Hver er áhrif slönguþvermáls á hlutfallslega virkni túrbulatorinnleggja í PTFE skiptum?

Turbulator innskot sem eykur varmaflutning til muna í PTFE röri með litlum þvermál getur verið verulega minna árangursríkt í stórum þvermál rör. Hlutfall ólgandi blöndunarsvæðis og þversniðs rörs minnkar með þvermáli. Stærðaráhrifin eru venjulega hunsuð þegar valin er óvirk aukabúnaður fyrir varmaskipta með flúorfjölliða rör. Þekking á áhrifum þvermál rörs á hlutfallslega frammistöðu þyrla er mikilvæg fyrir hönnun -hagkvæmra og varmahagkvæmra PTFE varmaskipta.

Mikilvægi rörþvermáls við blöndun skarpskyggni
Turbulator innlegg (snúin bönd, spíralfjaðrir, vírnet, truflanir blöndunartæki) brjóta mörkalagið við rörvegginn og búa til aukaflæði (hringir, hvirfil eða geislahraðahlutir). Ígengni þessara flæðistruflana í átt að miðju rörsins veltur að mestu á tveimur þáttum: rúmfræði innskotsins og þvermál rörsins.

Lítill ókyrrill getur haft áhrif á talsvert af þversniðsflæðisflatarmáli rörs með litlum þvermál (td 6 mm innra þvermál). Hvirflar sem falla frá jaðri innskotsins geta náð miðlínu rörsins og breytt heildarhraðasniðinu úr lagskiptu eða umbreytingarferli yfir í vel blandað ókyrrð. Fyrir vikið minnkar hitauppstreymi sem er safnað nálægt veggnum að miklu leyti og hægt er að tvöfalda eða þrefalda Nusselt-töluna.

Í röri með stórum þvermál (td . 25 mm auðkenni) leiðir sams konar þyril aðeins til staðbundinnar blöndunar á hringlaga svæðinu nálægt veggnum. Kjarnaflæði helst í meginatriðum óbreytt og er lagskipt eða væg umbreytingar. Þetta takmarkar aukningu varmaflutnings til nærveggssvæðisins á meðan miðvökvinn flæðir um endurbætta blöndunarsvæðið. Heildar rör-varmaflutningsstuðullinn eykst aðeins. Virkni túrbulator í rörþvermál PTFE skiptis virðist vera: því stærra sem þvermálið er, því meira er innskotsáhrifin þynnt út.

Geometrískt sjónarhorn gert auðvelt
Segjum sem svo að innskot sem framkallar áhrifaríka blöndun allt að geislamyndaðri fjarlægð $\\delta$ frá rörveggnum. Þverskurður-þar sem blöndunin er bætt er um það bil:

Fyrir lítið þvermál D: blöndunarsvæðisbrot=1 - ((D-2\\delta)/D)^2

Fyrir stórt þvermál: hluti af blönduðu flæði lækkar með 1/D² þegar D vex (fyrir fastan δ)

Vegna þess að δ er takmarkað af rúmfræði innskotsins (td hæð snúinnar límbandskants, vírþvermál gorma osfrv.), mun blöndunareiginleiki sem truflar flæði 2 mm frá veggnum hafa áhrif á næstum allt 6 mm rörið, en bara þunnt utan hring í 20 mm rör.

Hagnýtar afleiðingar fyrir hönnun PTFE varmaskipta
Litlar rörstærðir eru dæmigerðar fyrir PTFE skel og rör varmaskipta, venjulega 6 mm, 8 mm, 10 mm eða 12 mm innra þvermál. Þetta er engin tilviljun. Minni þvermál auka hlutfall yfirborðs og rúmmáls, vega upp á móti lágri hitaleiðni PTFE og viðhalda þéttleika skiptisins. Sömu hóflegu þvermálin gera slöngurnar náttúrulega hagstæðar fyrir innsetningu þyrla.

Almenn athugun er sú að fyrir innri þvermál röra allt að um 15 mm, leiða venjuleg túrbulator hönnun (td spíralfjaðrir með halla-til-þvermálshlutfalli 1-2 eða snúnar bönd með snúningshlutfalli 3-5) til verulegrar varmaflutningsaukninga (Nu/Nu_smooth {{8}). Fyrir innlegg sem er yfir 20 mm, gefur sama innlegg styrkingarstuðla sem eru aðeins 1,2–1,5 nema rúmfræði innleggsins sé stækkuð með árásargirni, til dæmis með stærra vírþvermáli, þéttari halla eða fjölræsi gorm.

Hagnýtir aukaþættir fyrir rörþvermálssvið
Inner Diameter of TubeTypical Enhancement (Nu/Nu_smooth) Pressure drop increase 6-10 mm 2.5-3.5 4-8× 12-15 mm 2.0-2.5 3-6× 16-20 mm 1.5-2.0 2-5× >20 mm 1,2-1,5 (skalað innlegg krafist) 1,5-3× (eða meira)
Þessi gildi eru fyrir vel-samsvörun innskotsrúmfræði og Reynolds tölu í umbreytingarfasa (Re ~ 1000-5000). Þvermálsáhrifin eru minni við hærri Reynolds tölur þar sem náttúruleg ókyrrð er allsráðandi.

Hlutverk Reynolds númersins: Þegar litlar rör bila enn
Ef flæðishraðinn er mjög lágur mun jafnvel örlítið rör í þvermál ekki hafa neina ávinning af turbulator. Við mjög lágar Reynolds tölur (Re < 100) eru seigfljótandi kraftar allsráðandi og truflun sem myndast af innskotinu er tafarlaust dempuð áður en hún getur breiðst út um þverskurð rörsins. Blöndunin er enn staðbundin og Nusselt talan nálgast lagskiptagildið fyrir slétt rör. Í reynd virka turbulators vel í bráðabirgðaflæðiskerfinu ($Re sim 400-5000$). Undir þessum mörkum er stigvaxandi kosturinn óháður þvermáli.

Hönnuðir ættu líka að vera meðvitaðir um að fyrir tiltekið massaflæðishraða hafa smærri rör náttúrulega hærri Reynolds tölur þar sem hraði er öfugt við þversniðsflatarmál. Þessi samlegðaráhrif eru enn hagstæðari fyrir samsetninguna með litlum rörþvermáli + túrbulator. Litla rörið er nú þegar með hærra Reynolds númer og túrbulatorinn magnar umskiptin yfir í ókyrrð.

Afleiðingar og afleiðingar þrýstingsfalls
Smærri rör hafa meira grunnþrýstingsfall en stærri rör fyrir sama flæðishraða vegna stærri veggnúnings. Með því að bæta við þyrlunni magnar þetta þrýstingsfall um 3-6. Heildarþrýstingsfall í pínulitlu röri í þvermál getur orðið ofviða, sérstaklega með seigfljótandi vökva eða lengri rörlengd. Á hinni hliðinni mun rör með stórt þvermál hafa lægra grunnþrýstingsfall, jafnvel með stuðlinum 3 aukningu getur algert fall verið ásættanlegt. Þetta leiðir til hönnunarskipta milli aukins varmaflutnings á kostnað aukins dælukostnaðar fyrir lítil rör, og minni hitaflutningsauka í stærri rörum með mildari vökvaafköstum.

Fyrir PTFE skipta, sem venjulega eru notaðir fyrir ætandi vökva í lágþrýstingsfallskerfum (td málmfægingarböð með andrúmsloftsþrýstingi), verður hönnuðurinn að vega þessa þætti. Vinsæl aðferð er að velja hæfilega lítið rör (t.d. 10 mm innviði) með tiltölulega lausum túrbulator (td langan fjaðr) til að fá fullnægjandi aukningu án verulegs þrýstingsvítis.

Hagnýt ráð til að velja þyrlu
Með hliðsjón af töluverðum áhrifum þvermál slöngunnar er hægt að gera eftirfarandi ráðleggingar varðandi forskrift túrbulatorinnleggja í PTFE skipta:

Fyrir rör < 10 mm ID: Einn spíralfjöður eða snúið borði virkar nokkuð vel. Það er veruleg jákvæð fylgni á milli virkni túrbulatorsins í þvermál slöngunnar og PTFE skiptisins. Sérstaklega fyrir langar rörlengdir verður að meta þrýstingsfallið nákvæmlega.

Fyrir 12–15 mm auðkennisrör: Stöðluð innlegg virka, með nokkuð lægri aukahlut. Ef hægt er að þola aukningu á þrýstingsfalli er hægt að endurheimta frammistöðu með því að nota þéttari halla eða stærra vírþvermál.

Fyrir rör yfir 16 mm ID: Ekki er mælt með stöðluðum innleggjum. Valkostir eru nokkrir innsetningar (tveir samhliða gormar, marg-byrja snúið borði eða vírnet sem er pakkað rör, til dæmis) eða notkun ýmissa tæknibótar (rúfunar eða ytri riflaga rör). Í mörgum kringumstæðum getur notkun á búnti af smærri -rörum í þvermál verið ódýrari en stórum -þvermálsrörum með árásargjarnum innskotum.

Niðurstaða: Að passa rörstærð við aukningarstefnu
Turbulator innlegg virka mjög vel í pínulitlum þvermál PTFE rör eins og almennt er notað í PTFE skiptikerfi. Í rörum með innra þvermál 6-12 mm, fer blöndun framleidd af gormum eða borði í gegnum talsvert brot af þversniði flæðis-, sem leiðir til þess að Nusselt númeraaukning er tvö til þrisvar sinnum hærra en slétt rör. Hlutfallsleg virkni minnkar hratt með þvermál yfir 15 mm, þar sem kjarnaflæðið er ekki blandað og þarf árásargjarnari innlegg eða fjölmörg innlegg til að ná svipuðum afköstum.

Val á slöngustærð er tengt aukaaðferðinni. Fyrir ný PTFE varmaskiptaverkefni ætti hönnuður að byrja með æskilega hitauppstreymi og leyfilegt þrýstingsfall. Íhugun á þvermál rörs sem aðalbreytu. Ætandi, hreinn vökvi er oft best meðhöndlaður með litlum rörum með þyrlum, sem hafa tilhneigingu til að vera fyrirferðarlítill og hagkvæmasti kosturinn. Til að endurbæta núverandi skipti er þvermálið fast, hægt er að ná tiltækum aukastuðli með því að nota þvermálsháðar leiðbeiningarnar hér að ofan og hægt er að sníða innsetningarrúmfræðina að tiltekinni rörstærð. Skilningur á tengslunum á milli rörbreiddar, skilvirkni þyrlunnar og PTFE skipta tryggir að víxlar eru að veita fyrirhugaðan kost án óþarfa yfir-hönnunar eða óvæntar þrýstingslækkunar.