מהי ההשפעה של מיקום תוספת-במרכז על הביצועים של טורבולטורים מפותלים?

סרט מעוות קונבנציונלי ממוקם במרכז הצינור. אבל מיקום מחוץ-ממרכז מביא לשדה זרימה א-סימטרי עם מחזורים משניים חזקים יותר, מה שעשוי להוביל ליתרון גבוה יותר בהעברת חום עבור אותו תוספת. שינוי גיאומטרי צנוע זה - בדרך כלל חסר בתכנון מחליף חום קונבנציונלי - יכול לספק ביצועים תרמיים גדולים יותר מבלי לשנות את יחס הפיתול או החומר של הסרט. עבור מחליפי חום PTFE המעבדים נוזלים קורוזיביים או עדינים שבהם שיפור פסיבי מועדף על פני גישות אקטיביות, התקנה מחוץ ל-מרכז מציעה עלות נמוכה, ללא שדרוג תחזוקה.

שדה הזרימה הא-סימטרית של קלטת-במרכז
אם טורבולטור הסרט המעוות נמצא ישירות על הציר המרכזי של הצינור, הזרימה מפוצלת לשתי תעלות סליל סימטריות. התנועה היא מהסוג המתערבל האחיד ופרופיל המהירות סימטרי רדיאלי. זוהי הגדרה ידועה בשימוש נרחב.

הזזת הקלטת מהמרכז משפיעה על הגיאומטריה באופן מהותי. חתך הצינור- מופרד כעת לשתי תעלות זרימה בגודל שונה, מרווח גדול יותר בצד אחד של הסרט ומרווח קטן יותר בצד השני. מכיוון ששטח החתך- גדול יותר, הנוזל הזורם בתעלה זו ינוע במהירות נמוכה יותר (עבור קצב זרימה נפחי נתון). להיפך, הנוזל בתעלה הקטנה יותר מאיץ. ההבדל במהירות והפיתול הסליל של הקלטת מייצרים מחזוריות משנית עוצמתית - מערבולות חתך שאינן קיימות במערך ממורכז.

התוצאה היא דפוס ערבוב חזק יותר. הסרט המעוות-המרכז יוצר את המערבולת העיקרית (מסביב לציר הקלטת) ואת המערבולת המשנית המסתובבת במישור המאונך לכיוון הזרימה. ערבוב נוסף זה מוצלח יותר בהפרעה של שכבת הגבול התרמית מאשר המיקום המרוכז, במיוחד בקרבת דופן הצינור שבו קיים הפער הקטן ביותר.

שיפורי ביצועים כמותיים
מחקרים ניסויים השוו ישירות את ביצועי העברת החום של סרט PTFE עם סרט ממורכז בהגדרות זרימה זהות (Re=500-5000 במחקרים טיפוסיים). תגליות מפתח כוללות:

הגדלת מספר Nusselt: מספר Nusselt בצד הצינור גדל ב-10-20% נוספים עבור מיקום מחוץ למרכז ביחס לסרט המרוכז עבור אותו יחס פיתול ומספר ריינולדס.

התנהגות נפילת לחץ: העלייה של גורם החיכוך ממיקום- מחוץ למרכז דומה או גבוהה במקצת (לכל היותר 5-10% מעל ערך הקלטת המרוכזת-). עונש הלחץ אינו מוגדל ביחס לרווח העברת החום, ולכן מגדיל את מדד הביצועים התרמיים - הידראוליים (Nu/f).

התמדה במנגנון: שיפור נראה עבור מגוון רחב של יחסי פיתול (y=2-6) וקוטרי צינור, אם כי הכמות תלויה בגיאומטריה.

הרווחים הללו רחוקים מלהיות מינוריים. עבור מחליף חום PTFE, שבו מקדם הסרט הצדדי-של הצינור הוא בדרך כלל הגורם המגביל לביצועים הכוללים, 15% נוספים במספר Nusselt יכולים לתרגם להפחתה משמעותית בשטח העברת החום הדרוש או לעלייה בתפוקה.

מרחק אופסט ואפקט רדיוס הצינור
מידת שיפור העברת החום תלויה באופן משמעותי בתזוזה של הסרט מהמרכז. מרחק ההיסט האופטימלי הוא לרוב 20-30% מרדיוס הצינור (כלומר $\\delta/R \\בערך 0.2-0.3$, כאשר $\\delta$ הוא המרחק ממרכז הצינור לציר הקלטת). בטווח זה, המחזוריות המשנית חזקה מספיק כדי לתת ערבוב נוסף אך לא חזקה עד כדי כך שהסרט בא במגע עם דופן הצינור או גורם לסטגנציה חמורה של זרימה.

"היסטים הנמוכים מ-10% מהרדיוס אינם שונים בהרבה מהמצב המרוכז - הא-סימטריה בזרימה חלשה מכדי לייצר מערבולות משניות גדולות. קיזוזים הגדולים מ-40% מהרדיוס עלולים לגרום למגע בין הסרט לדופן הצינור (במיוחד כאשר התפשטות תרמית וייצור וסובלנות מקומית נחשבים לחסרים או סובלניים של עופרת) מתח גזירה.

עבור שפופרות PTFE, המיוצרות לרוב בקטרים ​​פנימיים מגוונים במקצת, ניתן לקבל היסט מעשי של כ-25% מהרדיוס הנומינלי על ידי התקנת מבנה תומך אקסצנטרי בכניסה וביציאה של הצינור, או על ידי הכנסת הסרט עם פלח מוביל כפוף בכוונה.

תלות במספר ריינולדס: הבולטת ביותר במספרי ריינולדס הביניים
אפקט המיקום מחוץ ל-מרכז רלוונטי בעיקר למספרי ריינולדס בינוניים, בדרך כלל באזור המעבר והמערבולת התחתון (Re\\approx 800-4000). במשטר זה הזרימה אינה סוערת לחלוטין והערבוב הטבעי חלש. הסרט הא-סימטרי יכול ליצור זרמים משניים, שיכולים להכשיל את הזרימה באופן מלאכותי למצב כאוטי יותר ולשפר מאוד את העברת החום.

במספרים נמוכים מאוד של ריינולדס (Re < 300) המערבולות המשניות מדוכאות על ידי שיכוך צמיג ללא קשר לאסימטריה של הסרט. היתרון על סרט ממורכז פוחת ושתי התצורות פועלות באופן דומה לזרימה למינרית עם מעט מערבולת.

המערבולת הטבעית כבר נותנת ערבוב רדיאלי משמעותי במספרי ריינולדס גבוהים (Re > 8000). היתרון המצטבר של מיקום לא- במרכז יורד אולי ל-5-10% או פחות. ברוב יישומי מחליפי החום של PTFE - שבהם קצבי הזרימה נוטים להיות מתונים בגלל מגבלות ירידת לחץ במערכות פלואורופולימר - טווח ה-Re המתון הוא בדיוק הטווח שבו הציוד פועל, ולכן מיקום מחוץ למרכז הוא די רלוונטי.

בעיות מעשיות: כוחות אסימטריים, רטט
אחד הקשיים המעשיים שבהם נתקלים בהתקנה-ממרכז של סרט מעוות הוא כוחות נוזל א-סימטריים שנוצרים. הזרימה המהירה יותר דרך הפער הזעיר וזרימה איטית יותר דרך הפער הגדול גורמים לחוסר איזון לחץ נטו על פני הסרט. אסימטריה זו גורמת לכוחות רוחביים אשר נוטים להניע את הסרט אל דופן הצינור. בנוסף, מהירות הזרימה עלולה גם לגרום לכוחות הרמה או גרירה על הסרט בצינור אופקי.

כוחות לא אחידים אלה עלולים לגרום לסרט להיסחף יותר ויותר- מהמרכז או אולי לגעת בדופן הצינור לאורך זמן. המגע לא רק פוגע בהעברת החום (חוסם את הזרימה וגורם לנקודות חמות), אלא הוא עלול לפגוע במשטח הפנימי של צינור ה-PTFE או ללבוש את כיסוי הסרט. סרטי מתכת שמוכנסים לצינורות PTFE סובלים גם הם מהפרעות ורטט. הסרט עלול לקפוץ קדימה ואחורה כנגד קירות הצינור, וליצור רעש וכשל עייפות אפשרי.

להלן מספר אסטרטגיות הפחתה:

נקודות תמיכה מרובות - מרכזות טבעות או מרווחים במרווחים קבועים (למשל כל 10-20 קוטר של צינורות) מבטיחות שההיסט המיועד נשמר מבלי לאפשר תנועה רוחבית מוגזמת.

בחירת חומר סרט - סרט קשיח יותר (למשל מתכת עבה יותר, או חומר מרוכב במילוי PTFE) יעמוד בעיוות תחת מתחים אסימטריים.

חריץ מכוון או מפתח - ניתן לבנות את הצינור עם חריץ אורך פנימי אשר לוכד את קצה הסרט ולכן מקבע את מיקום ההיסט במדויק. זה אופייני יותר בצינורות מתכת אך ניתן להתאים אותו ל-PTFE עם כלי אקסטרוזיה מתאימים.

מהירות זרימה נמוכה יותר - התרת מספר ריינולדס מתון (כאשר ההשפעה היא החזקה ביותר בכל מקרה) ממזערת את גודל הכוחות האסימטריים.

בפועל, בעיות הרטט וההזזה נסבלות לנוזלים נקיים ולקצבי זרימה צנועים. חקירות מעבדה ומפעלי פיילוט הראו פעולה יציבה לטווח ארוך עם קלטות-במרכז מאובטחות אך ורק בקצוות.

השוואה עם גיאומטריות הכנסה אחרות
יש דרכים אחרות להשיג ערבוב א-סימטרי מאשר מיקום-ממרכז. סרטים מעוותים אקסצנטריים, סרטים מעוותים למחצה וסרטי ציר מכופפים-במכלולי-צינורות, כולם נחקרו. לסרט הסטנדרטי מחוץ למרכז יש יתרון אחד ברור. אין צורך לשנות את הקלטת עצמה - פשוט האופן שבו הקלטת מונחת בצינור. לפיכך ניתן לעשות שימוש חוזר בסרטים המעוותים הנוכחיים בסידור לא-ממרכז ללא כל עלות נוספת בייצור.

עיצוב זה הוא יתרון כאשר מחליף חום כבר פועל ויש צורך בשיפור ביצועים קטן. ניתן היה למשוך את הסרט לצד אחד בכוונה ולהחזיק אותו על ידי אביזרי קצה אסימטריים. אבל, יש לשקול היטב את קשיי הרטט והתמיכה כפי שהוזכרו לעיל.

עיצוב מחליפי חום PTFE: שיקולים מעשיים
עבור מעצבים של מחליפי חום PTFE מעטפת וצינור, ניתן להציע את ההצעות הבאות:

עבור צינורות בקוטר גדול למדי (גדול מ-12 מ"מ מזהה או שווה ל-12 מ"מ מזהה) עם סרט מעוות קונבנציונלי שכבר צוין, מיקום לא- במרכז יכול להיחשב כשיפור מצטבר - במיוחד כאשר מספר ריינולדס התפעולי הוא בטווח של 800-4000.

השתמש בהיסט של כ-25 אחוז מרדיוס הצינור. איזון זה ממקסם את הזרימה המשנית עם אסימטריית כוח נסבלת.

הוסף טבעות ריכוז במרווחים של 10-15 קוטר צינורות כדי לשמור על היסט ולמנוע מגע בקיר. טבעות זמינות ב-PTFE או PFA עבור תאימות כימית.

הערכת הסיכון לרטט: עבור זרימת גז במהירות גבוהה או נוזל בעל צמיגות נמוכה יותר תומכים או חלק קטן יותר של היסט (לדוגמה . 15% רדיוס) עשויים להיות מועילים.

מסקנה: שדרוג מצטבר לא יקר
ניתן להשיג שיפור מצטבר בעלות-נמוכה בהעברת חום על ידי הנחת סרט מעוות בכוונה מחוץ למרכז-, וכתוצאה מכך לעלייה נוספת של 10-20% במספר Nusselt עם ירידה קטנה או ללא ירידה נוספת בלחץ ביחס לסרט ממורכז. חלוקת זרימה א-סימטרית מתווך את האפקט של הקמת מחזורים משניים המגבירים את הערבוב בשכבת הגבול התרמית. ערך ההיסט האופטימלי הוא 20-30% מרדיוס הצינור, וההשפעה משמעותית ביותר במספרי ריינולדס ביניים (Re ≈ 800-4000).

וריאציות קטנות בצורה יכולות לשחרר יותר ביצועים. שיטת העברת החום של PTFE עם סרט מעוות מחוץ למרכז מספקת שדרוג פשוט למחלפי חום PTFE כאשר עמידות בפני קורוזיה קובעת את בחירת החומר, ושיפור פסיבי הוא הכיוון היחיד שניתן לבצע. המעצבים צריכים להחליף- את צרכי הרטט והתמיכה הקלים לעומת היתרונות התרמיים.