Вложка от усукана лента вътре в PTFE тръба създава завихрен поток, който подобрява преноса на топлина. Стегнатостта на усукването-изразена като съотношението на височината-директно контролира интензитета на това завихряне и произтичащия компромис-изпълнение.
Разбиране на съотношението на стъпката в вложките с усукана лента
Съотношението на стъпката се определя като отношението на дължината, необходима за едно пълно усукване на 360 градуса (дължината на стъпката) към ширината на лентата. Например, лента, която се усуква напълно веднъж на разстояние, равно на нейната собствена ширина, има коефициент на стъпка 1. Лента, която се усуква напълно на разстояние пет пъти нейната ширина, има съотношение на стъпка 5. Ниско съотношение на стъпка означава много стегнато, агресивно усукване; високото съотношение на височината показва по-свободно, по-меко усукване.
На практика вложките с усукана лента за PTFE тръби се произвеждат от PTFE или PFA (перфлуороалкокси алкан), за да се поддържа пълна химическа съвместимост със силно корозивни технологични течности. Това гарантира, че не се въвеждат проблеми с метално замърсяване или галванична корозия, дори при работа с агресивни киселини, разтворители или свръхчисти среди.
Как Pitch Ratio влияе върху завихрянето и преноса на топлина
Когато течността тече през тръба, съдържаща усукана лента, лентата принуждава течността да следва спираловиден път. Центробежните сили, генерирани от това завихряне, избутват по-плътната течност към стената на тръбата, като ефективно изтъняват термичния граничен слой. По-тънкият граничен слой води до по-висок коефициент на конвективен топлопренос, изразен като увеличено число на Нуселт.
Съотношението на стъпката директно определя силата на това завихряне. По-плътното усукване (по-ниско съотношение на стъпката, например 2) генерира много по-силен тангенциален компонент на скоростта. Следователно подобрението на топлопреминаването-често измервано като съотношението на числото на Нуселт с вложката към това на обикновена тръба-може да достигне 150% или повече. Въпреки това, това интензивно завихряне също така създава значително по-високо флуидно триене, което води до значително увеличение на спада на налягането, обикновено в диапазона от 200-600% в сравнение с празна тръба.
Обратно, по-свободно усукване (по-високо съотношение на височината, напр. 5 или 6) произвежда по-леко завихряне. Подобряването на топлопреминаването е по-скромно-често с 50-80% над стойността на обикновената тръба-но наказанието за спад на налягането е съответно по-ниско, често само 100-200% по-високо.
Връзката междусъотношение на стъпка на усукана лента PTFE пренос на топлинапроизводителността е нелинейна. Затягането на усукването от съотношение на стъпка от 6 надолу до 2 води до непропорционално голямо увеличение както на преноса на топлина, така и на триенето. Следователно оптималното съотношение на стъпката никога не е фиксирано число; зависи изцяло от допустимата мощност на изпомпване и необходимата топлинна мощност.
Практически препоръки за проектиране на PTFE тръби
Често срещан проектен избор е да се избере съотношение на стъпка между 3 и 5 за PTFE тръби, когато спадът на налягането не е силно ограничаващ фактор. Този диапазон осигурява добре балансирано подобрение: подобрение на коефициента на топлопреминаване от приблизително 80-120% с увеличение на спада на налягането от 200-350%. Тези стойности обикновено са управляеми в повечето приложения на химически процеси, особено когато дължината на тръбата е умерена (напр. кожухотръбни или топлообменници с потопяема намотка).
Струва си да се отбележи, че самите PTFE тръби имат относително ниска топлопроводимост (приблизително 0,25 W/m·K). Доминиращото термично съпротивление често е на стената на тръбата или вътрешния флуиден филм. Чрез използване на вложка от усукана лента с подходящо съотношение на стъпката, вътрешното съпротивление на филма може да бъде драстично намалено, измествайки контролиращото съпротивление към другата страна на топлообменника. Това прави цялостния дизайн по-балансиран и рентабилен.
За приложения, при които спадът на налягането е изключително ограничен-като гравитационно захранвани системи или газово отопление с ниско налягане-може да се посочи високо съотношение на стъпка от 6 към 8. Полученото завихряне все още е достатъчно, за да потисне ламинарния поток и да подобри радиалното смесване, но неустойката от триене остава в приемливи граници.
От друга страна, когато се изисква максимален пренос на топлина независимо от падането на налягането (напр. при нагряване с висок вискозитет или когато разходите за изпомпване са незначителни), може да се приеме съотношение на стъпка от 2 към 3. В такива случаи коефициентът на топлопреминаване може да се повиши с до 150%, но проектантът трябва да гарантира, че помпата или вентилаторът могат да доставят допълнителната височина на налягането.
Допълнителни инженерни съображения
Усуканите лентови вложки в PTFE тръби също скъсяват дължината на термичния вход, позволявайки напълно развито турбулентно поведение дори при ниски числа на Рейнолдс (Re < 2000). Това е особено ценно при вискозни потоци или тръби с малък диаметър, където постигането на истинска турбулентност би изисквало непрактични скорости на потока.
Трябва да се вземат предвид производствените допуски. Плътно усуканата лента (ниско съотношение на стъпка) е по-трудна за производство от PTFE поради гъвкавостта на материала. За много ниски коефициенти на стъпка (под около 2,5), PFA често се предпочита, защото е по-твърд и запазва геометрията на усукване по-добре при повишени температури.
Почистването и поддръжката също се влияят от съотношението на стъпката. Ленти с много ниски коефициенти на стъпка (стегнати усуквания) могат да уловят частици по-лесно и са по-трудни за отстраняване за почистване. Коефициентът на наклон от 4 или повече обикновено осигурява достатъчно отворен аксиален път за преминаване на отломки или за вмъкване на почистващо прасе.
Заключение
Съотношението на стъпката на вложка с усукана лента е основният проектен лост за настройка на компромиса между преноса на топлина и падането на налягането в PTFE тръбите. По-ниските съотношения на стъпката (по-тесни усуквания) осигуряват силно завихряне и високо подобрение на топлопреминаването с цената на значително увеличени загуби от триене. По-високите съотношения на височината (по-свободни усуквания) осигуряват по-меко, по-енергийно ефективно подобрение. За повечето приложения за работа с корозивни течности съотношението на стъпката между 3 и 5 предлага оптимален баланс. Оптимизирането на геометрията на вложката-включително съотношението на стъпка-остава ключов аспект за подобряване на производителността на топлообменника, без да се жертва химическата съвместимост или целостта на материала.
