Tỷ lệ bước của miếng chèn băng xoắn ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt trong ống PTFE như thế nào?

Một băng xoắn được đặt trong ống PTFE tạo ra dòng xoáy làm tăng khả năng truyền nhiệt. Mức độ của vòng xoáy này và sự cân bằng hiệu suất thu được được kiểm soát trực tiếp bởi tỷ lệ bước của vòng xoắn - được biểu thị bằng độ chặt của vòng xoắn.

Tỷ lệ cao độ trong phần chèn băng xoắn là gì?
Tỷ lệ bước là tỷ lệ giữa chiều dài cần thiết để thực hiện một vòng xoắn 360 độ (chiều dài bước) với chiều rộng của băng. Ví dụ: một cuộn băng thực hiện một vòng quay hoàn chỉnh trong một khoảng cách bằng chiều rộng của chính nó có tỷ lệ bước là 1. Nếu cuộn băng cuộn hoàn toàn trên chiều dài gấp 5 lần chiều rộng của nó thì tỷ lệ bước là 5. Tỷ lệ bước thấp=rất chặt, xoắn dữ dội . Tỷ lệ cao độ=lỏng lẻo hơn, xoắn nhẹ nhàng hơn .

Trên thực tế, các miếng băng xoắn cho ống PTFE được làm bằng PTFE hoặc PFA (perfluoroalkoxy alkane) để đảm bảo khả năng tương thích hóa học hoàn toàn với chất lỏng xử lý có tính ăn mòn cao. Điều này đảm bảo không gây ô nhiễm kim loại hoặc các vấn đề ăn mòn điện ngay cả với axit mạnh, dung môi hoặc môi trường siêu tinh khiết.

Ảnh hưởng của tỷ lệ bước đến độ xoáy và truyền nhiệt
Khi chất lỏng đi qua một ống chứa một dải xoắn, băng sẽ đẩy dòng chảy theo mô hình xoắn ốc. Vòng xoáy này tạo ra lực ly tâm đẩy chất lỏng nặng hơn về phía thành ống, do đó làm mỏng lớp ranh giới nhiệt một cách hiệu quả. Điều này tương ứng với hệ số truyền nhiệt đối lưu lớn hơn hoặc số Nusselt cao hơn.

Tỷ lệ cao độ chịu trách nhiệm trực tiếp cho độ mạnh của xoáy. Thành phần vận tốc tiếp tuyến mạnh hơn là do độ xoắn chặt hơn (tỷ lệ bước thấp hơn, ví dụ:. 2). Như vậy, sự cải thiện truyền nhiệt thường được biểu thị bằng tỷ lệ giữa số Nusselt với phần chèn với số của ống trơn có thể lên tới 150% hoặc hơn. Tuy nhiên, việc quay nhanh này cũng dẫn đến ma sát chất lỏng cao hơn đáng kể, dẫn đến sự gia tăng độ sụt áp rất lớn, thường ở khoảng 200-600 % so với ống rỗng.

Mặt khác, độ xoắn lỏng hơn (tỷ lệ cao độ cao hơn, ví dụ:. 5 hoặc 6) sẽ tạo ra độ xoáy nhẹ nhàng hơn. Mức tăng cường truyền nhiệt tương đối khiêm tốn-thường là 50-80% so với giá trị ống thông thường-nhưng mức giảm áp suất giảm theo tỷ lệ thấp hơn, thường chỉ cao hơn 100-200%.

Tỷ lệ bước băng xoắn và hiệu suất truyền nhiệt của PTFE không-có liên quan tuyến tính. Việc giảm tỷ lệ bước từ 6 xuống 2 dẫn đến sự gia tăng đáng kể cả về truyền nhiệt và ma sát. Do đó, tỷ lệ bước tối ưu không phải là một con số cố định mà phụ thuộc hoàn toàn vào công suất bơm cho phép và công suất nhiệt mong muốn.

Khuyến nghị thiết kế thực tế cho ống PTFE
Trong trường hợp ống PTFE, tỷ lệ bước từ 3 đến 5 thường được chọn nếu độ giảm áp suất không phải là yếu tố hạn chế. Phạm vi này thể hiện sự thỏa hiệp tốt: hệ số truyền nhiệt tăng khoảng 80-120% với mức giảm áp suất tăng 200-350%. Nói chung, các giá trị này có thể chấp nhận được trong hầu hết các ứng dụng xử lý hóa học, đặc biệt khi chiều dài ống vừa phải (ví dụ như bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống hoặc cuộn dây ngâm).

Cần lưu ý rằng bản thân các ống PTFE có độ dẫn nhiệt tương đối thấp (ca. 0.25 W/mK). Nói chung, khả năng chịu nhiệt chính nằm ở thành ống hoặc màng chất lỏng bên trong. Việc sử dụng băng xoắn chèn với tỷ lệ bước thích hợp có thể làm giảm đáng kể điện trở màng bên trong và do đó di chuyển điện trở điều khiển sang phía bên kia của bộ trao đổi nhiệt. Điều này làm cho thiết kế đầy đủ cân bằng hơn và tiết kiệm chi phí hơn.

Tỷ lệ cường độ cao từ 6 đến 8 có thể được chọn cho các ứng dụng trong đó độ giảm áp suất bị hạn chế nhiều chẳng hạn như hệ thống cấp liệu bằng trọng lực-hoặc lò sưởi khí áp suất-thấp. Điều này cung cấp đủ độ xoáy để hạn chế dòng chảy tầng và tăng sự trộn lẫn xuyên tâm, nhưng lực ma sát vẫn có thể chấp nhận được.

Ngoài ra, có thể chọn tỷ lệ bước từ 2 đến 3 nếu cần truyền nhiệt tối đa bất kể tổn thất áp suất (ví dụ: khi gia nhiệt có độ nhớt cao hoặc khi chi phí bơm không đáng kể). Trong những trường hợp như vậy, hệ số truyền nhiệt có thể tăng lên tới 150%. Người thiết kế phải đảm bảo máy bơm hoặc quạt gió có thể cung cấp cột áp cao hơn.

Những cân nhắc kỹ thuật sâu hơn
Chiều dài lối vào nhiệt được giảm hơn nữa bằng cách chèn băng xoắn trong ống PTFE, mang lại hành vi nhiễu loạn hoàn toàn-giống như ngay cả ở số Reynolds thấp (Re < 2000). Điều này đặc biệt hữu ích trong các dòng chảy chậm hoặc trong các ống có đường kính nhỏ, nơi mà sự nhiễu loạn thực sự đòi hỏi vận tốc dòng chảy không thực tế.

Bạn phải xem xét dung sai sản xuất. Chất PTFE dẻo hơn nên khó tạo ra băng xoắn chặt (tỷ lệ bước thấp). Đối với tỷ lệ bước rất thấp (dưới khoảng 2,5) PFA thường được ưa chuộng do độ cứng cao hơn và khả năng duy trì hình dạng xoắn tốt hơn khi nhiệt độ tăng.

Tỷ lệ sân cũng ảnh hưởng đến việc làm sạch và bảo trì. Băng có tỷ lệ bước rất thấp (xoắn chặt) có xu hướng thu thập các hạt dễ dàng hơn và khó tháo ra để làm sạch hơn. Trong hầu hết các trường hợp, tỷ lệ bước răng bằng 4 hoặc lớn hơn sẽ tạo ra đường trục mở đủ để chất thải đi qua hoặc để đưa lợn làm sạch vào.

Bản tóm tắt
Tỷ lệ bước của miếng chèn băng xoắn là đòn bẩy thiết kế chính để điều khiển quá trình truyền nhiệt chống lại sự đánh đổi giảm áp-trong ống PTFE. Vòng xoáy mạnh và khả năng tăng cường truyền nhiệt-cao đạt được với tỷ lệ bước thấp hơn (độ xoắn chặt hơn) với cái giá là tổn thất ma sát tăng lên đáng kể. Tỷ lệ cao độ cao hơn (xoắn lỏng hơn) mang lại khả năng tăng tốc nhẹ nhàng hơn, tiết kiệm năng lượng hơn-. Tỷ lệ bước từ 3 đến 5 mang lại sự cân bằng tuyệt vời cho hầu hết các ứng dụng xử lý chất lỏng ăn mòn. Tối ưu hóa hình dạng hạt dao bao gồm tỷ lệ bước vẫn là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt mà không ảnh hưởng đến khả năng tương thích hóa học hoặc tính toàn vẹn của vật liệu.