Làm thế nào để ống PTFE có lõm hoặc gợn sóng cải thiện khả năng truyền nhiệt mà không cần chèn thêm?

Các vết lõm, nếp gấp hoặc hình xoắn ốc có thể được tạo ra trực tiếp trên chính ống thay vì thêm một thiết bị riêng biệt. Các bộ phận tích hợp này giúp làm gián đoạn dòng chảy và tăng khả năng truyền nhiệt mà không có nguy cơ miếng đệm bị lỏng hoặc gây tắc nghẽn.

Tại sao cần phải xem xét tăng cường thụ động bằng hình học ống
Trong nhiều quy trình hóa học và dược phẩm, độ tin cậy của bộ trao đổi nhiệt cũng quan trọng không kém hiệu suất nhiệt của chúng. Các phương pháp cải tiến truyền thống như chèn băng xoắn hoặc chèn cuộn dây có các bộ phận bên trong dễ bị dịch chuyển, mỏi hoặc tắc nghẽn. Một cách tiếp cận khác là tự thay đổi thành ống. Ống PTFE có vết lõm hoặc gợn sóng có bề mặt gồ ghề hoặc gợn sóng vốn có của ống. Không có mảnh riêng biệt nào có nghĩa là khả năng xảy ra hỏng hóc cơ học, kẹt vật chèn hoặc tắc nghẽn dòng chảy gần như được giảm thiểu.

Phương pháp này đặc biệt hấp dẫn để xử lý các chất lỏng có chứa chất rắn lơ lửng, bùn kết tinh hoặc môi trường dễ bị trùng hợp. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như vậy, một ống bên trong nhẵn có vết lõm hoặc lượn sóng được sử dụng để tạo ra sự chuyển động hỗn loạn mà không có vết nứt nơi các mảnh vụn có thể tích tụ.

Các vết lõm và nếp gấp lộn xộn với dòng chảy như thế nào
Ống PTFE có vết lõm hoặc nếp gấp là một ống có một loạt các vết lõm hoặc vết lõm định kỳ hoặc sự xen kẽ của sự giãn nở và co lại hoặc nếp gấp dọc theo chiều dài của nó. Khi chất lỏng chảy qua những khác biệt hình học này, lớp ranh giới tiếp giáp với bức tường liên tục bị phá vỡ và-được thiết lập lại. Các xoáy xoáy được tạo ra phía sau mỗi lúm đồng tiền hoặc gờ gợn sóng để tạo ra sự trộn xuyên tâm giữa chất lỏng lõi và vùng thành. Việc trộn làm mỏng lớp ranh giới nhiệt một cách hiệu quả và do đó tăng cường hệ số truyền nhiệt đối lưu.

Cơ chế tăng cường hoàn toàn khác với cơ chế chèn băng xoắn. Băng xoắn cung cấp một vòng xoắn ốc ổn định, nhưng các vết lõm và nếp gấp tạo ra sự hỗn loạn định kỳ cục bộ. Hiệu suất truyền nhiệt của ống PTFE dạng sóng có vết lõm nhìn chung là vừa phải hơn - trong phạm vi cải thiện 20-60% so với ống trơn - nhưng với mức tăng giảm áp suất nhỏ hơn tương ứng, thường là từ 30-100%.

Trong thực tế, các tham số hình học (độ sâu vết lõm, độ gấp nếp và chiều cao) có thể được đặt để cân bằng-giữa mức tăng truyền nhiệt và tổn thất ma sát. Các nếp gấp ngắn hơn hoặc các vết lõm sâu hơn tạo ra nhiễu loạn mạnh hơn nhưng cũng mang lại lực cản lớn hơn. Các mẫu dài hơn, nông hơn mang lại dòng chảy mượt mà hơn với mức tăng vừa phải hơn.

Ưu điểm của các phần chèn riêng biệt
Ống PTFE có vết lõm hoặc gợn sóng có nhiều ưu điểm thực tế khác nhau so với băng xoắn hoặc các vật liệu chèn rời khác:

sự hình thành dai dẳng của hình học chèn trong thành ống. Không có nguy cơ di chuyển hạt dao: Không có cơ hội để hạt dao dịch chuyển xuôi dòng, làm bị thương các đầu ống hoặc chạm vào tấm ống.

Không có điện trở tiếp xúc bổ sung: Với một miếng đệm riêng biệt, điện trở tiếp xúc nhiệt nằm giữa miếng đệm và thành ống. Không có lực cản bổ sung vì không có giao diện với các vết lõm hoặc nếp gấp tích hợp.

Dễ dàng kiểm tra và vệ sinh Bên trong ống lượn sóng vẫn là kênh thông thoáng, không bị cản trở. Thông thường chỉ cần dùng một con lợn hoặc bàn chải làm sạch là đủ. Làm sạch ống bằng băng xoắn có thể cần phải tháo vật chèn ra.

Giảm nguy cơ mài mòn cơ học: Các miếng chèn xoáy có thể gây rung và mài mòn thành ống PTFE theo thời gian, đặc biệt là ở tốc độ dòng chảy cao hơn. Hình học tích phân không có chuyển động tương đối giữa ống và tính năng nâng cao.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) chèn băng xoắn tốt hơn so với các ống lõm hoặc lượn sóng. Tuy nhiên, thiết kế ống tích hợp là lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng có thể chấp nhận được sự cải thiện nhẹ và độ tin cậy là vô cùng quan trọng.

Gia công PTFE
Các ống lượn sóng và lõm thường được sử dụng trong các bộ trao đổi nhiệt bằng kim loại (ví dụ như thép không gỉ, đồng). Cần có một số quy trình ép đùn hoặc tạo hình nhiệt độc đáo để ứng dụng chúng vào PTFE. PTFE không thể được xử lý nóng chảy như nhựa nhiệt dẻo. PTFE thường được ép đùn hoặc ép đùn. Phương pháp đục lỗ quay-có thể được áp dụng cho PTFE sau khi thiêu kết để tạo ra các vết lõm hoặc nếp gấp chính xác hoặc có thể sử dụng một loạt các khuôn được gia nhiệt để kéo ống. Ống PTFE dạng sóng liên tục có sẵn trên thị trường từ các nhà sản xuất chuyên nghiệp với đường kính khiêm tốn (thường là 6-25mm).

Việc kiểm soát độ dày của tường phải rất nghiêm ngặt. Tường có thể quá mỏng và có thể bị sập dưới áp lực bên trong ở đỉnh các nếp gấp; tường có thể quá dày và độ tuân thủ uốn cần thiết để tạo ra độ gấp nếp bị giảm. Độ dày thành của ống trao đổi nhiệt PTFE dạng sóng thường nằm trong khoảng 0,8 đến 2,0 mm tùy thuộc vào đường kính và định mức áp suất.

Ảnh hưởng của chế độ dòng chảy và tổn thất áp suất
Trong dòng chảy tầng (Re < 2000), sự hiện diện của các vết lõm và nếp gấp có ảnh hưởng đáng kể. Ngay cả ở số Reynolds thấp, chúng cũng kích hoạt quá trình chuyển đổi sớm sang chế độ dòng chảy-không ổn định, trộn lẫn, làm tăng số Nusselt lên 40-80% so với ống trơn. Ngoài ra, ảnh hưởng của tổn thất áp suất là rất quan trọng vì dòng chảy buộc phải tăng tốc và giảm tốc liên tục.

Trong dòng chảy rối (Re > 4000), mức cải thiện tương đối ít hơn - thường xuyên là 20-40% - vì dòng chảy rối tự nhiên đã đảm bảo việc trộn hiệu quả. Tuy nhiên tỷ lệ tăng phần trăm giảm áp suất có xu hướng thấp hơn. Một ống có vết lõm được chế tạo đúng cách có thể có hệ số hiệu suất nhiệt (tỷ lệ giữa cải thiện truyền nhiệt và tăng ma sát lên 1/3 công suất) tốt hơn 1,2, điều này cho thấy mức tiết kiệm năng lượng ròng so với ống trơn có cùng công suất bơm.

Bảng dưới đây tóm tắt các phạm vi hiệu suất điển hình của ống PTFE có vết lõm hoặc gợn sóng so với ống PTFE trơn dựa trên chất lỏng giống nước ở Re=2000-5000.

Tham số Phạm vi cải tiến điển hình Cải thiện số Nusselt (hệ số truyền nhiệt) ++20% đến +60%
Hệ số ma sát (giảm áp suất) tăng +30% lên +100%
Hệ số hiệu suất nhiệt (η) 1,1-1,3 Kết luận
Các ống PTFE có lõm hoặc lượn sóng mang lại một cách đơn giản, thụ động để cải thiện khả năng truyền nhiệt với độ tin cậy rất cao. Các ống được thiết kế để tạo ra các dạng hình học bề mặt tích hợp giúp phá vỡ lớp ranh giới và thúc đẩy sự trộn xuyên tâm, dẫn đến mức tăng truyền nhiệt khiêm tốn (20-60%) mà không có khả năng xảy ra các vấn đề về di chuyển hạt dao, điện trở tiếp xúc hoặc làm sạch. Hình dạng này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng chứa các hạt, tinh thể hoặc chất lỏng gây tắc nghẽn trong đó việc chèn riêng biệt sẽ gặp vấn đề. Hình dạng ống vẫn là một khía cạnh quan trọng trong thiết kế bộ trao đổi nhiệt – và với PTFE, hình dạng lõm hoặc lượn sóng mang lại sự kết hợp hấp dẫn giữa hiệu suất, khả năng làm sạch và khả năng phục hồi lâu dài.