Какъв е ефектът на диаметъра на тръбата върху относителната ефективност на турбулаторните вложки в PTFE обменниците?

Турбулаторна вложка, която значително подобрява преноса на топлина в PTFE тръба с малък диаметър, може да бъде значително по-малко ефективна в тръба с голям диаметър. Съотношението на зоната на турбулентно смесване към напречното-сечение на тръбата намалява с диаметъра. Ефектът на мащабиране обикновено се пренебрегва при избора на пасивни усилващи устройства за топлообменници с флуорополимерни тръби. Познаването на влиянието на диаметъра на тръбата върху относителната производителност на турбулаторите е важно за проектирането на икономически-ефективни и термично ефективни PTFE топлообменници.

Значението на диаметъра на тръбата при проникването на смесване
Турбулаторни вложки (усукани ленти, спирални пружини, телени мрежи, статични миксери) нарушават граничния слой на стената на тръбата и създават вторични потоци (вихри, завихряне или компоненти на радиална скорост). Проникването на тези смущения на потока в посоката на центъра на тръбата зависи най-вече от два фактора: геометрията на вложката и диаметъра на тръбата.

Малък турбулатор може да повлияе на значителна част от напречното{0}}сечение на потока на тръба с малък диаметър (напр. 6 mm вътрешен диаметър). Вихрите, които се отделят от краищата на вложката, могат да достигнат централната линия на тръбата, променяйки общия профил на скоростта от ламинарен или преходен към добре смесен турбулентен поток. В резултат на това топлинното съпротивление, концентрирано близо до стената, значително намалява и числото на Нуселт може да се удвои или утрои.

В тръба с голям диаметър (напр. . 25 mm ID) идентичният турбулатор води само до локализирано смесване в пръстеновидната област близо до стената. Основният поток остава по същество непроменен и е ламинарен или леко преходен. Това ограничава усилването на предаването на топлина към областта близо до стената, докато централната течност тече около подобрената област на смесване. Общият коефициент на топлопреминаване-от страната на тръбата просто се увеличава малко. Връзката между диаметъра на тръбата и ефикасността на турбулатора PTFE обменник изглежда е следната: колкото по-голям е диаметърът, толкова повече се намалява ефектът на вмъкване.

Лесна геометрична перспектива
Да предположим вложка, която предизвиква ефективно смесване до радиално разстояние $\\delta$ от стената на тръбата. Напречното-сечение, при което се подобрява смесването, е приблизително:

За малък диаметър D: част от площта на смесване=1 - ((D-2\\delta)/D)^2

За голям диаметър: част от смесения поток спада с 1/D² с нарастване на D (за фиксирано δ)

Тъй като δ е ограничено от геометрията на вложката (напр. височината на усукан ръб на лентата, диаметърът на телта на пружина и т.н.), функция за смесване, която нарушава потока на 2 mm от стената, ще повлияе на почти цялата 6 mm тръба, но само на тънък външен пръстен в 20 mm тръба.

Практически изводи за проектиране на PTFE топлообменник
Малките размери на тръбите са типични за корпусни и тръбни топлообменници от PTFE, обикновено 6 mm, 8 mm, 10 mm или 12 mm вътрешен диаметър. Това не е случайно. По-малките диаметри увеличават съотношението повърхност/обем, компенсират ниската топлопроводимост на PTFE и поддържат компактността на топлообменника. Същите скромни диаметри правят тръбите естествено подходящи за поставяне на турбулатори.

Общо наблюдение е, че за вътрешни диаметри на тръбата до около 15 mm, стандартните конструкции на турбулатори (напр. спирални пружини със съотношение на стъпка-към-диаметър 1-2 или усукани ленти със съотношение на усукване 3-5) водят до значително увеличаване на топлопреминаването (Nu/Nu_smooth=2-3). За вложка над 20 mm, същата вложка осигурява коефициенти на усилване от само 1,2–1,5, освен ако геометрията на вложката не е мащабирана агресивно, например по-голям диаметър на телта, по-стегната стъпка или многократна пружина.

Практически коефициенти за подобряване на диапазоните на диаметъра на тръбите
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 mm 1,2-1,5 (изисква се мащабирана вложка) 1,5-3× (или повече)
Тези стойности са за-съответстваща геометрия на вложката и числото на Рейнолдс в преходната фаза (Re ~ 1000-5000). Ефектът на диаметъра е по-малък при по-високи числа на Рейнолдс, тъй като естествената турбулентност така или иначе е доминираща.

Роля на числото на Рейнолдс: Когато малките тръби все още се повредят
Ако скоростта на потока е много ниска, тогава дори тръба с малък диаметър няма да има предимство от турбулатора. При много ниски числа на Рейнолдс (Re <100) вискозните сили доминират и всяко смущение, създадено от вложката, незабавно се потиска, преди да може да се разпространи по напречното-сечение на тръбата. Смесването все още е локализирано и числото на Нуселт се доближава до ламинарната стойност за гладки тръби. На практика турбулаторите работят добре в режим на преходен поток ($Re sim 400-5000$). Под тази граница нарастващото предимство не зависи от диаметъра.

Проектантите също трябва да знаят, че за даден масов дебит по-малките тръби имат естествено по-високи числа на Рейнолдс, тъй като скоростта е обратно пропорционална на площта на напречното-сечение. Това синергично въздействие е все още по-благоприятно за комбинацията малък диаметър на тръбата + турбулатор. Малката тръба вече има по-високо число на Рейнолдс и турбулаторът усилва прехода към турбулентност.

Компромиси и последствия от спад на налягането
По-малките тръби имат по-голям базов спад на налягането от по-големите тръби за същия дебит поради по-голямото триене на стените. Добавянето на турбулатор усилва този спад на налягането с фактор 3-6. Общият спад на налягането в тръба с малък диаметър може да стане непосилно голям, особено при вискозни течности или удължена дължина на тръбата. От друга страна, тръба с голям диаметър ще има по-нисък базов спад на налягането, дори с коефициент 3 увеличение, абсолютният спад може да бъде приемлив. Това води до дизайнерски компромис между подобрения топлопренос за сметка на увеличените разходи за изпомпване за малки тръби и по-малко подобрение на топлопреноса в по-големите тръби с по-нежна хидравлична производителност.

За PTFE топлообменници, които обикновено се използват за корозивни течности в системи с ниско налягане (напр. вани за полиране на метал при атмосферно налягане), проектантът трябва да прецени тези фактори. Популярен метод е да се избере сравнително малка тръба (напр. 10 mm ID) със сравнително хлабав турбулатор (напр. пружина с дълга стъпка), за да се получи задоволително подобрение без значително намаляване на налягането.

Практически съвети за избор на турбулатор
Като се има предвид значителното влияние на диаметъра на тръбата, могат да се направят следните препоръки относно спецификацията на турбулаторните вложки в PTFE топлообменниците:

За тръби < 10 mm ID: Единична спирална пружина или усукана лента работи доста добре. Съществува съществена положителна корелация между ефикасността на турбулатора с диаметър на тръбата и PTFE топлообменника. Особено за дълги тръби с дължина спадът на налягането трябва да се оцени точно.

За тръби с вътрешен диаметър 12–15 mm: Стандартните вложки работят с малко по-ниско подобрение. Ако увеличаването на спада на налягането може да бъде толерирано, производителността може да се възстанови чрез използване на по-голяма стъпка или по-голям диаметър на телта.

За тръби с вътрешен диаметър над 16 mm: Не се препоръчват стандартни вложки. Алтернативите са няколко вложки (две успоредни пружини, много-усукана лента или опакована тръба с телена мрежа, например) или използването на различни технологии за подобряване (награпавяване на тръбата или външни нагънати тръби). При много обстоятелства използването на пакет от тръби с по-малък-диаметър може да бъде по-евтино от тръби с голям-диаметър с агресивни вложки.

Заключение: Съвпадение на размера на тръбата със стратегията за подобряване
Турбулаторните вложки работят много добре в PTFE тръби с малък диаметър, които обикновено се използват в PTFE обменни системи. В тръби с вътрешен диаметър 6-12 mm, смесването, произведено от пружини или лента, прониква в значителна част от напречното-сечение на потока, което води до подобрения на числото на Нуселт от два до три пъти стойността на гладка тръба. Относителната ефикасност намалява бързо с диаметър над 15 mm, тъй като потокът на сърцевината не се смесва и е необходима по-агресивна вложка или множество вложки, за да се получи подобна производителност.

Изборът на размер на тръбата е свързан с подхода за подобряване. За проекти за нови PTFE топлообменници проектантът трябва да започне с желаното топлинно натоварване и допустим спад на налягането. Отчитане на диаметъра на тръбата като основна променлива. Корозивните, чисти течности често се справят най-добре с малки тръби с турбулатори, които обикновено са най-компактният и икономичен вариант. За преоборудване на съществуващ топлообменник диаметърът е фиксиран, наличният коефициент на усилване може да бъде приблизително определен с помощта на горните указания, зависещи от диаметъра, и геометрията на вложката може да бъде пригодена към конкретния размер на тръбата. Разбирането на връзката между ширината на тръбата, ефективността на турбулатора и тефлоновия топлообменник гарантира, че турбулаторите осигуряват предвиденото предимство без излишно над-дизайн или изненадващо намаляване на налягането.