Какова производительность турбулизаторов со спиральной пружиной в трубках теплообменника из ПТФЭ?

Эта базовая проволочная катушка пружинной-формы, помещенная в трубку из ПТФЭ, может существенно улучшить теплопередачу. Змеевик прерывает поток у стенки трубки, но не загораживает центр, в отличие от сплошной скрученной ленты. Это приводит к другому балансу производительности. Эта технология пассивного увеличения теплопередачи особенно полезна для теплообменников из ПТФЭ, в которых ограниченная теплопроводность самого полимера (≈0,25 Вт/м·К) ограничивает общие коэффициенты теплопередачи. Узел теплообменника турбулизатора со спиральной пружиной из ПТФЭ разрушает пограничный слой на стенках трубы и значительно повышает термический КПД.

Понимание геометрии спирально-пружинного турбулизатора
Турбулятор со спиральной пружиной представляет собой спирально навитую проволоку, которая точно соответствует внутреннему диаметру трубки из ПТФЭ. Катушка определяется тремя геометрическими параметрами:

Диаметр проволоки (d_w) – обычно 1-3 мм, в зависимости от размера трубки.

Шаг катушки (p) – осевое расстояние между соседними витками.

Внешний диаметр катушки (D c): Немного меньше внутреннего диаметра трубки (D i) для вставки.

Эффективность турбулизатора определяется отношением диаметра проволоки к диаметру трубки (dw/D i ) и отношением шага к диаметру (p/D i ). Общие стандарты проектирования предполагают, что оптимальная производительность достигается при dw/Di от 0,1 до 0,2 и p/Di от 1 до 3.

Змеевик может быть изготовлен из многих материалов в зависимости от обрабатываемой жидкости. Для агрессивных водных или кислотных потоков рекомендуется использовать металлическую проволоку с покрытием из ПТФЭ- или моноволоконную катушку из твердого ПТФЭ. Для менее абразивных жидкостей, где загрязнение металлами не является проблемой, можно использовать проволоку из высоколегированного сплава (например, нержавеющую сталь 316L, Hastelloy C-276). В полностью фторполимерных системах пружина из PFA или PTFE обеспечивает полную химическую стойкость.

Механизм разделения пограничного слоя.
В гладкой трубе при ламинарном потоке или потоке с малым -числом Рейнольдса- на стенке трубы образуется стационарный пограничный слой (ламинарный подслой). Этот тонкий слой является основным сопротивлением теплопередаче. Этот подслой должен проходить только за счет проводимости, что неэффективно.

Пограничный-слой – это спиральный пружинный турбулятор. Когда жидкость течет через трубку, каждый виток змеевика создает локальное разделение потока, завихрения и радиальное перемешивание. Важно отметить, что змеевик не блокирует центр трубки -, поток в сердечнике практически беспрепятственный. Это спиральная пружина вместо сплошной скрученной ленты, которая заставляет всю жидкость течь во вихревом движении и часто приводит к образованию мертвой зоны вокруг центра ленты.

Основное действие пружины происходит вблизи стенки трубы. В точке максимального термического сопротивления катушка периодически разрушает растущий пограничный слой, усиливая турбулентное перемешивание. В ходе экспериментального сравнения доказано, что хорошо-сконструированная витая пружина может увеличить число Нуссельта (Nu) на стороне трубки- в 2–3 раза по сравнению с гладкой трубкой при тех же условиях потока.

Измеряемые характеристики: число Нуссельта и падение давления.
Постоянно наблюдается-компромисс между усилением теплопередачи и потерей давления. Типичные диапазоны, описанные в рецензируемых-исследованиях для турбулизаторов со спиральной пружиной, составляют числа Рейнольдса от 500 до 10 000:

Параметр Гладкая трубка со спиральной пружиной
Число Нуссельта (Nu) Исходное значение (1×) Увеличение в 2–3 раза
Коэффициент трения (f) Базовый уровень (1x) Увеличение в 3–6 раз
Коэффициент усиления во многом зависит от геометрии катушки. Более узкий шаг (меньший p/D_i) приводит к более частым нарушениям потока и, следовательно, к более высокому значению Nu, но также и к более высокому перепаду давления. С другой стороны, более расслабленная катушка сводит к минимуму потери давления, но при этом дает значительное улучшение.

Конструкция катушки является настраиваемым решением: для конкретного применения шаг и диаметр проволоки могут быть выбраны так, чтобы удовлетворить технологические ограничения по допустимому перепаду давления. Максимальная теплопередача достигается при использовании плотного змеевика для чистых жидкостей и при достаточной силе накачки. Для вязких или чувствительных к сдвигу жидкостей более свободный змеевик обеспечивает более мягкое перемешивание.

Преимущества сплошных витых лент
Турбулятор со спиральной пружиной имеет ряд практических преимуществ перед вставкой из цельной витой ленты:

Снижение склонности к загрязнению - В источнике не образуются полностью закрытые застойные зоны, т. е. менее вероятно осаждение взвешенных частиц или осажденных твердых частиц. Сплошная лента, особенно в горизонтальной трубке, может создать зону низкого-потока в «тени» ленты, где начинается загрязнение. Открытая структура пружины обеспечивает непрерывную продувку жидкости.

Упрощенная установка и снятие - Виток пружины можно легко вставить в трубку и зажать на концах. Для модернизации существующие трубки теплообменника из ПТФЭ могут быть заменены на пружины без каких-либо необратимых модификаций. Очистка проста: просто вытащите змеевик, очистите его и установите обратно.

Меньшие затраты на материал - В катушке с проволокой содержится гораздо меньше материала по сравнению со сплошной лентой, особенно для трубок большой длины. Если требуются дорогие сплавы или фторполимеры, разница в стоимости значительна.

Совместимость трубок из ПТФЭ с расширением - Трубки из ПТФЭ имеют высокий коэффициент теплового расширения. Сплошная лента, которая подходит при температуре окружающей среды, может стать слишком тугой при рабочей температуре и повредить трубку. Виток пружины является гибким и может принимать изменения размеров без возникновения чрезмерной радиальной силы.

Практический минимум числа Рейнольдса для эффективности
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) естественная турбулентность уже эффективно разрушает пограничный слой, и дополнительная выгода от использования змеевика снижается по сравнению с дополнительным перепадом давления. Поэтому турбулизаторы со спиральной пружиной лучше всего подходят для теплообменников из ПТФЭ, работающих с вязкими жидкостями, потоками с низкой скоростью потока или компактными геометрическими формами, которые, естественно, характеризуются низким расходом.

В экспериментах мы видим, что коэффициент усиления падает с увеличением числа Рейнольдса. Ниже Re $\\approx$ 200 змеевик все еще может усиливать теплообмен за счет создания мягких вторичных потоков, но эффект менее заметен, чем в ламинарной---переходной зоне.

Приложения для модернизации и коммерческая доступность
Коммерчески доступные турбулизаторы со спиральной пружиной доступны у ряда производителей компонентов теплообменников. Стандартные диаметры трубок из ПТФЭ (внутренний диаметр 6, 8, 10, 12, 16 и 20 мм) доступны в стандартной конструкции. Для удовлетворения конкретных технологических потребностей может быть изготовлена ​​проволока специальной ширины и шага.

Распространенной ситуацией при ремонте является существующий кожухо-и-трубчатый теплообменник из ПТФЭ, который не работает должным образом из-за низких коэффициентов теплопередачи со стороны труб-. Вместо того, чтобы переделывать весь теплообменник, вы ставите турбулизаторы в каждую трубку. Установка обычно выполняется во время планового технического обслуживания. Увеличение общего коэффициента теплопередачи (U) обеспечивает либо более высокую пропускную способность, либо меньший расход тепла, либо меньшую необходимую площадь для новой конструкции.

Вывод: простой и эффективный помощник при установке
Турбулизаторы со спиральной пружиной — это простой в установке и эффективный выбор для улучшения теплопередачи в трубках из ПТФЭ, особенно в экологически чистых сферах. Вставки радикально меняют тепловые характеристики теплообменников из ПТФЭ с низкой-проводимостью, увеличивая число Нуссельта на трубной- стороне в 2–3 раза при разумном снижении давления в 3–6 раз. Турбулятор со спиральной пружиной из ПТФЭ является открытым, не-загрязняющимся, в нем используется гибкий материал (ПТФЭ, ПФА или проволока из сплава), что делает его пригодным для применения в коррозионно-активных средах, с высокой-чистотой и при модернизации.

Доступен ряд форм турбулизаторов для различных целей, включая скрученные ленты, проволочные сетки и статические смесители. Спиральная пружина имеет специальную нишу, умеренную доработку, малое засорение и простую установку. Турбулятор со спиральной пружиной заслуживает пристального внимания инженеров-технологов, которые ищут пассивный, не требующий-обслуживания способ оптимизации теплопередачи при сохранении химической стойкости.