Який вплив-розташування вставок по центру на продуктивність турбуляторів з крученою стрічкою?

У центрі трубки поміщається звичайна скручена стрічка. Але-розташування не по центру призводить до асиметричного поля потоку з сильнішою вторинною циркуляцією, що, можливо, призводить до більшої переваги теплопередачі для тієї самої вставки. Ця скромна геометрична модифікація, якої зазвичай не вистачає у звичайній конструкції теплообмінника, може забезпечити більшу теплову ефективність без зміни коефіцієнта скручування або змісту стрічки. Для теплообмінників з ПТФЕ, що обробляють корозійні або делікатні рідини, де перевага надається пасивному покращенню над активним підходом,-нецентральне встановлення забезпечує низьку вартість і не потребує оновлення.

Асиметричне поле потоку не{0}}центральної стрічки
Якщо кручений стрічковий турбулятор знаходиться безпосередньо на центральній осі труби, потік розділяється на два симетричних спіральних каналу. Рух має рівномірний вихровий характер, а профіль швидкості радіально симетричний. Це відома і широко використовувана установка.

Переміщення стрічки з центру принципово впливає на геометрію. Поперечний переріз-трубки тепер розділено на два канали потоку різного розміру, більший зазор з одного боку стрічки та менший з іншого боку. Оскільки площа-поперечного перерізу більша, рідина, що протікає через цей канал, рухатиметься з меншою швидкістю (для заданої об’ємної швидкості потоку). Навпаки, рідина в меншому каналі прискорюється. Різниця у швидкості та гвинтове закручування стрічки створюють потужні вторинні циркуляції - вихори поперечного перерізу, яких немає в центрованій установці.

Результатом є сильніша схема змішування. Скручена стрічка-не по центру створює головний вихор (навколо осі стрічки) і вторинний вихор, що обертається в площині, перпендикулярній до напрямку потоку. Це додаткове змішування ефективніше порушує термічний прикордонний шар, ніж центральне положення, особливо поблизу стінки труби, де існує найменший зазор.

Кількісні покращення продуктивності
Експериментальні дослідження безпосередньо порівнювали продуктивність теплопередачі PTFE-стрічки зі скрученою нецентральною стрічкою з центрованою топологією стрічки за ідентичних налаштувань потоку (Re=500-5000 у типових дослідженнях). Ключові відкриття включають:

Збільшення числа Нуссельта: число Нуссельта на стороні трубки збільшується додатково на 10-20% для позиціонування поза центром відносно центрованої стрічки для того самого коефіцієнта кручення та числа Рейнольдса.

Поведінка при падінні тиску: зростання коефіцієнта тертя від-розташування не по центру є подібним або дещо вищим (щонайбільше на 5–10% вище від центру-значення стрічки). Втрата тиску не збільшується пропорційно посиленню теплопередачі, і тому збільшується теплогідравлічний індекс ефективності (Nu/f).

Стійкість механізму: покращення спостерігається для широкого діапазону коефіцієнтів скручування (y=2–6) і діаметрів труб, хоча кількість залежить від геометрії.

Ці досягнення далеко не незначні. Для теплообмінника з ПТФЕ, де коефіцієнт трубчастої -плівки зазвичай є обмежуючим фактором для загальної продуктивності, додаткові 15% числа Нуссельта можуть призвести до значного зменшення необхідної площі теплопередачі або збільшення пропускної здатності.

Відстань зсуву та ефект радіуса труби
Ступінь посилення теплообміну істотно залежить від зміщення стрічки від центру. Оптимальна відстань зсуву часто становить 20-30% від радіуса труби (тобто $\\delta/R \\приблизно 0,2-0,3$, де $\\delta$ — відстань від центру труби до осі стрічки). У цьому діапазоні вторинна циркуляція достатньо сильна, щоб забезпечити додаткове змішування, але не настільки потужна, щоб стрічка стикалася зі стінкою труби або викликала сильний застій потоку.

"Зміщення менше 10% радіуса не сильно відрізняються від центральної ситуації - асиметрія в потоці занадто слабка, щоб створювати великі вторинні вихори. Зміщення більше 40% радіуса ризикують контактом між стрічкою та стінкою труби (особливо, коли враховуються температурне розширення та виробничі допуски), а дуже вузький зазор може призвести до локального забруднення або надмірного напруга зсуву.

Для труб з ПТФЕ, які часто виготовляються з дещо різними внутрішніми діаметрами, практичне зміщення приблизно на 25% від номінального радіуса може бути отримано шляхом встановлення ексцентричної опорної конструкції на вході та виході труби або шляхом вставлення стрічки з навмисно зігнутим провідним сегментом.

Залежність числа Рейнольдса: найбільш помітна при проміжних числах Рейнольдса
Ефект-нецентрального розміщення в основному актуальний для проміжних чисел Рейнольдса, як правило, у перехідній і нижній області турбулентності (Re\\приблизно 800-4000). У цьому режимі потік не є абсолютно турбулентним і природне перемішування слабке. Асиметрична стрічка може генерувати вторинні струми, які можуть штучно перевести потік у більш хаотичний стан і значно покращити теплопередачу.

При дуже низьких числах Рейнольдса (Re < 300) вторинні вихори пригнічуються в’язким демпфуванням незалежно від асиметрії стрічки. Перевага порівняно з центрованою стрічкою зменшується, і обидві конфігурації працюють подібно до ламінарного потоку з невеликим завихренням.

Природна турбулентність вже дає значне радіальне змішування при високих числах Рейнольдса (Re > 8000). Додаткова вигода від-розташування не по центру зменшується до 5-10% або менше. У більшості застосувань теплообмінників з ПТФЕ – де швидкість потоку має тенденцію бути помірною через обмеження перепаду тиску у фторполімерних системах – помірний діапазон Re – це саме той діапазон, у якому працює обладнання, тому розміщення не по центру є доречним.

Практичні задачі: несиметричні сили, вібрація
Одна з практичних труднощів, з якою доводиться стикатися під час-монтування крученої стрічки поза центром, полягає в створенні асиметричних сил рідини. Швидший потік через крихітну щілину та повільніший потік через велику щілину спричиняють чистий дисбаланс тиску на стрічці. Ця асиметрія викликає бічні сили, які прагнуть притиснути стрічку до стінки труби. Крім того, швидкість потоку також може викликати сили підйому або опору на стрічці в горизонтальній трубі.

Ці нерівномірні сили можуть призвести до того, що стрічка з часом усе більше відхилятиметься-від центру або, можливо, торкатиметься стінки труби. Контакт не тільки погіршує передачу тепла (блокує потік і створює гарячі плями), але може пошкодити внутрішню поверхню PTFE трубки або зношувати покриття стрічки. Металеві стрічки, що вставляються в PTFE труби, також страждають від фреттингу та вібрації. Стрічка може відскакувати вперед-назад від стінок труби, створюючи шум і можливу втомну поломку.

Ось кілька стратегій пом’якшення:

Кілька опорних точок - Централізаційні кільця або прокладки через рівні проміжки часу (наприклад, через кожні 10-20 діаметрів труби) гарантують збереження запланованого зсуву без надмірного бічного зсуву.

Вибір матеріалу стрічки - Жорсткіша стрічка (наприклад, товстіша металева або композитна, наповнена PTFE) витримає деформацію під час асиметричних навантажень.

Навмисна канавка або шпонка - Трубка може бути побудована з внутрішньою поздовжньою канавкою, яка захоплює край стрічки й таким чином точно фіксує місце зсуву. Це більш типово для металевих труб, але його можна адаптувати до PTFE за допомогою відповідних інструментів для екструзії.

Нижча швидкість потоку - Дозволити помірне число Рейнольдса (де вплив все одно є найсильнішим) мінімізує величину асиметричних сил.

На практиці проблеми вібрації та перемикання допустимі для чистих рідин і помірних витрат. Лабораторні та експериментальні дослідження показали тривалу стабільну роботу з-стрічками, закріпленими лише на кінцях.

Порівняння з іншими геометріями вставки
Існують інші способи отримати асиметричне змішування, ніж-нецентральне розміщення. Ексцентричні скручені стрічки, напівскручені стрічки та спеціально зігнуті осьові стрічки-в-трубках були досліджені. Стандартна стрічка зі зміщенням по центру має одну очевидну перевагу. Немає необхідності змінювати саму стрічку — просто спосіб розміщення стрічки в трубці. Таким чином поточні скручені стрічки можна повторно використовувати-в нецентральному порядку без будь-яких додаткових витрат на виробництво.

Ця конструкція є перевагою, коли теплообмінник уже працює і потрібен невеликий приріст продуктивності. Стрічку можна було навмисно відтягнути вбік і утримувати асиметричними кінцевими фітингами. Але труднощі з вібрацією та підтримкою, згадані вище, повинні бути ретельно розглянуті.

Конструкція PTFE теплообмінників: практичні міркування
Розробникам кожухотрубних теплообмінників з ПТФЕ можна надати такі пропозиції:

Для труб досить великого діаметру (внутрішній діаметр більше або дорівнює 12 мм) зі звичайною крученою стрічкою, уже зазначеною,-розташування не по центру можна розглядати як поступове покращення -, особливо коли робоче число Рейнольдса знаходиться в діапазоні 800-4000.

Використовуйте зсув приблизно на 25 відсотків від радіуса труби. Це балансування максимізує вторинний потік із допустимою асиметрією сил.

Додайте центруючі кільця з інтервалом 10–15 діаметрів труби, щоб утримувати зміщення та запобігати контакту зі стіною. Кільця доступні з PTFE або PFA для хімічної сумісності.

Оцініть ризик вібрації: для високошвидкісних потоків газу або рідини з низькою в’язкістю може бути корисним більше опор або менша частка зсуву (наприклад, . 15% радіуса).

Висновок: недороге поступове оновлення
Недорого{0}}додаткове підвищення теплопередачі можна отримати, навмисно розташувавши скручену стрічку не-від центру, що призведе до додаткового збільшення числа Нуссельта на 10–20% із невеликим або без подальшого падіння тиску відносно центрованої стрічки. Асиметричний розподіл потоку опосередковує ефект встановлення вторинних циркуляцій, які збільшують змішування в тепловому прикордонному шарі. Оптимальне значення зміщення становить 20-30 % від радіуса труби, а ефект найбільш значний при проміжних числах Рейнольдса (Re ≈ 800-4000).

Невеликі варіації форми можуть збільшити продуктивність. Метод передачі тепла з ПТФЕ зі скрученою по центру стрічкою забезпечує пряме оновлення теплообмінників з ПТФЕ, де стійкість до корозії визначає вибір матеріалу, а пасивне вдосконалення є єдиним можливим напрямком. Розробникам потрібно -розмінювати помірну вібрацію та потреби в підтримці проти теплових переваг.