מהם הביצועים של טורבולטורי קפיצי ספירלה בצינורות מחליף חום PTFE?

סליל תיל בסיסי זה בצורת-קפיץ, הממוקם בתוך צינור PTFE, יכול לשמש לשיפור משמעותי בהעברת החום. הסליל קוטע את הזרימה בדופן הצינור אך אינו חוסם את המרכז, בניגוד לסרט מעוות מוצק. זה מוביל לאיזון ביצועים שונה. טכנולוגיית הגדלת העברת חום פסיבית זו שימושית במיוחד עבור מחליפי חום PTFE שבהם המוליכות התרמית המוגבלת של הפולימר עצמו (≈0.25 W/m·K) מגבילה את מקדמי העברת החום הכוללים. מכלול מחליף החום של טורבולטור קפיצי ספירלה PTFE שובר את שכבת הגבול של צד הצינור ומייצר שיפורים גדולים ביעילות התרמית.

הבנת הגיאומטריה של טורבולטור קפיצי ספירלה
טורבולטור קפיצי הספירלה הוא סליל תיל מפותל בצורת סליל המתאים היטב לקוטר הפנימי של צינור ה-PTFE. הסליל מוגדר על ידי שלושה פרמטרים גיאומטריים:

קוטר חוט (d_w) - בדרך כלל 1-3 מ"מ, תלוי בגודל הצינור

גובה סליל (p) - מרווח צירי בין פניות שכנות

קוטר סליל חיצוני (D c): קטן מעט מקוטר הצינור הפנימי (D i) להכנסה

יעילות הטורבולטור נקבעת על ידי היחס בין קוטר החוט לקוטר הצינור (dw /D i) ויחס הגובה והקוטר (p/D i). תקני עיצוב נפוצים מצביעים על כך שהביצועים האופטימליים מושגים עבור dw/D i בין 0.1 ל-0.2 ו-p/D i בין 1 ל-3.

הסליל עשוי להיות עשוי מחומרים רבים בהתאם לנוזל המטופל. לזרמים מימיים או חומציים קורוזיביים, מוצע חוט מתכת מצופה PTFE- או סליל מונופילמנט מוצק PTFE. עבור נוזלים פחות שוחקים שבהם זיהום מתכת אינו מהווה בעיה, ניתן להשתמש בחוטי סגסוגת גבוהים (למשל נירוסטה 316L, Hastelloy C-276). במערכות כל-פלואורופולימר קפיץ PFA או PTFE מספק עמידות כימית מוחלטת.

המנגנון של הפרדת שכבות גבולות
בצינור חלק מתחת לזרימה למינרית או נמוכה של -רינולד-, יש שכבת גבול נייחת (השכבה הלמינרית) שנוצרת בקיר הצינור. שכבה דקה זו היא ההתנגדות העיקרית להעברת חום. יש לעבור את שכבת המשנה הזו על ידי הולכה בלבד, שאינה יעילה.

מסע הגבול-של השכבה הוא טורבולטור הקפיץ הספירלי. כאשר נוזל זורם דרך הצינור, כל סיבוב של הסליל מייצר הפרדת זרימה מקומית, מערבולות וערבוב רדיאלי. חשוב לציין, הסליל אינו חוסם את מרכז הצינור -, זרימת הליבה היא למעשה ללא הפרעה. זהו קפיץ ספירלי במקום סרט מעוות מוצק שגורם לכל הנוזל לזרום בתנועת מערבול ולעתים קרובות מוביל לאזור מת סביב מרכז הסרט.

ההשפעה העיקרית של הקפיץ מתרחשת בקרבת דופן הצינור. בנקודה של התנגדות תרמית מקסימלית, הסליל מפרק מעת לעת את שכבת הגבול ההולכת וגדלה, ומגביר את הערבוב הסוער. בהשוואה ניסיונית, הוכח שסליל קפיץ-מעוצב היטב יכול לשפר את מספר Nusselt בצד הצינור (Nu) פי 2 עד 3 בהשוואה לצינור חלק באותן נסיבות זרימה.

ביצועים נמדדים: מספר Nusselt וירידה בלחץ
ההחלפה- בין שיפור העברת החום לאובדן לחץ נראית כל הזמן. טווחים טיפוסיים המתוארים במחקרים-בביקורת עמיתים עבור טורבולטורים קפיציים ספירליים הם במספרים של ריינולדס בין 500 ל-10,000:

פרמטר צינור חלק עם סליל קפיץ ספירלי
מספר Nusselt (Nu) קו בסיס (1×) 2–3× הגדלה
מקדם חיכוך (ו) עלייה של 3-6x קו הבסיס (1x).
גורם השיפור תלוי מאוד בגיאומטריית הסליל. גובה הדוק יותר (p/D_i נמוך יותר) מביא לשיבושים תכופים יותר בזרימה ובכך Nu גבוה יותר, אך גם ירידת לחץ גבוהה יותר. מצד שני, סליל רגוע יותר ממזער את עונש הלחץ ובכל זאת מניב שיפור משמעותי.

עיצוב הסליל הוא פתרון שניתן לכוונן: עבור יישום נתון ניתן לבחור את הגובה ואת קוטר החוט כדי לספק את מגבלות התהליך על ירידת הלחץ המותרת. העברת חום מקסימלית מתקבלת עם סליל הדוק לנוזלים נקיים ושם מספיק כוח השאיבה. עבור נוזל צמיג או רגיש לגזירה, סליל רופף יותר מספק פעולת ערבוב עדינה יותר.

היתרונות של קלטות מוצקות
לטורבולטור קפיצי הספירלה יש כמה יתרונות מעשיים על פני קלטת מפותלת מוצקה:

נטייה מופחתת של עכירות - הקפיץ אינו מייצר אזורים עומדים סגורים לחלוטין, כלומר חלקיקים מרחפים או מוצקים משקעים נוטים פחות להתמקם. סרט מוצק, במיוחד בצינור אופקי, עשוי לספק אזור זרימה נמוך- ב"צל" הקלטת שבו מתחילה התקלות. המבנה הפתוח של קפיץ מאפשר טיהור רציף של נוזל.

התקנה והסרה קלה יותר - ניתן להכניס בקלות סליל קפיצי לתוך צינור ולהדק אותו בקצוות. עבור יישומי שיפוץ לאחור ניתן להתאים צינורות מחליף חום קיימים של PTFE לקפיצים ללא שינוי קבוע. הניקוי קל, פשוט שלוף את הסליל, נקה אותו והחזיר אותו.

פחות עלות חומר - יש הרבה פחות חומר בסליל תיל בהשוואה לסרט מוצק, במיוחד עבור צינורות ארוכים. אם נדרשות סגסוגות יקרות או פלואורפולימרים, ההבדל בעלויות משמעותי.

תאימות להרחבת צינורות PTFE - לשפופרות PTFE יש מקדם התפשטות תרמית גבוה. סרט מוצק שמתאים לטמפרטורת הסביבה עלול להיות הדוק מדי בטמפרטורת הפעולה ולפגוע בצינור. סליל הקפיץ גמיש ויכול לקבל שינויים ממדיים מבלי לפתח כוח רדיאלי מופרז.

מספר מינימלי של ריינולדס לנקודה מעשית ליעילות
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10,000) המערבולת הטבעית כבר משבשת למעשה את שכבת הגבול והתועלת המצטברת של הסליל מצטמצמת ביחס לירידת הלחץ הנוספת. לכן, טורבולטורים קפיציים ספירליים מתאימים ביותר למחלפי חום מסוג PTFE הפועלים עם נוזלים צמיגים, זרמי מהירות זרימה נמוכה או גיאומטריות קומפקטיות המאופיינות באופן טבעי בקצב זרימה נמוך.

בניסויים, אנו רואים שגורם השיפור יורד עם הגדלת מספר ריינולדס. מתחת ל- $\\approx$200 הסליל עדיין עשוי לשפר את העברת החום על ידי יצירת זרימות משניות מתונות, אבל ההשפעה פחות בולטת מאשר באזור המעבר למינארי-ל-סוער.

שיפוץ אפליקציות וזמינות מסחרית
טורבולטורי קפיצי ספירלה זמינים מסחרית זמינים ממספר יצרנים של רכיבי מחליפי חום. קטרים ​​נפוצים של צינורות PTFE (6 מ"מ, 8 מ"מ, 10 מ"מ, 12 מ"מ, 16 מ"מ ו-20 מ"מ קוטר פנימי) זמינים כעיצובים סטנדרטיים. ניתן לייצר רוחבי חוטים ומגרשים מיוחדים כדי לענות על צרכי תהליך ספציפיים.

מצב שיפוץ נפוץ הוא מחליף חום קיים של מעטפת PTFE-ו-שפופרת שאינה פועלת היטב עקב מקדמי העברת חום צדדיים של-צינורות נמוכים. במקום לבנות מחדש את כל המחליף אתה שם את הטורבולטורים בכל צינור. ההתקנה מתבצעת בדרך כלל במהלך הפסקת תחזוקה מתוכננת. הגדלת מקדם העברת החום הכולל (U) מספקת תפוקה גבוהה יותר או צריכת חשמל נמוכה יותר, או שטח הכרחי נמוך יותר לעיצוב חדש.

מסקנה: סיוע קל ויעיל להתקנה
טורבולטורי קפיצי ספירלה הם בחירה יעילה וקל להתקנה לשיפור העברת החום של צינורות PTFE, במיוחד בשירותים נקיים. התוספות מחוללות מהפכה בביצועים התרמיים של מחליפי חום PTFE עם מוליכות- נמוכה על ידי הגדלת מספר -צד Nusselt של הצינור בפקטור של 2 עד 3 בעונש סביר של ירידת לחץ של פי 3 עד 6. סידור מחליף החום של קפיץ ספירלה PTFE פתוח, אינו-מתעכל ומשתמש בחומר גמיש (PTFE, PFA או חוטי סגסוגת) מה שהופך אותו מתאים ליישומים קורוזיביים, בעלי טוהר- גבוה והתאמה לאחור.

מספר צורות טורבולטור זמינות למילוי מטרות מגוונות, כולל סרטים מעוותים, רשתות תיל ומערבלים סטטיים. לקפיץ הספירלה נישה מיוחדת, שיפור מתון, עיבוי נמוך והתקנה פשוטה. טורבולטור קפיצי הספירלה ראוי להתייחסות ניכרת על ידי מהנדסי תהליך המחפשים דרך פסיבית,-תחזוקה נמוכה לייעל את העברת החום תוך שמירה על עמידות כימית.