מהי ההשפעה של עיקול צינור פנימי על הצינור-מקדם העברת חום צדדי של מחליף PTFE?

כאשר סרט דק של אבנית מתחיל להיבנות לראשונה בתוך צינור PTFE חלק, מקדם העברת החום עלול להתנהג באופן מעט פרדוקסלי. לזמן קצר מאוד הביצועים התרמיים עשויים אף לעלות באופן שולי. שכבת העיכול הראשונית מעט מחוספסת והיא הורסת את שכבת הגבול החלקה בדרך כלל לאורך דופן הצינור, מייצרת מערבולות נוספת ומגבירה את ערבוב הנוזל. יתרון קצר זה הוא בכל זאת קצר מועד. ככל שעובי המשקע גדל, השפעת הבידוד של שכבת העיכול שולטת על כל יתרון מערבולות וביצועי העברת החום של המחליף מתחילים לרדת בהתמדה.

הקשר בין מקדם ההסעה של אפקט עיבוי הצינורות לבין ביצועי מחליף PTFE אינו שפל ליניארי פשוט. עכירות מתפתחת עם הזמן, בתחילה כמגביר חספוס ובסופו של דבר כמחסום תרמי דומיננטי.

מה קורה בתוך צינור טפלון®?
הביצועים התרמיים של מחליף חום PTFE נקבעים על ידי סדרה של התנגדויות כדלקמן.

חום חייב לעבור:

שכבת הגבול של נוזל צד-הצינור

כל עבירה שהופקדה

קיר צינור PTFE

שכבת גבול הנוזל בצד המעטפת

כל מקדם העברת החום של המחליף מבוסס על ההתנגדות התרמית הכוללת, הנקראת בדרך כלל ערך U-.

עם גידול עכירות, נוסף מונח התנגדות נוסף למערכת.

ההתנגדות הזו עשויה להיות קלה מאוד בהתחלה. אבל ההשפעה של חספוס פני השטח יכולה להיות ניכרת בקצרה.

מדוע עיקול קטן יכול לשפר את העברת החום
צינור ה-PTFE עצמו חלק למדי. חספוס המשטח הנמוך ממזער את ירידת הלחץ כמו גם את הידבקות המשקעים, אך משטחים חלקים יכולים גם לשמור על שכבת גבול למינרית יציבה למדי, בנסיבות זרימה מסוימות.

מרקם פני השטח הפנימי משתנה כאשר נוצרת שכבת עיבוי דקה מאוד.

חספוסים מיקרוסקופיים מתחילים להגיח לזרם הנוזל ולגרום להפרעות קטנות ליד הקיר. הפרעות אלו כוללות

הוסף הפרעה מקומית

לשבור שכבת גבול תרמית

ערבוב נוזל רדיאלי משופר

שפר את העברת החום בין הקיר לנוזל

זיהומים מטעים את החיישנים באופן זמני, מכיוון שהמחליף עשוי להצביע על רמה חולפת או אפילו עלייה קטנה בביצועים התרמיים לכאורה.

השפעה זו בולטת ביותר כאשר:

הזרימה היא למינרית בהתחלה

מספרים של ריינולדס קרובים למעבר

המשטח המקורי של PTFE חלק מאוד.

עובי העיכול עדיין דק מאוד

השפעת החספוס בשלב מוקדם זו לעתים קרובות פחות בולטת על צינורות מתכתיים מחוספסים, כי מרקם פני השטח של קו הבסיס כבר סוער.

השפעת החספוס על העברת חום הסעה
ההשפעה של חספוס פני השטח על העברת החום קשורה ישירות להתנהגות של חיכוך נוזלים.

בניתוח של זרימה סוערת החספוס משפיע על:

מקדם החיכוך

יציבות שכבת הגבול

העברת מומנטום.

שיפור העברת החום

אותם גורמים המשפרים ערבוב חיכוך משפיעים גם על העברת חום הסעה.

קשר זה משתקף בדמיון בין גורם החיכוך לגורם העברת החום בתורת התחבורה הקלאסית.

לכן מעט משטח מחוספס יכול להגביר את מקדם העברת החום-בצד הצינור במצבי פעולה מסוימים.

עם זאת, ההשפעה החיובית הזו היא רק חולפת מכיוון שההתנגדות החשמלית של שכבת העיכול ממשיכה לגדול עם הזמן.

כאשר העיוות משתולל
איכויות הבידוד של מרבץ העיכול המעבה הופכות יותר ויותר קריטיות.

באופן כללי, לפיקדון עצמו יש מוליכות תרמית נמוכה בהשוואה לחומרי הנוזל והמחליף. אז חום חייב לעבור דרך שכבת בידוד אחת נוספת לפני שהוא יכול לגשת לנוזל בתפזורת.

בסופו של דבר כל תועלת של מערבולות מאפילה על ידי עונש החום של עובי נוסף.

התוצאות הן:

ערך U הכולל מופחת

קצב העברת חום נמוך יותר

גישת טמפרטורה גדולה יותר

תגובה תרמית איטית יותר

חוסר יציבות תהליכים גדולה יותר

המחליף נכנס בשלב זה למגמת ההתדרדרות המוכרת לטווח הארוך של העיכול הנצפית במערכות תעשייתיות.

התנגדות להתעייפות כתהליך חולף
הצטברות של זיהומים מתרחשת לעתים רחוקות בקצב קבוע.

במערכות רבות התנגדות ההתעלמות עוקבת אחרי עקומה אסימפטוטית:

בנייה ראשונית-מהירה

בנייה איטית יותר-לטווח הארוך

התייצבות לקראת שיווי משקל בסופו של דבר

שינויים מוקדמים אלו הם לרוב השינויים היחסיים הגדולים ביותר בחספוס פני השטח ובהפרעות בזרימה.

לאחר מכן המשקע מתעבה ומתכווץ וצמיחה נוספת מעוכבת על ידי כוחות גזירה ומנגנוני ניתוק חלקיים.

התנהגות אסימפטוטית זו של התנגדות זיהומים עשויה להסביר מדוע מחליף עשוי להיראות יציב בהתחלה אך לאורך תקופות ארוכות של פעולה מאבד בהדרגה את היעילות התרמית.

מדוע למחליפי PTFE יש התנהגות זיהומית יוצאת דופן
למחליפי PTFE יש כמה מאפיינים המשפיעים על דינמיקת העיכול בצורה שונה בהשוואה למערכות מתכת.

משטח קיצוני ראשוני חלק
בהשוואה לחומרי מחליף חום מתכתיים רבים, משטחי PTFE בתוליים חלקים מאוד.

חספוס קו בסיס נמוך זה מביא לשינוי משמעותי למדי במרקם השטח האפקטיבי מכמויות זעירות של אבנית.

זה הופך את השפעת שיפור החספוס-המוקדמת לבולטת יותר.

אנרגיות שטח נמוכות
תכונות הנון--הדבקות של PTFE מתנגדות להדבקה חזקה של משקעים.

כמה שכבות עכירות נשארות רכות יותר או פחות יציבות מבחינה מכנית מאשר משקעים שפותחו על צינורות מתכתיים.

מוליכות תרמית מופחתת
ל-PTFE יש כבר עמידות קיר טובה יותר ממתכות כמו נירוסטה או טיטניום.

לפיכך, התנגדות עיקול נוספת חשובה יותר באופן יחסי בכל רשת ההתנגדות התרמית.

הירידה בביצועים עשויה להיות בולטת במיוחד ברגע שהעיקול עבה מאוד.

מגמת הירידה לטווח ארוך של U Value
השפעת החספוס-קצרת הטווח היא חיובית, בעוד שלביצועי החיסוף-לטווח הארוך תמיד יש כיוון שלילי.

עם הפקדות שעדיין נכנסות:

הפחתה בקוטר הצינור

שינויים בחלוקת הזרימה

ירידה בלחץ גדלה

ההתנגדות התרמית עולה.

היעילות של מחליף החום יורדת

בשלבים גבוהים יותר של זיהומים, שליטה בתהליך עלולה להיות בעייתית, שכן קצבי העברת החום אינם מספיקים עוד לפעולה.

ייתכן שהמחליף יצטרך:

ניקוי כימי

ניקוי מכני

החלפת צינורות

אופטימיזציה של זרימות

כוונון של כימיה של תהליך

ללא התערבות, עכירות כרונית עלולה לגרום בסופו של דבר לירידה בלתי הפיכה בביצועים.

המשמעות של ניקוי קבוע
"התכלות היא תהליך הדרגתי ולכן ניטור קבוע הוא המפתח.

האינדיקטורים הנפוצים במעקב כוללים:

הורדת ערך U-

ירידת לחץ מוגברת

ביצועי טמפרטורת יציאה מופחתים

תקופות חימום ממושכות בתהליכים

באופן כללי, עדיף לבצע ניקיון בלוח זמנים מונע במקום לחכות להצטברות זיהומים כבדים.

עבור מחליפי PTFE, משטחי צינור נקיים עוזרים לשמור על שני:

העברת חום הסעה במצב יציב

הידראוליקה התנגדות נמוכה

המטרה היא לא רק לנקות את המשקעים העבים אלא למנוע את המעבר משיפור קל בחספוס לבידוד תרמי משמעותי.

עכירות: תופעה תרמית דינמית
הקשר בין מחליף מקדם ההסעה של PTFE לבין אפקט עיבוי הצינורות מראה שההסתגלות דינמית במהותה ולא סטטית.

ניתן לשפר את המערבולת והעברת החום לרגע בשלבים הראשונים. אבל במרוצת הזמן תכונות הבידוד של המשקע שולטות בהתנהגות המערכת.

הדואליות הזו מסבכת את ניתוח ההסתה יותר מאשר הנחה בלבד של ירידה ליניארית מתמשכת.

מדידות-לטווח קצר עשויות לעתים קרובות להטעות כאשר המחליף נמצא בשלב שיפור החספוס-מעברי.

עם זאת, המגמות התרמיות ארוכות הטווח מציגות נטייה מתמדת של עליית עונש עקב הצטברות פיקדונות.

מַסְקָנָה.
לעיכול צינור פנימי במחליף חום PTFE יש השפעה מורכבת ותלויה בזמן על ביצועי העברת החום ההסעה. בתחילה, עכירות קטנה מאוד עשויה לשפר לזמן קצר את מקדם העברת החום ההסעה-בצד הצינור על ידי חיספוס משטח ה-PTFE החלק אחרת והגברת המערבולות במקצת.

השיפור הראשוני הזה הוא קצר-מועד. עובי העיכול גדל, המשקע הופך להתנגדות התרמית הבולטת יותר וערך ה-U- הכולל יורד בהדרגה. בדיוק כפי שהחספוס מגביר זמנית את המערבולת, הוא הופך בסופו של דבר למחסום מבודד לתנועת חום.

ההתנהגות של מחליף מקדם ההסעה PTFE של אפקט עיבוי הצינורות מצביעה על כך שההתעכבות אינה מצב בינארי פשוט, אלא תהליך תרמי מתמשך. מעט אבנית גסה עשויה להטעות את המפעיל לזמן מה, אבל יעילות מתמשכת של מחליף היא בסופו של דבר פונקציה של משטחי צינור פנימיים נקיים. מה שמתחיל כחספוס שימושי הופך לשמיכה מבודדת.