баня е естествена конвекция. В случай на права вертикална тръба естественият конвекционен поток е изключително аксиален и има само един стълб от нагрято масло, изкачващ се нагоре. От друга страна, спираловидната тръба има извити повърхности, които огъват издигащото се масло навън, докато се издига. Измерванията на скоростта на изображението на частиците в 1000 cP силиконово масло при 120 градуса показват, че спирална PFA тръба (намотка с диаметър 100 mm, височина 200 mm) създава въртящ се тороидален модел на потока около нагревателя. Загрятото масло се издига по спираловиден модел и след това се спуска надолу по стените на резервоара, генерирайки широкомащабна циркулационна клетка, която заема 70-80% от обема на резервоара. Тази циркулация намалява максималната температурна разлика в резервоара от 25–30 градуса (за права тръба) до 10–15 градуса (за спирала) за същата мощност.

Увеличението се увеличава с числото на Дийн, безразмерна величина, която измерва силата на вторичния поток в извити тръби. За вискозитет на маслото, надвишаващ 10 000 cP при работна температура, числото на Дийн е по-малко от 5 и вторичният поток е минимален. В тези много вискозни масла спираловидната форма не осигурява предимство при разпределение на топлината пред правата тръба, тъй като импулсът на течността не генерира циркулация на напречен поток. Практическата горна граница на вискозитета за спираловидна полза е около 8 000-10 000 cP. Вискозитетът трябва да бъде по-малък от 1000 cP, за да бъде вторичният поток достатъчно силен, за да компрометира целостта на PFA обвивката чрез локализирана ерозия по външния радиус на завоите.

Равномерност на повърхностната температура и нарушаване на граничния слой
Вълнообразната тръбна форма (синусоидална с 30-50 mm амплитуда и 100-150 mm дължина на вълната) взаимодейства с топлинния граничен слой по начин, различен от спиралата. Докато маслото тече по вълнообразната повърхност (чрез естествена конвекция или контролиран поток), изпъкналите и вдлъбнати части създават градиенти на налягането, които водят до разделяне на потока и повторно свързване. Всяка вълна генерира малка рециркулационна зона от страната надолу по течението на изпъкналия връх, който е с дължина 3-5 диаметъра. Тези рециркулационни зони транспортират по-хладното масло от обемния поток към повърхността на нагревателя и намаляват локалната дебелина на граничния слой с 30-50% в сравнение с корпуса с права тръба. Експериментите с термодвойка върху вълнообразен PFA нагревател в 5000 cP масло при 150 градуса разкриват, че температурата на повърхността варира с ±4–6 градуса по дължина, в сравнение с ±12–18 градуса за прав нагревател със същата обща повърхностна площ. Подобрената равномерност на температурата директно подобрява живота на PFA чрез намаляване на пиковата повърхностна температура. Максималната температура на повърхността се намалява с около 10 градуса за намаляване с 40–50 % на скоростта на разграждане на PFA (следвайки кинетиката на Арениус).

Вълнообразността налага практическо ограничение: минималният радиус на огъване на тръбата трябва да бъде повече от 8–10 пъти диаметъра на тръбата, за да се предотврати прекомерна концентрация на напрежение в PFA. За PFA тръби с диаметър 12 mm е възможна вълнообразна форма с радиус на огъване 60 mm. По-тесният радиус (30 mm) води до локализирано изтъняване на стената на PFA при външния завой, което намалява механичната якост с 20–30% и увеличава опасността от проникване. Производителите на вълнообразни или спирални PFA нагреватели трябва да използват огъване на дорник с контролирана топлина, за да предпазят стената от срутване. Повредите на полето на огънати PFA нагреватели обикновено произхождат от неограничени завои с радиус по-малък от 6 пъти диаметъра на тръбата.

Ръководство за избор на форма за приложения
Вискозитет Работна температура и тип масло Условие на потока Предпочитана форма на тръбата Очаквано подобрение на равномерността на температурата Основно ограничение
Леко масло (100–500 cP), 80–120 градуса Само естествена конвекция Спирална (диаметър на намотката 8–10 пъти OD на тръбата) Намалява ΔT на резервоара от 25 градуса на 10-12 градуса Вторичният поток ерозира PFA над 200 градуса
Естествена конвекция 120–150 градуса Средно масло (500–2 000 cP) Вълнообразно (амплитуда 4–6× OD на тръбата) намалява горещите точки на повърхността 8-12 градуса; Разстоянието между вълните е от решаващо значение; твърде стегнатото намалява ползата
Средно масло (500-2000 cp) Нисък принудителен поток (Re 100–500) Спирална с по-широка стъпка на намотката Увеличете коефициента на топлопреминаване с 30 до 50 процента Намаляване на налягането 2-3 пъти права тръба
Тежко масло (2000–8000 cP), 150–180 градуса Естествена конвекция Оребрена права тръба или удължена повърхност Спирално/вълнообразното предимство е незначително (Dean<5)Change of shape not justified
Тежко масло (10,000+ cP)Права тръба; трябва да се имат предвид множество къси нагреватели. Няма значително подобрение от формоването. Вискозитетът напълно намалява вторичните потоци
Всякакъв вискозитет, резервоар с механичен миксер. Силна индуцирана турбуленция. Права тръба (доминиращо разбъркване) Оформянето струва пари и не дава стойност. Равномерната температура вече е дадена на разбъркване,
Резервоар с малко напречно-сечение (ограничено пространство) Естествена конвекция Спираловиден (малък вертикален профил) Подобряването на формата е по-важно от спестяването на пространство Оценявайте подобряването на равномерността на прави множество нагреватели
Заключение: Формата има значение само в режим на междинен вискозитет
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ високият вискозитет на течността възпрепятства вторичните потоци и извитите тръби не са по-добри от правите тръби. Спиралните тръби минимизират градиентите на температурата на резервоара с 40 до 60 процента, а вълнообразните тръби намаляват повърхностните горещи точки с 30 до 50 процента в диапазона от 1000 до 5000 cP за ​​най-добра производителност. Подобрената равномерност директно увеличава живота на PFA нагревателя чрез понижаване на пиковите повърхностни температури. За инженерите, обмислящи спецификация на нагреватели за маслени бани със среден вискозитет, се препоръчва да поискат изчислително моделиране на флуидна динамика (CFD) на оформената тръба в тяхната специфична геометрия на резервоара, преди да се ангажират с производството. Ползите са силно зависими от съотношението на резервоара и разположението на нагревателя спрямо стените. Над 8000 cP погледнете няколко прави нагреватели и принудителна рециркулация, а не сложна форма, тъй като разходът на спирална PFA тръба, която обикновено е 30-50% повече от правата, не се възстановява при увеличена равномерност.