Проблемът с граничния слой
Предаването на топлина от стената на PTFE тръба към заобикалящата технологична течност не се извършва на самата стена. Това се случва през застоял течен филм-граничния слой-, който се придържа към повърхността на тръбата. Топлината трябва да преминава през този неподвижен слой, преди да достигне обема на течността, където конвекцията я отнася.
За PTFE топлообменници управлението на граничния слой е от решаващо значение. Стената на флуорополимерната тръба вече добавя проводимо съпротивление. Добавянето на дебело съпротивление на граничния слой отгоре допълнително намалява общия коефициент на топлопреминаване. Решението е скоростта на течността. По-високата скорост изтънява граничния слой, намалявайки термичното съпротивление и подобрявайки преноса на топлина.
Въпреки това, скоростта не може да нараства неограничено. Разходите за изпомпване нарастват с квадрата на скоростта. Прекомерната скорост може да причини вибрации и ерозия на тръбата. Инженерната задача е да се идентифицира диапазонът на скоростта, който минимизира съпротивлението на граничния слой, без да създава други проблеми.
Връзката между скоростта и дебелината на граничния слой
Дебелината на граничния слой върху тръба в напречен поток зависи от числото на Рейнолдс. Под Re=2,000 потокът е ламинарен и граничният слой е дебел-обикновено 1-3 милиметра. Преносът на топлина е доминиран от проводимостта през този застоял филм, което води до ниски коефициенти на топлопреминаване.
Над Re=4,000 потокът преминава към турбулентен. Граничният слой става много по-тънък-обикновено 0,1-0,5 милиметра. Турбулентните вихри проникват близо до стената, подобрявайки драматично преноса на топлина. Коефициентът на топлопреминаване при турбулентен поток може да бъде 3-5 пъти по-висок, отколкото при ламинарен поток.
За 10 mm OD PTFE тръба във вана за киселинно покритие при 60 градуса, преходът от ламинарен към турбулентен граничен слой се случва при приблизително 0,4-0,5 m/s скорост на напречен поток. Под него граничният слой е дебел и изолиращ. Над това граничният слой изтънява и преносът на топлина се подобрява значително.
Таблица 1: Характеристики на граничния слой спрямо скоростта на флуида за 10 mm PTFE тръба във воден разтвор на киселина при 60 градуса
| Скорост на флуида (m/s) | Числото на Рейнолдс | Режим на потока | Прибл. Дебелина на граничния слой (mm) | Относителен коефициент на топлопреминаване |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Ламинарен | 2.0-3.0 | 1.0 (базова линия) |
| 0.2 | 2,200 | Преходен | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Преходен | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | Бурен | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | Бурен | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | Бурен | 0.1-0.2 | 4.8 |
Изчисления за тръба с OD 10 mm във течност с плътност 1100 kg/m³ и вискозитет 1,2 cP, типични за разтвори за киселинно покритие. Коефициент на топлопреминаване спрямо ламинарната базова линия.
Практически препоръки за скорост
Данните показват намаляваща възвръщаемост над 0,8 m/s. Коефициентът на топлопреминаване се подобрява само със 17%, когато скоростта се увеличи от 0,8 до 1,2 m/s, докато мощността на изпомпване се увеличава с над 200%. Икономическият оптимум за повечето дизайни на обвивка-и-тръба от PTFE е между 0,5 и 0,8 m/s скорост на напречен поток.
Постигането на тази скорост в потапяща вана изисква или рециркулация с помпа през външен кожух-и-тръбен обменник или механично разбъркване в резервоара. Разпръскването на въздух, обичайно в резервоарите за обшивка, обикновено произвежда локализирани скорости от 0,3-0,5 m/s-достатъчни за разрушаване на най-дебелите гранични слоеве, но под оптималните за пренос на топлина. Механични бъркалки или едукторни дюзи могат да увеличат локалните скорости до препоръчителния диапазон.
За външни PTFE корпус-и-тръбни обменници с изпомпван поток, проектната скорост се постига чрез оразмеряване на диаметъра на корпуса и разстоянието между преградите, за да се получи целевата скорост на напречен поток при проектния обемен дебит.
PTFE-Специфични съображения
PTFE тръбите са гъвкави. При високи скорости на напречен поток, тръбите могат да вибрират, ако неподдържаните участъци са твърде дълги. Поддържащите плочи, разположени на интервали от 150-200 mm за тръби с OD 10 mm, предотвратяват умората, предизвикана от вибрации, като същевременно позволяват предимството на граничния слой от турбулентния поток.
Гладката повърхност на PTFE тръбите предлага второстепенно предимство. За дадено число на Рейнолдс гладката тръба има малко по-тънък граничен слой от грапавата тръба. Първоначалната гладкост на PTFE и неговата устойчивост на натрупване на котлен камък поддържат това предимство през целия живот на оборудването.
Резюме
Дебелината на граничния слой на PTFE топлообменните тръби се контролира от скоростта на течността. Преходът от ламинарен към турбулентен поток при Re ≈ 4000 съответства на приблизително 0,4-0,5 m/s за типични условия на киселинна баня. Турбулентният поток намалява съпротивлението на граничния слой с фактор 3-5.
Препоръчителният диапазон на скоростта от 0,5-0,8 m/s балансира подобряването на топлопреноса срещу разходите за изпомпване. Тази скорост е постижима чрез рециркулация с помпа, механично разбъркване или едукторни системи. Разстоянието между опорите на PTFE тръбата трябва да поеме избраната скорост, за да се предотврати вибрация.
Инженерен анализ за оптимизиране на скоростта на флуида на PTFE топлообменника е достъпен при подаване на свойства на технологичния флуид, конфигурация на потока, наличен капацитет на изпомпване и изисквания за ефективност на топлопреноса.
