Какво е въздействието на не{0}}централното разположение на вложката върху производителността на турбулаторите с усукана лента?

В центъра на тръбата се поставя конвенционална усукана лента. Но-разположението извън центъра води до асиметрично поле на потока с по-силна вторична циркулация, което вероятно води до по-високо предимство на топлопреноса за същата вложка. Тази скромна геометрична модификация – обикновено липсваща в конвенционалния дизайн на топлообменника – може да осигури по-висока топлинна производителност, без да се променя съотношението на усукване или веществото на лентата. За PTFE топлообменници, обработващи корозивни или деликатни течности, където пасивното подобрение е предпочитано пред активните подходи, извън{4}}инсталацията предлага ниска цена, без надстройка за поддръжка.

Асиметричното поле на потока на извън{0}}централна лента
Ако турбулаторът с усукана лента е директно върху централната ос на тръбата, потокът се разделя на два симетрични спирални канала. Движението е от равномерен въртелив вид и профилът на скоростта е радиално симетричен. Това е известна и широко използвана настройка.

Преместването на лентата извън центъра засяга геометрията по фундаментален начин. Напречното-сечение на тръбата вече е разделено на два канала за поток с различен размер, по-голяма междина от едната страна на лентата и по-малка междина от другата страна. Тъй като площта на напречното-сечение е по-голяма, течността, протичаща през този канал, ще се движи с по-ниска скорост (за даден обемен дебит). Напротив, течността в по-малкия канал се ускорява. Разликата в скоростта и спиралното усукване на лентата генерират мощни вторични циркулации - вихри в напречното сечение, които не присъстват в центрирана настройка.

Резултатът е по-силен модел на смесване. Не-усуканата лента генерира основния вихър (около оста на лентата) и вторичния вихър, въртящ се в равнината, перпендикулярна на посоката на потока. Това допълнително смесване е по-успешно за нарушаване на термичния граничен слой, отколкото централното положение, особено в близост до стената на тръбата, където съществува най-малката празнина.

Количествени подобрения на производителността
Експерименталните изследвания директно сравняват ефективността на топлопреноса на нецентрално усуканата лента PTFE с топологиите на центрирана лента при идентични настройки на потока (Re=500-5000 в типичните проучвания). Ключовите открития включват:

Увеличаване на числото на Нуселт: Числото на Нуселт от страната на тръбата се увеличава с допълнителни 10-20% за позициониране извън центъра спрямо центрираната лента за същото съотношение на усукване и число на Рейнолдс.

Поведение при падане на налягането: Повишаването на коефициента на триене от-разположението извън центъра е подобно или малко по-високо (най-много 5–10% над стойността на центрираната-лента). Наказанието за налягане не се увеличава пропорционално на печалбата от топлопренос и следователно увеличава индекса на термично-хидравличната ефективност (Nu/f).

Устойчивост на механизма: Наблюдава се подобрение за широк диапазон от съотношения на усукване (y=2–6) и диаметри на тръбата, въпреки че количеството зависи от геометрията.

Тези печалби далеч не са незначителни. За PTFE топлообменник, където коефициентът на страничния слой на тръбата- обикновено е ограничаващият фактор за общата производителност, допълнителни 15% в числото на Нуселт могат да се превърнат в значително намаляване на необходимата площ за пренос на топлина или увеличаване на пропускателната способност.

Разстояние на отместване и ефект на радиуса на тръбата
Степента на подобряване на топлообмена зависи значително от изместването на лентата от центъра. Оптималното разстояние на отместване често е 20-30% от радиуса на тръбата (т.е. $\\delta/R \\приблизително 0,2-0,3$, където $\\delta$ е разстоянието от центъра на тръбата до оста на лентата). В този диапазон вторичната циркулация е достатъчно силна, за да даде допълнително смесване, но не толкова мощна, че лентата да влезе в контакт със стената на тръбата или да предизвика сериозна стагнация на потока.

„Отмествания, по-малки от 10% от радиуса, не се различават много от центрираната ситуация - асиметрията в потока е твърде слаба, за да произведе големи вторични завихряния. Отмествания, по-големи от 40% от радиуса, рискуват контакт между лентата и стената на тръбата (особено когато се вземат предвид топлинното разширение и производствените толеранси) и много тясната междина може да доведе до локализирано замърсяване или прекомерно напрежение на срязване.

За PTFE тръби, които често се произвеждат с малко различни вътрешни диаметри, може да се получи практическо изместване от около 25% от номиналния радиус чрез инсталиране на ексцентрична опорна конструкция на входа и изхода на тръбата или чрез вмъкване на лентата с умишлено огънат водещ сегмент.

Зависимост от числото на Рейнолдс: Най-забележимо при междинни числа на Рейнолдс
Ефектът на -разположението извън центъра е от значение главно за междинните числа на Рейнолдс, обикновено в преходния и по-ниския регион на турбулентност (Re\\приблизително 800-4000). При този режим потокът не е напълно турбулентен и естественото смесване е слабо. Асиметричната лента може да генерира вторични токове, които могат изкуствено да спрат потока в по-хаотично състояние и значително да подобрят преноса на топлина.

При много ниски числа на Рейнолдс (Re <300) вторичните вихри се потискат чрез вискозно затихване, независимо от асиметрията на лентата. Ползата пред центрираната лента намалява и двете конфигурации работят подобно на ламинарен поток с малко завихряне.

Естествената турбулентност вече дава значително радиално смесване при високи числа на Рейнолдс (Re > 8000). Допълнителната полза от-разположението извън центъра пада до може би 5-10% или по-малко. В повечето приложения на PTFE топлообменници – където скоростите на потока са склонни да бъдат умерени поради ограниченията на спада на налягането във флуорополимерните системи – умереният Re диапазон е точно диапазонът, в който работи оборудването, следователно разположението извън центъра е доста подходящо.

Практически задачи: несиметрични сили, вибрации
Една от практическите трудности, срещани при не-централно инсталиране на усукана лента, са генерираните асиметрични флуидни сили. По-бързият поток през малката междина и по-бавният поток през голямата междина причиняват нетен дисбаланс на налягането в лентата. Тази асиметрия причинява странични сили, които се стремят да притиснат лентата към стената на тръбата. В допълнение, скоростта на потока може също да причини сили на повдигане или съпротивление върху лентата в хоризонтална тръба.

Тези неравномерни сили може да накарат лентата да се отклони все повече от-центъра или евентуално да докосне стената на тръбата с течение на времето. Контактът не само влошава преноса на топлина (блокиране на потока и причиняване на горещи точки), но може да навреди на вътрешната повърхност на PTFE тръбата или да износи покритието на лентата. Металните ленти, поставени в PTFE тръби, също страдат от изтръпване и вибрации. Лентата може да отскача напред-назад по стените на тръбата, създавайки шум и възможна повреда поради умора.

Ето няколко стратегии за смекчаване:

Множество опорни точки - Централизиращи пръстени или дистанционни елементи на редовни интервали (напр. на всеки 10-20 диаметъра на тръбата) гарантира, че планираното изместване се поддържа, без да се допуска прекомерно странично движение.

Избор на материал за лента - По-твърда лента (напр. по-дебел метал или композит с пълнене с PTFE) ще издържи на деформация при асиметрични напрежения.

Умишлен жлеб или ключ - Тръбата може да бъде изградена с вътрешен надлъжен жлеб, който улавя ръба на лентата и следователно фиксира точно местоположението на отместването. Това е по-характерно за метални тръби, но може да се адаптира към PTFE с подходящи инструменти за екструдиране.

По-ниска скорост на потока - Допускането на умерено число на Рейнолдс (където влиянието така или иначе е най-силно) минимизира големината на асиметричните сили.

На практика проблемите с вибрациите и превключването на предавките са поносими за чисти течности и умерен дебит. Лабораторни и пилотни проучвания показват дългосрочна стабилна работа с-ленти извън центъра, закрепени само в краищата.

Сравнение с други геометрии на вмъкване
Има и други начини да получите асиметрично смесване освен-разположението извън центъра. Изследвани са всички ексцентрични усукани ленти, полуусукани ленти и целенасочено огънати лентови оси-в-тръби. Изместената от центъра стандартна лента има едно ясно предимство. Не е необходимо да се променя самата лента - просто начинът, по който лентата е поставена в тръбата. По този начин настоящите усукани ленти могат да се използват повторно в-разместване извън центъра без допълнителни разходи за производство.

Този дизайн е изгоден, когато топлообменникът вече работи и е необходимо малко увеличение на производителността. Лентата може да бъде издърпана на една страна нарочно и задържана от асиметрични крайни фитинги. Но трудностите с вибрациите и опората, както е споменато по-горе, трябва да бъдат внимателно обмислени.

Проектиране на PTFE топлообменници: Практически съображения
За проектантите на PTFE корпусни и тръбни топлообменници могат да бъдат направени следните предложения:

За тръби с разумно голям диаметър (по-голям или равен на 12 mm ID) с конвенционална усукана лента, която вече е посочена, -поставянето извън центъра може да се счита за постепенно подобрение - особено когато работното число на Рейнолдс е в диапазона 800-4000.

Използвайте отместване от около 25 процента от радиуса на тръбата. Това балансиране максимизира вторичния поток с допустима асиметрия на силата.

Добавете централни пръстени на интервали от 10–15 диаметъра на тръбата, за да поддържате изместването и да предотвратите контакт със стената. Пръстените се предлагат в PTFE или PFA за химическа съвместимост.

Оценете риска от вибрации: за потоци газ с висока скорост или течност с нисък вискозитет може да е от полза повече опори или по-малка фракция на изместване (напр. . 15% радиус).

Заключение: Евтино постепенно надграждане
Ниско{0}}постепенно подобрение на топлопреминаването може да се получи чрез поставяне на усукана лента умишлено извън-центъра, което води до допълнително 10–20% увеличение на числото на Нуселт с малък или никакъв допълнителен спад на налягането спрямо центрирана лента. Асиметричното разделяне на потока медиира ефекта, установяващ вторични циркулации, които увеличават смесването в термичния граничен слой. Оптималната стойност на отместване е 20-30 % от радиуса на тръбата и ефектът е най-значим при междинните числа на Рейнолдс (Re ≈ 800-4000).

Малки вариации във формата могат да освободят повече производителност. Методът за топлопренос на PTFE с усукана лента извън центъра осигурява директно надграждане на PTFE топлообменници, където устойчивостта на корозия определя избора на материал, а пасивното подобрение е единствената възможна посока. Дизайнерите трябва-да направят компромис между леките вибрации и нуждите от поддръжка срещу топлинните предимства.