Как използването на усукани лентови вложки, изработени от проводим материал (напр. метал), влияе върху производителността спрямо PTFE вложки?

Това е обикновена PTFE усукана лента, която насърчава преноса на топлина чрез завихряне на потока. Металната лента прави същото, но също така предава топлина от стената на тръбата в себе си, работейки по същество като вътрешна перка. Това води до конвективно усилване спрямо проводящото.

Два механизма на вложка с усукана лента
Всяка усукана лентова вложка в какъвто и да е материал създава спираловиден канал за поток в тръбата. Генерираното завихряне произвежда центробежни сили, които избутват течността към стената на тръбата, което води до изтъняване на термичния граничен слой и увеличаване на коефициента на конвективен топлопренос. Само този въртящ се механизъм може да увеличи числото на Нуселт със 100-150% над празна тръба в зависимост от съотношението на стъпката.

Допълнителен ефект на перка е налице, ако самата лента е топлопроводим материал (напр. неръждаема стомана, Hastelloy, титан, медни сплави). Лентата е в пряк контакт със стената на тръбата (обикновено пружинно прилягане или леко намесване). топлината се влива в лентата от горещата стена и цялото тяло на лентата се нагрява. След това лентата доставя съхранената енергия към преминаващата течност от двете широки повърхности. Това дава на напречното-тръбно сечение допълнителна площ за пренос на топлина, като нещо като вътрешна надлъжна перка.

Ефективност на проводими и непроводими ленти
Усукана лента от не-проводим материал, като PTFE или PFA, може да осигури само подобряване на конвективното завихряне. PTFE има много ниска топлопроводимост (приблизително . 0.25 W/mK), поради което почти не се предава топлина от стената към лентата. Лентата остава при около местна температура на течността и не допринася за удар на перката.

От друга страна, една метална усукана лента може да има топлопроводимост с порядък по-висока. Неръждаема стомана (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) или мед (~400 W/m·K). При добър термичен контакт, поддържан между лентата и стената на тръбата, проводящото предимство значително подобрява цялостния топлопренос. В конструкцията на PTFE тръба с вложка от проводяща усукана лента, ефектът на завихряне и перка обикновено осигурява допълнителен тласък на топлопреминаване от 20-30% спрямо непроводимата лента при същите обстоятелства на потока.

За PTFE усукана лента числото на Нуселт се увеличава със 120% (2,2 пъти стойността в празна тръба), но добре -проектирана метална лента със същата геометрия може да го увеличи със 150-170% (2,5-2,7 пъти). Действителното усилване зависи от дебелината на лентата, топлинната контактна проводимост и характеристиките на течността. Предимството на проводимостта е най-голямо, когато коефициентът на филм върху стената на тръбата вече е голям, така че ефектът на перките не е ограничен от съпротивлението на интерфейса стена-лента.

Долната линия: Добър термичен контакт
Металната лента трябва да бъде в плътен термичен контакт с вътрешната стена на PTFE тръбата, за да се постигне ефект на перка. Това обикновено се прави, като ширината на лентата е малко по-голяма от вътрешния диаметър на тръбата, така че да се вкара с пружина. Присъщата гъвкавост на металната лента (или скромно огромна усукване) притиска ръбовете на лентата към стената на тръбата. Твърде -прилягането обаче може да повреди PTFE тръбата или да направи поставянето невъзможно. Твърде хлабавото прилягане създава въздушна междина, която е добър топлоизолатор и отрича ефекта на перките.

На практика металните усукани ленти за PTFE тръби обикновено се произвеждат с ширина от 0,95 до 1,00 от ID на тръбата, като се използва спираловидната форма за осигуряване на точкови контакти, а не на пълен контакт. Реалната контактна площ е ограничена и ефективността на перките е намалена. Но дори когато контактът е само частичен, проводимостта се увеличава малко, тъй като лентата поема топлина в контактните места и я пренася по дължината си. По-сложните дизайни използват по-дебела лента или прегънат ръб за подобряване на контактната зона.

Риск от корозия и замърсяване
Един основен риск за контрол е галваничната корозия и замърсяването на метала. Дори когато самата метална лента е избрана за съвместимост с технологичния флуид (напр. Hastelloy C-276 за агресивни хлориди или титан за окисляващи киселини), въвеждането на метален компонент в PTFE тръба представя два потенциални сценария за повреда.

Първо, ако технологичната течност корозира метала при работната температура, лентата ще корозира бавно. Продукти от корозия (метални йони или частици) могат да проникнат в течността и да замърсят продукта. Това е неподходящо във фармацевтични, хранителни или свръх-химически приложения. Целият смисъл на PTFE тръбата обикновено е изобщо да се избегне контакт с метала. Използването на метална лента е против тази цел.

Второ, дори ако самата лента е устойчива на корозия, галванична двойка може да бъде създадена, ако в системата присъства някакъв друг метален компонент (напр. метален тръбен лист, работно колело на помпата или клапан надолу по веригата). Стига да не докосва никакви външни метални предмети, лентата е електрически изолирана от тях - PTFE тръбата е електрически изолатор. Въпреки това, ако лентата влезе в контакт с метален краен фитинг или ако използваната течност е електропроводима (напр. воден електролит), чрез течността може да се изгради галванична верига. По-благородният метал (напр. титан) може да насърчи корозията на по-малко благородния (напр. въглеродна стомана) другаде в системата.

Кога да използвате метална или PTFE усукана лента
В зависимост от приоритетите на приложението, изборът е между проводяща метална лента или не-проводима PTFE лента.

Кога да използвате метална усукана лента:

Процесният флуид не-корозира избрания метал (напр. дейонизирана вода, меки органични разтворители, неутрални солеви разтвори).

Необходимо е максимално предаване на топлина на единица дължина, мощността на изпомпване вече е ограничена.

Съвместимостта с течности е разрешена и замърсяването на продукта не е проблем (напр. не-фармацевтична промишлена химия).

Възможен е добър топлинен контакт без повреда на PTFE тръбата.

Изберете PTFE или PFA усукана лента за:

Процесният флуид е силно корозивен (силни киселини, основи, халогени, окислители).

Избягване на замърсяване с метални йони (фармацевтичен синтез на API, охлаждане на полупроводници, обработка на храни).

Работната температура е извън границата на корозия на наличните сплави, но под 110 градуса (PTFE) или 260 градуса (PFA).

Простотата и доказаната химическа инертност надвишават 20-30% подобрение на производителността на метална лента.

За изключително корозивни услуги, въпреки загубата на ефекта на перките, се използват PTFE или PFA ленти, тъй като надеждността и чистотата, които осигуряват, не подлежат на -договор.

Обобщение на ефективността на проводими и не{0}}проводими ленти
Параметър PTFE (не{0}}проводима) лента Метална (проводима) лента
Механизъм на пренос на топлина Само завихряне Завихряне + удар с перка
Типично увеличение на Nu (над празна тръба) 100-150% 130-180%
Допълнителна печалба от проводимост - +20-30 % спрямо PTFE лента
Изискване за термичен контакт Неприложимо (без удар с перка) Критично - пружинно прилягане е от съществено значение
Риск от корозия Няма (инертен към всички химикали до 110 градуса) Зависи от съвместимостта на флуид-метала
Риск от замърсяване с метал Не е възможно (корозия или износване)
Максимална температура 110 градуса (PTFE); 260 градуса (PFA) Зависи от сплавта (напр. неръждаема стомана 400 градуса)
Цена Умерена (екструдиран PTFE) По-висока (обработен метал или щампован)
Работен пример: Нагряване на воден неутрален поток
Да предположим, че PTFE топлообменник се използва за загряване на неутрален поток вода без -хлориди от 20 градуса до 60 градуса. Само завихрянето би подобрило предаването на топлина с вложка от PTFE усукана лента. Ефектът на перката може да бъде въведен чрез замяната му с усукана лента от неръждаема стомана 316, подходящо монтирана да отговаря на стената на тръбата. Общият коефициент на топлопреминаване може да бъде увеличен от 150 W/m²·K до 190 W/m²·K (27%). Течността не-корозира неръждаемата стомана при 60 градуса и не предизвиква значително излугване на метал. Увеличаването на производителността позволява намален топлообменник или по-нисък дебит за същото натоварване.

При същото приложение, но леко кисел солен разтвор (pH 4, 1000 ppm хлорид), неръждаемата стомана 316 би била подложена на точкова корозия. Цената би била много висока, изискваща лента Hastelloy C-276. Друг вариант е да използвате по-евтината производителност на PTFE лентата, която напълно избягва проблема с корозията.

Резюме
Чрез прилагане на метални усукани ленти върху пластмасовите ленти може да се постигне ефект на проводяща перка, което може да подобри ефективността на топлопреноса с около 20-30%. Това предимство обаче се реализира само ако се поддържа добър термичен контакт със стената на тръбата и по-важното е, че металът е напълно съвместим с технологичния флуид. За деликатни операции като фармацевтичен синтез или химическа обработка с висока чистота, топлинната полза е засенчена от всякакъв риск от корозия или замърсяване на метал. Изборът на материал за усилващите устройства трябва да бъде толкова внимателен, колкото и за самия топлообменник; за много услуги, чувствителни към корозивност или чистота, инертността на PTFE или PFA лента остава най-добрият избор въпреки липсата на ефект на перката.