Com afecta la relació de pas d'una inserció de cinta retorçada la transferència de calor als tubs de PTFE?

Una cinta retorçada col·locada dins d'un tub de PTFE genera un flux giratori que augmenta la transmissió de calor. El grau d'aquest remolí i la compensació de rendiment resultant estan controlats directament per la relació de to del gir, representat com l'estanquitat del gir.

Quina és la proporció de pas a les insercions de cinta retorçada?
La relació de pas és la relació entre la longitud necessària per fer un gir complet de 360 ​​graus (la longitud de pas) a l'amplada de la cinta. Per exemple, una cinta que fa un gir complet a una distància igual a la seva pròpia amplada té una relació de pas d'1. Si la cinta s'enrotlla completament a través d'una longitud cinc vegades la seva amplada, la proporció de tonalitats és de 5. Relació de to baixa=gir molt ajustat i violent . Relació de to alta=gir més fluix i suau .

En realitat, les insercions de cinta retorçada per a tubs de PTFE estan construïdes amb PTFE o PFA (perfluoroalcoxi alcà) per garantir una compatibilitat química total amb fluids de procés altament corrosius. Això garanteix que no hi hagi contaminacions metàl·liques ni problemes de corrosió galvànica fins i tot amb àcids potents, dissolvents o mitjans ultrapurs.

Efecte de la relació de pas sobre el remolí i la transferència de calor
Quan el fluid travessa un tub que conté una cinta retorçada, la cinta empeny el corrent per seguir un patró helicoïdal. Aquest remolí genera forces centrífugues que condueixen el fluid més pesat cap a la paret del tub, per tant aprimant efectivament la capa límit tèrmica. Això correspon a un coeficient de transferència de calor convectiva més gran o un nombre de Nusselt més alt.

La relació de to és directament responsable de la força del remolí. La component de velocitat tangencial més forta és causada per un gir més ajustat (relació de to més baixa, p. ex. . 2). De manera que la millora de la transferència de calor normalment indicada com la relació entre el nombre de Nusselt amb la inserció i la d'un tub normal pot ser de fins a un 150% o més. No obstant això, aquest gir ràpid també condueix a una fricció del fluid substancialment més alta, la qual cosa condueix a un gran augment de la caiguda de pressió, sovint en el rang del 200-600% en comparació amb un tub buit.

D'altra banda, un gir més fluix (proporció de to més alta, per exemple . 5 o 6) donarà un remolí més suau. La millora de la transferència de calor és relativament modesta-normalment un 50-80% sobre el valor del tub normal, però la penalització de la caiguda de pressió és proporcionalment menor, sovint només un 100-200% més alta.

La relació de pas de la cinta retorçada i el rendiment de transferència de calor de PTFE no estan relacionats-linealment. La reducció de la relació de pas de 6 a 2 provoca un augment desproporcionadament significatiu tant de la transferència de calor com de la fricció. Per tant, la relació de pas òptima no és una xifra fixa, sinó que depèn totalment de la potència de bombeig admissible i del servei tèrmic desitjat.

Recomanacions pràctiques de disseny per a tubs de PTFE
En el cas dels tubs de PTFE, sovint es tria una relació de pas de 3 a 5 si la caiguda de pressió no és un factor limitant. Aquest rang representa un bon compromís: un augment del coeficient de transferència de calor d'un 80-120% amb un augment de la caiguda de pressió del 200-350%. En general, aquests valors són tolerables en la majoria d'aplicacions de processos químics, especialment quan la longitud del tub és moderada (per exemple, intercanviadors de calor de carcassa i tub o bobina d'immersió).

Cal tenir en compte que els propis tubs de PTFE tenen una conductivitat tèrmica relativament baixa (ca . 0.25 W/mK). En general, la resistència a la calor principal es troba a la paret del tub o a la pel·lícula de fluid interior. L'ús d'un insert de cinta retorçada amb una relació de pas adequada pot reduir significativament la resistència interna de la pel·lícula i, per tant, moure la resistència de control a l'altre costat de l'intercanviador de calor. Això fa que el disseny complet sigui més equilibrat i rendible.

Es pot seleccionar una relació de to alt de 6 a 8 per a aplicacions en què la caiguda de pressió està molt limitada, com ara sistemes d'alimentació per gravetat-o escalfadors de gas-baixa pressió. Això proporciona prou remolí per restringir el flux laminar i augmentar la barreja radial, però la penalització de fricció encara és tolerable.

Alternativament, es pot seleccionar una relació de pas de 2 a 3 si es requereix la màxima transferència de calor independentment de la pèrdua de pressió (per exemple, en calefacció d'alta viscositat, o quan els costos de bombeig són insignificants). En aquests casos, el coeficient de transferència de calor es pot augmentar fins a un 150%. El dissenyador s'ha d'assegurar que la bomba o el ventilador puguin proporcionar la pressió més alta.

Altres consideracions d'enginyeria
La longitud de l'entrada tèrmica es redueix encara més gràcies a les insercions de cinta retorçada als tubs de PTFE, donant lloc a un comportament turbulent-completament desenvolupat, fins i tot amb nombres de Reynolds baixos (Re < 2000). Això és especialment útil en fluxos lents o en tubs de petit diàmetre on la turbulència genuïna requeriria velocitats de flux poc pràctiques.

Heu de tenir en compte les toleràncies de fabricació. La substància PTFE és més flexible, cosa que fa que sigui més difícil fer una cinta ben retorçada (relació de to baixa). Per a relacions de pas molt baixes (per sota d'aproximadament 2,5), el PFA és generalment afavorit a causa de la seva major rigidesa i una millor retenció de la forma de gir a temperatures creixents.

La relació de camp també afecta la neteja i el manteniment. Les cintes amb proporcions de pas molt baixes (girs ajustats) tendeixen a recollir partícules més fàcilment i són més difícils d'eliminar per netejar-les. En la seva major part, una relació de pas de 4 o més proporciona un recorregut axial suficientment obert perquè passin els residus o per introduir un porc de neteja.

Resum
La relació de pas d'una inserció de cinta retorçada és la palanca de disseny principal per controlar la transmissió de calor contra la pèrdua de pressió-en tubs de PTFE. S'obtenen un remolí fort i una millora-de transferència de calor elevada amb una relació de to més baixa (gir més ajustat) al preu d'un gran augment de les pèrdues per fricció. Les ràtios de to més altes (girs més fluixos) donen com a resultat un impuls més suau i més eficient d'energia-. Una relació de pas entre 3 i 5 proporciona un excel·lent equilibri per a la majoria d'aplicacions de manipulació de fluids corrosius. L'optimització de la forma de la inserció, inclosa la relació de pas, segueix sent un factor crucial per millorar el rendiment de l'intercanviador de calor sense comprometre la compatibilitat química o la integritat del material.