Как съотношението на стъпката на вложка с усукана лента влияе на топлопреминаването в PTFE тръби?

Усукана лента, поставена в PTFE тръба, генерира вихров поток, който увеличава предаването на топлина. Степента на това завихряне и произтичащият компромис с производителността се контролират директно от съотношението на стъпката на усукването – представено като стегнатостта на усукването.

Какво е съотношението на стъпката в вложките с усукана лента?
Коефициентът на стъпка е съотношението на дължината, необходима за едно пълно усукване на 360 градуса (дължината на стъпката) към ширината на лентата. Например, лента, която прави едно пълно завъртане на разстояние, равно на нейната собствена ширина, има коефициент на стъпка 1. Ако лентата се навива изцяло по дължина, пет пъти по-голяма от нейната ширина, съотношението на стъпка е 5. Ниско съотношение на стъпка=много стегнато, силно усукване. Високо съотношение на височина=по-свободно, по-меко усукване.

В действителност вложките с усукана лента за PTFE тръби са изработени от PTFE или PFA (перфлуороалкокси алкан), за да осигурят пълна химическа съвместимост със силно корозивни технологични течности. Това гарантира липса на метални замърсявания или проблеми с галванична корозия дори при мощни киселини, разтворители или свръхчисти среди.

Ефект на съотношението на стъпката върху завихрянето и преноса на топлина
Докато течността преминава през тръба, съдържаща усукана лента, лентата избутва потока, за да следва спираловиден модел. Това завихряне генерира центробежни сили, които задвижват по-тежката течност към стената на тръбата, като по този начин ефективно изтъняват термичния граничен слой. Това съответства на по-голям коефициент на конвективен топлопренос или по-високо число на Нуселт.

Съотношението на стъпката е пряко отговорно за силата на въртенето. По-силният компонент на тангенциалната скорост се причинява от по-плътно усукване (по-ниско съотношение на стъпката, напр. . 2). Така че подобрението на топлопреминаването, обикновено означавано като съотношението на числото на Нуселт с вложката към това на обикновена тръба, може да бъде до 150% или повече. Въпреки това, това бързо въртене също води до значително по-високо флуидно триене, което води до огромно увеличение на спада на налягането, често в диапазона от 200-600% в сравнение с празна тръба.

От друга страна, по-свободно усукване (по-високо съотношение на височината, напр. . 5 или 6) ще даде по-нежно завъртане. Подобряването на топлопреминаването е сравнително умерено-обикновено 50-80% над стойността на обикновената тръба, но наказанието за спад на налягането е пропорционално по-малко, често само 100-200% по-високо.

Съотношението на стъпката на усуканата лента и ефективността на топлопренос на PTFE не са-линейно свързани. Намаляването на съотношението на стъпката от 6 на 2 води до непропорционално значително увеличение както на преноса на топлина, така и на триенето. Следователно оптималното съотношение на стъпката не е зададена цифра, а зависи изцяло от допустимата мощност на изпомпване и желаното топлинно натоварване.

Практически препоръки за проектиране на PTFE тръби
В случай на PTFE тръби често се избира съотношение на стъпка от 3 към 5, ако спадът на налягането не е ограничаващ фактор. Този диапазон представлява добър компромис: увеличение на коефициента на топлопреминаване с около 80-120% с увеличение на спада на налягането с 200-350%. Като цяло тези стойности са приемливи в повечето приложения на химически процеси, особено когато дължината на тръбата е умерена (напр. кожухотръбни или топлообменници с потопяема намотка).

Трябва да се отбележи, че самите PTFE тръби имат относително ниска топлопроводимост (ca. 0.25 W/mK). Обикновено основната устойчивост на топлина е в стената на тръбата или във вътрешния флуиден филм. Използването на вложка от усукана лента с подходящо съотношение на стъпка може значително да намали вътрешното съпротивление на филма и следователно да премести контролиращото съпротивление към другата страна на топлообменника. Това прави целия дизайн по-балансиран и рентабилен.

Може да се избере високо съотношение на стъпката от 6 до 8 за приложения, при които спадът на налягането е силно ограничен, като гравитационни-системи или газови нагреватели с ниско-налягане. Това осигурява достатъчно завихряне, за да ограничи ламинарния поток и да увеличи радиалното смесване, но неустойката от триене все още е поносима.

Като алтернатива може да се избере коефициент на стъпка от 2 до 3, ако се изисква максимален топлопренос, независимо от загубата на налягане (напр. при нагряване с висок вискозитет или когато разходите за изпомпване са незначителни). В такива случаи коефициентът на топлопреминаване може да се увеличи до 150%. Проектантът трябва да гарантира, че помпата или вентилаторът могат да осигурят по-висок напор.

Допълнителни инженерни съображения
Дължината на термичния вход е допълнително намалена чрез усукани лентови вложки в PTFE тръби, което води до напълно развито турбулентно -поведение дори при ниски числа на Рейнолдс (Re < 2000). Това е особено полезно при бавни потоци или в тръби с малък диаметър, където истинската турбуленция би изисквала непрактични скорости на потока.

Трябва да имате предвид производствените допуски. PTFE веществото е по-гъвкаво, което прави по-трудно да се направи плътно усукана лента (ниско съотношение на стъпката). За много ниски коефициенти на стъпка (под приблизително 2,5) PFA обикновено се предпочита поради по-голямата си твърдост и по-добро задържане на формата на усукване при повишаващи се температури.

Съотношението на стъпката също влияе върху почистването и поддръжката. Лентите с много ниско съотношение на стъпка (стегнати усуквания) са склонни да събират частици по-лесно и са по-трудни за отстраняване за почистване. В по-голямата си част съотношението на наклона от 4 или по-голямо дава достатъчно отворен аксиален път за преминаване на отпадъците или за вмъкване на почистващо прасе.

Резюме
Съотношението на стъпката на вложка с усукана лента е основният проектен лост за контрол на топлопреминаването срещу компромис-за спад на налягането в PTFE тръбите. Силно завихряне и силно подобрение на-преноса на топлина се получават с по-ниско съотношение на стъпка (по-плътно усукване) на цената на голямо увеличение на загубите от триене. По-високите съотношения на височината (по-свободни усуквания) водят до по-меко, по-енергийно-ефективно усилване. Съотношението между 3 и 5 осигурява отличен баланс за повечето приложения за работа с корозивни течности. Оптимизирането на формата на вложката, включително съотношението на стъпката, все още е решаващ фактор за подобряване на работата на топлообменника, без да се компрометира химическата съвместимост или целостта на материала.