Com afecta la geometria de la inserció del turbulador el rendiment tèrmic dels tubs d'intercanviador de calor de PTFE?

La transmissió de calor interior al tub llis de PTFE és deficient a causa de la tendència al flux laminar. Però la inserció d'un dispositiu amb forma, un turbulador, al tub pot afectar dràsticament el patró de flux, augmentant la turbulència i el coeficient de transferència de calor. La geometria de la inserció del turbulador és un factor important en l'èxit del procés d'intercanvi de calor i influeix en el rendiment tèrmic així com en la caiguda de pressió.

Formes típiques d'insercions de turbuladors
Els intercanviadors de calor de PTFE sovint utilitzen molts tipus d'insercions de turbuladors per augmentar la turbulència al costat del tub i millorar la transmissió de calor. Les tres geometries més habituals emprades són les cintes retorçades, les bobines de filferro i les insercions ondulades o ondulades.

Cintes trencades
Les cintes retorçades són tires helicoïdals de material que es posen dins del tub per induir un flux de remolí que condueix el fluid cap a les parets del tub. Aquesta geometria trenca considerablement el flux laminar que afavoreix la turbulència i augmenta el coeficient de transferència de calor. Un dels dissenys de turbuladors més eficients i utilitzats a la pràctica per augmentar la transferència de calor als intercanviadors de calor de PTFE és la cinta retorçada. El flux de remolí que generen millora la mescla del fluid, donant lloc a una major distribució de la calor sobre la superfície del tub.

Enrotllament de filferro
Un altre enfocament freqüent per millorar la turbulència dins dels tubs de PTFE és utilitzar insercions-com a molla o bobines de filferro. A mesura que el fluid travessa el tub, aquestes bobines disparan la capa límit. El moviment caòtic interromp el flux laminar. Les bobines de filferro fan que el fluid es mogui de manera irregular, augmentant així la velocitat de transferència de calor. És interessant observar que les bobines de filferro donen una manera equilibrada d'augmentar la turbulència sense crear molta obstrucció al corrent de flux.

Inserció ondulada o ondulada
Les insercions ondulades o ondulades creen petits vòrtexs localitzats al corrent de flux. Aquests vòrtexs proporcionen turbulència en el flux de fluid a través de la superfície de la inserció, augmentant així el coeficient de transferència de calor. Les insercions amb cavitats són menys invasives que les cintes retorçades o les bobines de filferro, però són especialment beneficioses en aplicacions on és important mantenir una baixa caiguda de pressió. A la pràctica, sovint s'apliquen sistemes amb insercions ondulades o corrugades on es busca un augment moderat de la transferència de calor amb un efecte mínim sobre la potència de bombeig.

Comerç de rendiment-Fort transferència de calor versus caiguda de pressió
Cada geometria d'inserció del turbulador augmenta el nombre de Nusselt-del costat del tub, una quantitat adimensional que és una mesura del rendiment de la transferència de calor. Tanmateix, aquestes geometries condueixen a un augment de la caiguda de pressió a través de l'intercanviador de calor que pot contribuir a augmentar les despeses de bombeig. La millor elecció de la forma d'inserció del turbulador ve determinada pel compromís entre l'augment de la transferència de calor i la caiguda de pressió admissible.

En general, les cintes retorçades proporcionen el major augment de la transferència de calor, però també un augment significatiu de la pèrdua de pressió. Les bobines de filferro proporcionen un punt mitjà en termes de transferència de calor i caiguda de pressió i, per tant, rendiment i eficiència energètica. Les insercions amb cavitats proporcionen la caiguda de pressió més baixa, però proporcionen una millora de transferència de calor menor en comparació amb les altres dues alternatives.

L'elecció d'una inserció de turbulador òptima dependrà de la tasca de transferència de calor que s'ha de realitzar i de la potència de bombeig admissible al sistema. En sistemes de cabal alt o quan el consum d'energia és un problema principal, és ideal un disseny d'inserció de turbulador més moderat, com ara bobines de filferro o forats.

Taula de comparació de tipus de turbuladors
L'efecte del tipus de turbulador sobre la caiguda de pressió en la millora de la transferència de calor
Cintes retorçades Alta Alta Bobines de filferro Moderada Moderada
Dimpled Inserts Mitjana Baixa Conclusió
Les insercions del turbulador són una actualització pràctica i rendible per millorar el rendiment tèrmic dels tubs d'intercanviador de calor de PTFE. Aquestes insercions augmenten les velocitats de transferència de calor augmentant la turbulència al costat del tub. Això és especialment útil per a un material amb baixa conductivitat tèrmica com el PTFE. La geometria de la inserció del turbulador s'ha de triar amb cura per aconseguir la millora desitjada en la transferència de calor, mantenint la caiguda de pressió en un rang acceptable. La millora de la transferència de calor continua sent una àrea important d'innovació per al processament tèrmic. El desenvolupament de nous dissenys i materials de turbulador és probable que produeixi guanys de rendiment encara més elevats.