Com afecta l'ús d'inserts de cinta retorçada fets de material conductor (per exemple, metall) el rendiment en comparació amb els inserts de PTFE?

És una cinta retorçada de PTFE senzilla que promou la transferència de calor fent girar el flux. Una cinta metàl·lica fa el mateix, però també transmet calor de la paret del tub cap a si mateixa, funcionant essencialment com una aleta interna. Això condueix a una millora convectiva sobre la conductora.

Dos mecanismes d'inserció de cinta retorçada
Qualsevol inserció de cinta retorçada en qualsevol material produeix un canal de flux helicoïdal dins del tub. El remolí generat produeix forces centrífugues que empenyen el fluid cap a la paret del tub, donant lloc a un aprimament de la capa límit tèrmica i un augment del coeficient de transferència de calor convectiva. Aquest mecanisme de remolí per si sol pot augmentar el nombre de Nusselt en un 100-150% sobre un tub buit depenent de la relació de to.

Hi ha un efecte d'aleta addicional si la cinta en si és un material tèrmicament conductor (per exemple, acer inoxidable, Hastelloy, titani, aliatges de coure). La cinta està en contacte directe amb la paret del tub (generalment ajust de molla o ajust d'interferència suau). la calor flueix a la cinta des de la paret calenta i el cos complet de la cinta s'escalfa. Aleshores, la cinta lliura l'energia emmagatzemada al fluid que passa des d'ambdues superfícies àmplies. Això li dóna a la secció transversal-del tub una àrea de transferència de calor addicional, com una mena d'aleta longitudinal interna.

Rendiment de la cinta conductora i no conductora
Una cinta retorçada d'un material no-conductor, com ara un PTFE o un PFA, només pot proporcionar la millora del remolí convectiu. El PTFE té una conductivitat tèrmica molt pobra (aproximadament . 0.25 W/mK), per tant, gairebé no hi ha transmissió de calor de la paret a la cinta. La cinta es manté a una temperatura aproximadament local del fluid i no aporta cap impacte d'aleta.

D'altra banda, una cinta metàl·lica retorçada podria tenir una conductivitat tèrmica de l'ordre de magnitud superior. Acer inoxidable (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) o coure (~400 W/m·K). Amb un bon contacte tèrmic que es manté entre la cinta i la paret del tub, l'avantatge conductor millora considerablement la transferència general de calor. A la disposició de tubs de PTFE amb inserció de cinta retorçada conductora, l'efecte de remolí i aleta normalment proporciona un augment de la transferència de calor addicional del 20-30% sobre la cinta no conductora en les mateixes circumstàncies de flux.

Per a una cinta retorçada de PTFE, el nombre de Nusselt augmenta un 120% (2,2 vegades el valor d'un tub buit), però una cinta metàl·lica-ben dissenyada amb la mateixa geometria podria augmentar-la un 150-170% (2,5-2,7 vegades). El guany real depèn del gruix de la cinta, de la conductància de contacte tèrmic i de les característiques del fluid. L'avantatge conductor és més gran quan el coeficient de pel·lícula a la paret del tub ja és gran, de manera que l'efecte de l'aleta no està limitat per la resistència de la interfície de la cinta de paret.

La conclusió: bon contacte tèrmic
La cinta metàl·lica ha d'estar en contacte tèrmic íntim amb la paret interior del tub de PTFE per aconseguir l'efecte d'aleta. Això es fa generalment fent que l'amplada de la cinta sigui una mica més gran que el diàmetre interior del tub de manera que s'insereixi amb un ajust de molla. La flexibilitat intrínseca de la cinta metàl·lica (o un modest gir de gran mida) empeny les vores de la cinta contra la paret del tub. Tanmateix, un ajustament massa-pode danyar el tub de PTFE o fer impossible la inserció. Un ajust massa fluix crea un buit d'aire, que és un bon aïllant tèrmic i nega l'efecte de l'aleta.

A la pràctica, les cintes metàl·liques retorçades per a tubs de PTFE es fabriquen habitualment amb una amplada de 0,95 a 1,00 de l'ID del tub, utilitzant la forma helicoïdal per proporcionar contactes puntuals en lloc de contacte de línia completa. L'àrea de contacte real és limitada i l'eficàcia de l'aleta es redueix. Però fins i tot quan el contacte és només parcial, la conductivitat augmenta una mica, ja que la cinta absorbeix calor als llocs de contacte i la porta al llarg de la seva longitud. Els dissenys més sofisticats utilitzen una cinta més gruixuda o una vora plegada per millorar l'àrea de contacte.

Risc de corrosió i contaminació
Un risc important a controlar és la corrosió galvànica i la contaminació metàl·lica. Fins i tot quan la cinta metàl·lica mateixa es selecciona per a la compatibilitat amb el fluid del procés (per exemple, Hastelloy C-276 per a clorurs agressius o titani per a àcids oxidants), la introducció d'un component metàl·lic dins d'un tub de PTFE presenta dos escenaris de fallada potencial.

En primer lloc, si el fluid del procés corroeix el metall a la temperatura de funcionament, la cinta es corroirà lentament. Els productes de corrosió (ions metàl·lics o partícules) poden filtrar-se al fluid i contaminar el producte. Això és inadequat en aplicacions farmacèutiques, alimentàries o químiques ultra-pures. El punt complet d'un tub de PTFE sol ser per evitar el contacte amb el metall. L'ús d'una cinta metàl·lica va en contra d'aquest propòsit.

En segon lloc, encara que la cinta sigui resistent a la corrosió, encara es pot crear un parell galvànic si hi ha algun altre component metàl·lic al sistema (per exemple, una làmina de tubs metàl·lics, un impulsor de bomba o una vàlvula aigües avall). Sempre que no toqui cap element metàl·lic exterior, la cinta està aïllada elèctricament d'ells - el tub de PTFE és un aïllant elèctric. No obstant això, si la cinta entra en contacte amb un extrem metàl·lic, o si el fluid utilitzat és elèctricament conductor (per exemple, electròlit aquós), es pot construir un circuit galvànic a través del fluid. El metall més noble (per exemple, el titani) podria promoure la corrosió del menys noble (per exemple, l'acer al carboni) en altres llocs del sistema.

Quan s'ha d'utilitzar la cinta retorçada de metall o PTFE
Depenent de les prioritats de l'aplicació, l'opció és entre una cinta metàl·lica conductora o una cinta de PTFE no-conductora.

Quan s'utilitza la cinta metàl·lica retorçada:

El fluid de procés no és-corrosiu per al metall seleccionat (p. ex. aigua desionitzada, dissolvents orgànics suaus, salmorres neutres).

Necessita la màxima transmissió de calor per unitat de longitud, la potència de bombeig ja està limitada.

Es permet la compatibilitat de fluids i la contaminació del producte no és un problema (p. ex., química industrial no-farmacèutica).

És possible un bon contacte tèrmic sense danyar el tub de PTFE.

Seleccioneu PTFE o PFA Twisted Tape per a:

El fluid del procés és molt corrosiu (àcids forts, àlcalis, halògens, agents oxidants).

Evitar la contaminació amb ions metàl·lics (síntesi d'API farmacèutica, refrigeració de semiconductors, processament d'aliments).

La temperatura de treball està més enllà del límit de corrosió dels aliatges disponibles, però per sota dels 110 graus (PTFE) o dels 260 graus (PFA).

La simplicitat i la provada inercia química superen la millora del rendiment del 20-30% d'una cinta metàl·lica.

Per a serveis extremadament corrosius, malgrat la pèrdua de l'efecte de l'aleta, s'utilitzen cintes de PTFE o PFA, ja que la fiabilitat i la puresa que proporcionen no són-negociables.

Resum del rendiment de les cintes-conductores i no conductores
Paràmetre Cinta PTFE (no-conductora) Cinta metàl·lica (conductora).
Mecanisme de transferència de calor Només remolí Remolí + impacte d'aleta
Augment de Nu típic (sobre el tub buit) 100-150% 130-180%
Guany addicional de conductivitat - +20-30 % en relació amb la cinta de PTFE
Requisit de contacte tèrmic No aplicable (sense impacte d'aleta) Imprescindible ajust de molla - crític
Risc de corrosió Cap (inert a tots els productes químics fins a 110 graus) Depèn de la compatibilitat amb fluids-metalls
Risc de contaminació metàl·lica Cap possible (corrosió o desgast)
Temperatura màxima 110 graus (PTFE); 260 graus (PFA) depenent de l'aliatge (per exemple, inoxidable 400 graus)
Cost Moderat (PTFE extruït) Alt (mecanitzat o estampat metàl·lic)
Un exemple de treball: escalfament d'un corrent aquós neutre
Suposem que s'utilitza un intercanviador de calor de PTFE per escalfar un corrent d'aigua neutre i lliure de clor{0}de 20 a 60 graus . El remolí per si sol milloraria la transmissió de calor amb una inserció de cinta retorçada de PTFE. L'efecte d'aleta es pot introduir substituint-lo per una cinta retorçada d'acer inoxidable 316, adequadament ajustada a la paret del tub. El coeficient global de transferència de calor es pot augmentar de 150 W/m²·K a 190 W/m²·K (27%). El fluid no és-corrosiu per a l'acer inoxidable a 60 graus i no produeix una lixiviació de metall considerable. L'augment de rendiment permet un intercanviador de calor reduït o un cabal més baix per al mateix servei.

En la mateixa aplicació, però una salmorra lleugerament àcida (pH 4, 1000 ppm de clorur) l'acer inoxidable 316 estaria subjecte a corrosió per picat. El cost seria molt elevat, requerint una cinta Hastelloy C-276. Una altra opció és anar amb el rendiment més barat de la cinta de PTFE que evita completament el problema de corrosió.

Resum
Aplicant cintes metàl·liques retorçades a les cintes de plàstic, es pot aconseguir un efecte d'aleta conductora, que pot millorar el rendiment de la transferència de calor en un 20-30%. No obstant això, aquest benefici només es realitza si es manté un bon contacte tèrmic amb la paret del tub i, el que és més important, si el metall és totalment compatible amb el fluid de procés. Per a operacions delicades com la síntesi farmacèutica o el processament químic d'alta puresa, el benefici de la calor es veu eclipsat per qualsevol risc de corrosió o contaminació metàl·lica. La selecció del material per als dispositius de millora ha de ser tan acurada com per al mateix intercanviador; per a molts serveis corrosius o sensibles a la puresa, la inercia d'una cinta de PTFE o PFA segueix sent l'opció superior malgrat l'absència de l'efecte d'aleta.