Hvordan påvirker stigningsforholdet til et tvunnet tapeinnlegg varmeoverføring i PTFE-rør?

En vridd tape plassert i et PTFE-rør genererer en virvlende strøm som øker varmeoverføringen. Graden av denne virvelen og den resulterende ytelsesavveiningen er direkte kontrollert av tonehøydeforholdet til vridningen – representert som stramheten til vridningen.

Hva er Pitch Ratio i Twisted Tape Inserts?
Pitch-forhold er forholdet mellom lengden som er nødvendig for å gjøre en hel 360-graders vri (pitch-lengden) og bredden på båndet. For eksempel har et bånd som gjør en hel sving i en avstand lik sin egen bredde et pitch-forhold på 1. Hvis båndet snirkler seg helt over en lengde som er fem ganger bredden, er pitch-forholdet 5. Lavt pitch-forhold=veldig tett, voldsom vri . Høyt toneforhold=løsere, mykere vri .

I virkeligheten er tvunnet tapeinnsatser for PTFE-slanger konstruert av PTFE eller PFA (perfluoralkoksyalkan) for å sikre full kjemisk kompatibilitet med svært korrosive prosessvæsker. Dette garanterer ingen metallisk forurensning eller galvaniske korrosjonsproblemer selv med kraftige syrer, løsemidler eller ultrarene medier.

Effekt av pitch-forhold på virvel- og varmeoverføring
Når væsken passerer gjennom et rør som inneholder et vridd bånd, skyver båndet strømmen for å følge et spiralformet mønster. Denne virvelen genererer sentrifugalkrefter som driver den tyngre væsken mot veggen av røret, og dermed effektivt tynner det termiske grenselaget. Dette tilsvarer en større konvektiv varmeoverføringskoeffisient eller et høyere Nusselt-tall.

Forholdet mellom tonehøyde er direkte ansvarlig for styrken til virvelen. Den sterkere tangentielle hastighetskomponenten er forårsaket av en tettere vridning (lavere tonehøydeforhold f.eks. . 2). Slik at varmeoverføringsforbedringen vanligvis betegnet som forholdet mellom Nusselt-tallet og innsatsen til et vanlig rør kan være opptil 150 % eller mer. Imidlertid fører denne raske spinningen også til en betydelig høyere væskefriksjon, noe som fører til en enorm trykkfallsøkning, ofte i området 200-600 % sammenlignet med et tomt rør.

På den annen side vil en løsere vri (høyere tonehøydeforhold, f.eks.. 5 eller 6) gi en mer forsiktig virvling. Varmeoverføringsforbedringen er relativt beskjeden-vanligvis 50-80 % over den vanlige rørverdien, men trykkfallsstraffen er proporsjonalt mindre, ofte bare 100–200 % høyere.

Forholdet mellom tvunnet tape og PTFE-varmeoverføringsytelsen er ikke-lineært relatert. Reduksjonen av stigningsforholdet fra 6 til 2 resulterer i en uforholdsmessig betydelig økning av både varmeoverføring og friksjon. Derfor er det optimale stigningsforholdet ikke et fastsatt tall, men er helt avhengig av den tillatte pumpeeffekten og ønsket termisk effekt.

Praktiske designanbefalinger for PTFE-rør
Ved PTFE-rør velges ofte et stigningsforhold på 3 til 5 dersom trykkfallet ikke er en begrensende faktor. Dette området representerer et godt kompromiss: en økning i varmeoverføringskoeffisient på ca. 80-120% med en økning i trykkfall på 200-350%. Generelt er disse verdiene tolerable i de fleste kjemiske prosessapplikasjoner, spesielt når rørlengden er moderat (f.eks. skall og rør eller varmevekslere med dykkspole).

Det skal bemerkes at selve PTFE-rørene har en relativt lav varmeledningsevne (ca. 0.25 W/mK). Generelt er hovedvarmemotstanden i rørveggen eller den indre væskefilmen. Bruken av en tvunnet tape-innsats med et tilstrekkelig stigningsforhold kan redusere den indre filmmotstanden betydelig, og derfor flytte den kontrollerende motstanden til den andre siden av varmeveksleren. Dette gjør hele designet mer balansert og kostnadseffektivt.

Et høyt pitch-forhold på 6 til 8 kan velges for applikasjoner der trykkfallet er svært begrenset, for eksempel tyngdekrafts-matede systemer eller lav-gassvarmer. Dette gir nok virvling til å begrense laminær flyt og øke radiell blanding, men friksjonsstraffen er fortsatt tolerabel.

Alternativt kan et stigningsforhold på 2 til 3 velges hvis maksimal varmeoverføring er nødvendig uavhengig av trykktap (f.eks. ved høyviskositetsoppvarming, eller hvor pumpekostnadene er ubetydelige). I slike tilfeller kan varmeoverføringskoeffisienten økes så mye som 150%. Konstruktøren må sørge for at pumpen eller viften kan gi det høyere trykkhøyden.

Ytterligere tekniske vurderinger
Den termiske inngangslengden reduseres ytterligere av tvinnede tapeinnsatser i PTFE-rør, noe som gir fullt utviklet turbulent-lignende oppførsel selv ved lave Reynolds-tall (Re < 2000). Dette er spesielt nyttig i trege strømmer eller i rør med liten diameter der ekte turbulens vil kreve upraktiske strømningshastigheter.

Du må vurdere produksjonstoleranser. PTFE-stoffet er mer fleksibelt, noe som gjør det vanskeligere å lage en tett vridd tape (lavt toneforhold). For svært lave stigningsforhold (under omtrent 2,5) er PFA generelt foretrukket på grunn av sin høyere stivhet og bedre bevaring av vridningsformen ved økende temperaturer.

Pitch-forholdet påvirker også rengjøring og vedlikehold. Bånd med svært lave stigningsforhold (tette vendinger) har en tendens til å samle partikler lettere og er vanskeligere å fjerne for rengjøring. For det meste gir et stigningsforhold på 4 eller større nok åpen aksialrute til at avfall kan passere eller til at en rensegris kan settes inn.

Sammendrag
Stigningsforholdet til en tvunnet tapeinnsats er hoveddesignspaken for å kontrollere varmeoverføringen mot trykkfall-avveining i PTFE-rør. Sterk virvling og høy varmeoverføring- oppnås med et lavere toneforhold (strammere vridning) til prisen av en stor økning i friksjonstap. Høyere tonehøydeforhold (løsere vendinger) resulterer i en mykere, mer energieffektiv-boost. Et pitchforhold mellom 3 og 5 gir en utmerket balanse for de fleste bruksområder for håndtering av korrosive væsker. Optimalisering av skjærformen inkludert stigningsforhold er fortsatt en avgjørende faktor for å forbedre varmevekslerens ytelse uten at det går på bekostning av kjemisk kompatibilitet eller materialintegritet.