כיצד צינורות PTFE עם גומות או גלי משפרים את העברת החום ללא תוספות נוספות?

ניתן לייצר את הגומות, הגליות או הספירלות ישירות על הצינור עצמו, במקום להוסיף מכשיר נפרד. אלמנטים משולבים אלה עוזרים להפסיק את הזרימה ולהגביר את העברת החום ללא הסיכון של מוסיף להשתחרר או ליצור חסימה.

מדוע צריך לשקול שיפור פסיבי על ידי גיאומטריית צינורות
בתהליכים כימיים ותרופות רבים, האמינות של מחליפי חום חשובה לא פחות מהביצועים התרמיים שלהם. לשיטות שיפור מסורתיות כגון סרט מעוות או הוספת סליל תיל יש רכיבים פנימיים המועדים להגירה, עייפות או מקומות עכבה. גישה נוספת היא לשנות את דופן הצינור עצמו. לצינורות PTFE עם גומות או גליות יש חספוס פני השטח או גלי שהוא מהותי לצינור. ללא חתיכות נפרדות פירושו שהפוטנציאל של כשל מכני, לכידה של הכנס או חסימת זרימה כמעט ממוזער.

שיטה זו אטרקטיבית במיוחד להתמודדות עם נוזלים המכילים מוצקים מרחפים, תמיסות גבישיות או מדיה הנוטה לפילמור. עבור יישומים תובעניים כאלה, נעשה שימוש בצינור פנימי חלק עם גומות או גלי כדי ליצור מערבולות ללא סדקים שבהם הפסולת עשויה להיאסף.

איך גומות וגליות מתעסקות בזרימה
צינור PTFE חצוף או גלי הוא צינור שיש לו סדרה של חריצים תקופתיים או גומות או חילופי התרחבות והתכווצויות או גליות לאורכו. כשהנוזל זורם על פני הבדלים גיאומטריים אלה, שכבת הגבול הסמוכה לקיר משתבשת ומתבססת מחדש-. מערבולות מסתחררות נשפכות מאחורי כל גומה או רכס גלי כדי לגרום לערבוב רדיאלי בין נוזל הליבה לאזור הקיר. הערבוב מדלל ביעילות את שכבת הגבול התרמית ולכן משפר את מקדם העברת החום ההסעה.

מנגנון השיפור שונה לחלוטין מזה של הוספת סרט מעוות. הסרט המעוות מספק מערבולת סליל קבועה, אך הגומות והגליות יוצרים מערבולות תקופתיות מקומית. ביצועי העברת החום של צינור PTFE גליים שהתקבלו הם בדרך כלל מתונים יותר - בטווח של שיפור של 20-60% לעומת צינור חלק - אך עם עלייה יחסית קטנה יותר בירידה בלחץ, בדרך כלל בין 30-100%.

בפועל, ניתן להגדיר את הפרמטרים הגיאומטריים (עומק הגומה, גובה גלי וגובה) כך שיהיו-תחליף בין רווח העברת החום לבין אובדן החיכוך. גלי גובה קצרים יותר או גומות עמוקות יותר מייצרות מערבולות חזקות יותר, אך גם מספקות התנגדות גדולה יותר. דפוסים ארוכים ורדודים יותר נותנים זרימה חלקה יותר עם דחיפה מתונה יותר.

היתרונות של תוספות נפרדות
לשפופרות PTFE עם גומות או גליות יש יתרונות מעשיים שונים על פני סרט מעוות או תוספות רופפות אחרות:

היווצרות מתמשכת של גיאומטריית הוספה בקיר הצינור. אין סיכון של נדידת מוסיף: אין סיכוי להכנס לזוז במורד הזרם, לפצוע את קצוות הצינור או לגעת ביריעת הצינור.

אין התנגדות נוספת למגע: עם תוספת נפרדת התנגדות מגע תרמית היא בין התוספת לקיר הצינור. אין התנגדות נוספת מכיוון שאין ממשק עם גומות אינטגרליות או גליות.

בדיקה וניקוי קלות החלק הפנימי של צינור גלי הוא עדיין תעלה פתוחה ללא הפרעה. בדרך כלל מעבר של חזיר ניקוי או מברשת מספיקה. ניקוי של צינור עם סרט מעוות עשוי לחייב את הסרת התוספת.

סכנה מופחתת של בלאי מכני: תוספות מסתובבות עלולות לגרום לרעידות ושחיקה של דופן צינור ה-PTFE לאורך זמן, במיוחד במהירויות זרימה גבוהות יותר. לגיאומטריה אינטגרלית אין תנועה יחסית בין הצינור לתכונה המשפרת.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) הקלטת המעוותת טובה יותר מהצינורות החצויים או הגליים. עם זאת, עיצוב הצינור האינטגרלי הוא בחירה פופולרית עבור יישומים שבהם שיפור קל מקובל והאמינות היא בעלת חשיבות עליונה.

עיבוד של PTFE
צינורות גליים וגומות משמשים בדרך כלל במחלפי חום מתכתיים (למשל נירוסטה, קופר). יש צורך בכמה הליכי שחול או תרמופורמינג ייחודיים ליישום שלהם על PTFE. לא ניתן לעבד PTFE כמו תרמופלסטיים. PTFE הוא בדרך כלל ראם extruded או הדבקה extruded. ניתן ליישם שיטת ניקוב- סיבובית על PTFE לאחר סינטר כדי לספק גומות או גליות מדויקות, או להשתמש ברצף של קוביות מחוממות כדי לצייר את הצינור. צינורות PTFE גליים רציפים זמינים מסחרית מיצרנים מומחים בקטרים ​​צנועים (בדרך כלל 6-25 מ"מ).

השליטה בעובי הדופן חייבת להיות קפדנית מאוד. הקיר עשוי להיות דק מדי ועלול להתמוטט בלחץ פנימי בחלק העליון של הגלי; הקיר עשוי להיות עבה מדי וההתאמה לכיפוף הדרושה ליצירת גלי הדוק מצטמצמת. עובי הדופן של צינורות מחליף חום גליים מסוג PTFE הם בדרך כלל בטווח של 0.8 עד 2.0 מ"מ בהתאם לקוטר ולדירוג הלחץ.

השפעות של משטר זרימה ואובדן לחץ
בזרימה למינרית (Re < 2000) לנוכחות של גומות וגליות יש השפעה משמעותית. אפילו במספרים נמוכים של ריינולדס הם גורמים למעבר מוקדם למשטר זרימה-שולט לא יציב, מה שמגדיל את מספר Nusselt ב-40-80% בהשוואה לצינור חלק. כמו כן, העונש של אובדן לחץ חשוב מכיוון שהזרימה נאלצת להאיץ ולהאט ברציפות.

בזרימה טורבולנטית (Re > 4000) השיפור היחסי הוא פחות - בתדירות של 20-40% - מכיוון שהמערבולת הטבעית כבר מבטיחה ערבוב יעיל. עם זאת אחוז העלייה בירידה בלחץ נוטה להיות נמוך יותר. לצינור גומות בנוי כהלכה יכול להיות מקדם ביצועים תרמיים (יחס של שיפור העברת החום להגברת החיכוך להספק של 1/3) טוב יותר מ-1.2, מה שמעיד על חיסכון נטו באנרגיה בהשוואה לצינור חלק לאותו כוח שאיבה.

הטבלה שלהלן מסכמת טווחי ביצועים טיפוסיים עבור צינורות PTFE חצויים או גליים ביחס לשפופרות PTFE חלקות המבוססות על מים כמו נוזלים ב-Re=2000-5000.

פרמטר טווח שיפור טיפוסי שיפור של מספר Nusselt (מקדם העברת חום) ++20% עד +60%
גורם החיכוך (ירידה בלחץ) גדל ב-+30% ל-+100%
מקדם ביצועים תרמיים (η) 1.1-1.3 מסקנה
צינורות PTFE עם גומות או גליים מציעים דרך פשוטה ופסיבית לשפר את העברת החום עם אמינות טובה מאוד. הצינורות מתוכננים ליצירת גיאומטריות משטח אינטגרליות ששוברות את שכבת הגבול ומעודדות ערבוב רדיאלי, וכתוצאה מכך לעלייה מתונה בהעברת החום (20-60%) ללא פוטנציאל להגירה של תוספות, עמידות במגע או בעיות ניקוי. הצורה שימושית במיוחד ביישומים המכילים חלקיקים, גבישים או נוזלים מעורפלים שבהם תוספות נפרדות יהיו בעייתיות. גיאומטריית הצינור נותרה היבט קריטי בתכנון מחליף חום - ועם PTFE, צורות גומות או גליות מציעות שילוב מושך של ביצועים, יכולת ניקוי ועמידות לאורך זמן.