Уместо уметања посебног уређаја, сама цев се може формирати са удубинама, наборима или спиралама током производње. Ове интегралне карактеристике ометају проток и побољшавају пренос топлоте без ризика да се уметак олабави или да изазове блокаду.
Зашто размислити о пасивном побољшању помоћу геометрије цеви
У многим хемијским и фармацеутским процесима, поузданост измењивача топлоте је критична као и термичке перформансе. Традиционалне методе побољшања-као што су уврнуте траке или уметци жичаних намотаја-додају унутрашње компоненте које могу да мигрирају, замарају се или постану места запрљања. Алтернативни приступ је модификација самог зида цеви. Удубљене или ребрасте ПТФЕ цеви постижу храпавост површине или таласастост која је саставни део цеви. Пошто нема одвојених делова, ризик од механичког квара, заглављивања уметка или блокаде протока је у суштини елиминисан.
Овај приступ је посебно атрактиван за руковање течностима са суспендованим чврстим материјама, кристалним суспензијама или медијима склоним полимеризацији. За такве изазовне примене, глатка унутрашња цев са рупицама или наборима обезбеђује турбуленцију без пукотина у којима се остаци могу скупити.
Како рупице и набори ометају ток
Удубљена или валовита ПТФЕ цев има низ периодичних удубљења (удубљења) или наизменичних проширења и контракција (набора) дуж своје дужине. Када течност прође кроз ове геометријске варијације, гранични слој у близини зида се више пута ломи и поново успоставља. Вртложни вртлози се избацују иза сваке рупице или гребена, промовишући радијално мешање између течности језгра и региона зида. Ово мешање ефикасно разређује термички гранични слој, што доводи до већег коефицијента конвективног преноса топлоте.
Механизам побољшања је фундаментално другачији од оног код уврнуте траке. Уврнута трака ствара континуирани спирални вртлог, док удубљења и набори производе локализовану, периодичну турбуленцију. Добијениудубљена валовита ПТФЕ цев за пренос топлотеперформансе су обично умереније-побољшања од 20-60% у односу на глатку цев-али са пропорционално мањим повећањем пада притиска, често између 30-100%.
У пракси, геометријски параметри (дубина удубљења, корак валовитости и висина) могу се подесити да би се балансирао добитак преноса топлоте и губитак трења. Набори краћег корака или дубље рупице стварају јачу турбуленцију, али и већи отпор. Дужи, плићи узорци обезбеђују глаткији проток уз скромније побољшање.
Предности у односу на одвојене уметке
Удубљене или валовите ПТФЕ цеви нуде неколико практичних предности у поређењу са уплетеном траком или другим лабавим уметцима:
Нема ризика од миграције уметка: Геометрија побољшања је трајно формирана у зиду цеви. Не постоји могућност да се уметак помери низводно, оштети крајеве цеви или да дође у контакт са цевним листом.
Нема додатног контактног отпора: Са посебним уметком, постоји отпор термичког контакта између уметка и зида цеви. Интегралне рупице или набори избегавају овај додатни отпор јер нема интерфејса.
Лакше чишћење и преглед: Унутрашњост валовите цеви остаје отворен, несметан пролаз. Прасе или четка за чишћење могу нормално да прођу, за разлику од цеви која садржи уврнуту траку, где чишћење може захтевати уклањање уметка.
Мањи ризик од механичког хабања: Вртложни уметци могу вибрирати или абразирати зид ПТФЕ цеви током времена, посебно при већим брзинама протока. Интегрална геометрија не узрокује релативно кретање између цеви и функције побољшања.
Вреди напоменути да за веома високе циљеве побољшања преноса топлоте (преко 100%), уметак уврнуте траке и даље има бољи учинак од удубљених или валовитих цеви. Међутим, за апликације где је умерено побољшање довољно и поузданост је најважнија, интегрална геометрија цеви је често пожељно решење.
Разматрања у производњи за ПТФЕ
Валовите и удубљене цеви се широко користе у металним измењивачима топлоте (нпр. од нерђајућег челика или бакра). Њихова адаптација на ПТФЕ захтева специјализоване технике екструзије или термоформирања. ПТФЕ се не обрађује топљењем на исти начин као термопласти; обично се екструдира рамом или пастом. Формирање прецизних удубљења или набора у ПТФЕ-у се постиже проласком цеви кроз низ загрејаних калупа или коришћењем процеса ротационог бушења након синтеровања. За мале пречнике (обично 6‑25 мм), континуиране валовите ПТФЕ цеви су комерцијално доступне од специјализованих произвођача.
Дебљина зида мора се пажљиво контролисати. Превише танак зид може да се сруши под унутрашњим притиском на врховима валовитости; предебео зид смањује савијање потребну за формирање чврстих набора. Типичне дебљине зида за валовите ПТФЕ цеви размењивача топлоте крећу се од 0,8 до 2,0 мм, у зависности од пречника и степена притиска.
Ефекти режима пада притиска и протока
У ламинарном току (Ре < 2000), рупице и набори имају драматичан ефекат. Они изазивају рани прелазак на нестабилан режим протока којим доминира мешање чак и при ниским Рејнолдсовим бројевима, повећавајући Нуселтов број за 40-80% у поређењу са глатком цеви. Казна за пад притиска је такође значајна, јер је проток принуђен да се убрзава и успорава више пута.
Код турбулентног струјања (Ре > 4000), релативно побољшање је мање-често 20-40%-јер инхерентна турбуленција већ обезбеђује добро мешање. Међутим, повећање пада притиска такође има тенденцију да буде ниже у процентима. Добро дизајнирана цев са удубљењем може постићи фактор топлотних перформанси (однос побољшања преноса топлоте и повећања трења на 1/3 снаге) већи од 1,2, што указује на нето уштеду енергије у поређењу са глатком цеви за исту снагу пумпања.
Табела испод сумира типичне опсеге перформанси за удубљене или валовите ПТФЕ цеви у односу на глатке ПТФЕ цеви, засноване на течностима налик води на Ре=2000-5000.
| Параметар | Типични опсег побољшања |
|---|---|
| Побољшање Нуселтовог броја (коефицијента преноса топлоте). | +20% до +60% |
| Повећање фактора трења (пад притиска). | +30% до +100% |
| Фактор топлотних перформанси (η) | 1.1 – 1.3 |
Закључак
Удубљене или валовите ПТФЕ цеви нуде једноставну, пасивну методу за побољшање преноса топлоте уз одличну поузданост. Стварањем интегралне геометрије површине која нарушава гранични слој и промовише радијално мешање, ове цеви постижу умерено (20-60%) побољшање преноса топлоте без ризика од миграције уметка, отпора контакта или потешкоћа при чишћењу. Геометрија је посебно вредна у услугама које укључују честице, кристале или загађујуће течности где би одвојени уметци били непрактични. Геометрија цеви остаје важна варијабла у дизајну измењивача топлоте-а за ПТФЕ, валовити или удубљени облици обезбеђују убедљиву равнотежу перформанси, могућности чишћења и дугорочне робусности.
