Як геометрія вставки турбулятора впливає на теплові характеристики трубок теплообмінника з ПТФЕ?

Внутрішня теплопередача в гладкій трубі з PTFE погана через тенденцію до ламінарного потоку. Але введення в трубу спеціального пристрою, турбулятора, може різко вплинути на схему потоку, підвищуючи турбулентність і коефіцієнт теплопередачі. Геометрія вставки турбулятора є важливим фактором успіху процесу теплообміну та впливає на теплові характеристики, а також на перепад тиску.

Типові форми турбуляторних вставок
Теплообмінники з ПТФЕ часто використовують багато типів турбуляторів, щоб збільшити турбулентність на стороні труби та покращити передачу тепла. Три найпоширеніші використовувані геометрії - це кручені стрічки, дротяні котушки та гофровані вставки.

Стрічки розірвані
Скручені стрічки — це спіральні смужки матеріалу, поміщені всередину трубки, щоб викликати завихрення, що спрямовує рідину до стінок трубки. Ця геометрія значно порушує ламінарний потік, що сприяє турбулентності та збільшує коефіцієнт тепловіддачі. Однією з найбільш ефективних і використовуваних на практиці конструкцій турбуляторів для підвищення тепловіддачі в теплообмінниках з ПТФЕ є кручена стрічка. Вихровий потік, який вони створюють, покращує перемішування рідини, що призводить до більшого розподілу тепла по поверхні труби.

Намотування дроту
Ще один поширений підхід для посилення турбулентності всередині PTFE труб — використання пружин-вставок або дротяних котушок. Коли рідина проходить через трубку, ці котушки стикаються з прикордонним шаром. Хаотичний рух перериває ламінарний потік. Дротові котушки змушують рідину рухатися нерівномірно, тим самим збільшуючи швидкість теплопередачі. Цікаво відзначити, що дротяні котушки забезпечують збалансований спосіб збільшення турбулентності, не створюючи особливих перешкод для потоку.

Вставка з ямками або гофрою
Ямчасті або гофровані вставки створюють невеликі локалізовані завихрення в потоці потоку. Ці вихори створюють турбулентність потоку рідини через поверхню вставки, збільшуючи таким чином коефіцієнт теплопередачі. Вставки з поглибленнями є менш агресивними, ніж кручені стрічки або дротяні котушки, але особливо корисні у випадках, коли важливо підтримувати низький перепад тиску. На практиці системи з ямками або гофрованими вставками часто застосовуються там, де потрібно помірне збільшення теплопередачі з мінімальним впливом на потужність насоса.

Теплопередача та падіння тиску
Геометрія кожної вставки турбулятора збільшує число Нуссельта -на стороні труби, безрозмірну величину, яка є мірою ефективності теплопередачі. Однак така геометрія призводить до збільшення перепаду тиску в теплообміннику, що може сприяти збільшенню витрат на перекачування. Найкращий вибір форми вставки турбулятора визначається компромісом між збільшенням тепловіддачі та допустимим перепадом тиску.

Як правило, кручені стрічки забезпечують найбільше збільшення теплопередачі, але також значне збільшення втрати тиску. Дротяні котушки забезпечують золоту середину з точки зору теплопередачі та падіння тиску, а отже продуктивності та енергоефективності. Вставки з поглибленнями забезпечують найнижчий перепад тиску, але забезпечують нижче покращення теплопередачі порівняно з двома іншими альтернативами.

Вибір оптимальної вставки турбулятора залежатиме від завдання теплопередачі, яке необхідно виконати, і допустимої потужності насоса в системі. У системах з високою швидкістю потоку або коли споживання енергії є основною проблемою, ідеальним є більш помірний дизайн вставки турбулятора, такий як дротяні котушки або ямки.

Таблиця порівняння типів турбуляторів
Вплив типу турбулятора на перепад тиску при посиленні тепловіддачі
Скручені стрічки Високий Високий Дротові котушки Помірний Помірний
Вставки з ямками Середній Низький Висновок
Вставки турбулятора є економічно вигідним і практичним оновленням для покращення теплових характеристик труб теплообмінника з PTFE. Ці вставки збільшують швидкість теплопередачі за рахунок збільшення турбулентності з боку-трубки. Це особливо корисно для матеріалу з низькою теплопровідністю, такого як PTFE. Геометрію вставки турбулятора необхідно ретельно вибирати, щоб досягти бажаного підвищення теплопередачі, утримуючи при цьому падіння тиску в прийнятному діапазоні. Покращення теплопередачі продовжує залишатися важливою сферою інновацій для термічної обробки. Розробка нових конструкцій турбуляторів і матеріалів, ймовірно, принесе ще більший приріст продуктивності.