Hvaða áhrif hefur staðsetning utan-innskots á frammistöðu snúningshringlaga?

Hefðbundið snúið borði er komið fyrir í miðju rörsins. En staðsetning utan-miðju leiðir til ósamhverfts flæðisviðs með sterkari aukahringrásum, sem getur hugsanlega leitt til meiri hitaflutningsforskots fyrir sama innlegg. Þessi hóflega rúmfræðilega breyting - sem venjulega er saknað í hefðbundinni varmaskiptahönnun - getur veitt meiri hitauppstreymi án þess að breyta snúningshlutfalli eða efni borðsins. Fyrir PTFE-varmaskipta sem vinna ætandi eða viðkvæma vökva þar sem óbeinar aukahlutir eru ívilnandi fram yfir virkar aðferðir, býður uppsetning utan-miðju upp á lágan kostnað, engin viðhaldsuppfærsla.

Ósamhverft flæðisvið af ó-miðjuborði
Ef snúið borði túrbulator er beint á miðás rörsins, er flæðinu skipt í tvær samhverfar þyrillaga rásir. Hreyfingin er af einsleitu þyrlandi tagi og hraðasniðið er geislasamhverft. Þetta er þekkt og mikið notuð uppsetning.

Að færa límbandið af miðju hefur áhrif á rúmfræðina í grundvallaratriðum. Rökþversnið- er nú aðskilið í tvær flæðisrásir af mismunandi stærð, stærra bil á annarri hliðinni á borði og minna bil á hinni hliðinni. Þar sem þversniðsflatarmálið er stærra mun vökvinn sem flæðir um þessa rás hreyfast á minni hraða (fyrir tiltekið rúmmálsflæðishraða). Þvert á móti hraðar vökvinn í minni rásinni. Munurinn á hraða og spírulaga snúningur borðsins mynda öflugar aukahringrásir - þversniðshringur sem eru ekki til staðar í miðju uppsetningu.

Útkoman er sterkara blöndunarmynstur. Snúið líma utan-miðju myndar aðalhringinn (í kringum böndaásinn) og aukahringinn sem snýst í planinu sem er hornrétt á flæðistefnuna. Þessi viðbótarblöndun er farsælli til að trufla varmamarkalagið en miðstaðan, sérstaklega í nágrenni við rörvegginn þar sem minnsta bilið er.

Mældar árangursbætur
Tilraunarannsóknir hafa borið beint saman PTFE-hitaflutningsárangur af snúnu borði sem er utan miðju við staðfræði fyrir miðju borði við sömu flæðisstillingar (Re=500-5000 í dæmigerðum rannsóknum). Helstu uppgötvanir eru:

Fjöldifjölgun Nusselt: Nusselt-númerið á slöngunni er aukið um 10-20% til viðbótar fyrir staðsetningar utan miðju miðað við miðaða borðið fyrir sama snúningshlutfall og Reynolds-tölu.

Þrýstifallshegðun: Hækkun á núningsstuðlinum frá staðsetningu utan-miðju er svipuð eða nokkuð hærri (í mesta lagi 5–10% yfir miðjugildi-bands). Þrýstiviðurkenningin eykst ekki í réttu hlutfalli við hitaflutningsaukninguna og eykur því hitauppstreymi – vökvaafköst (Nu/f).

Viðhald vélbúnaður: Aukning sést fyrir margs konar snúningshlutföll (y=2–6) og þvermál rör, þó magnið fari eftir rúmfræði.

Þessi hagnaður er langt frá því að vera lítill. Fyrir PTFE-varmaskipti, þar sem túpu-hliðarfilmastuðullinn er almennt takmarkandi þátturinn fyrir heildarafköst, geta 15% til viðbótar í Nusselt-tölu þýtt verulega minnkun á nauðsynlegu hitaflutningssvæði eða aukningu á afköstum.

Offset fjarlægð og rörradíusáhrif
Umfang hitaflutningsaukningarinnar er verulega háð tilfærslu borðsins frá miðjunni. Besta offsetfjarlægðin er oft 20-30% af rörradíusnum (þ.e. $\\delta/R \\u.þ.b. 0,2-0,3$, þar sem $\\delta$ er fjarlægðin frá miðju rörsins að borðaásnum). Á þessu sviði er aukahringrásin nógu sterk til að gefa frekari blöndun en ekki svo öflug að borðið komist í snertingu við rörvegginn eða valdi alvarlegri stöðnun flæðis.

"Fjarlægingar sem eru minni en 10% af radíusnum eru ekki mikið frábrugðnar miðjuaðstæðum - ósamhverfan í flæðinu er of veik til að mynda stórar aukahringjur. Frávik sem eru meira en 40% af radíusnum hætta á snertingu milli borðsins og rörveggsins (sérstaklega þegar varmaþensla og framleiðslubil eru talin vera óhófleg og staðbundin þolmörk fyrir blýi) klippiálag.

Fyrir PTFE slöngur, sem oft eru framleiddar með nokkuð mismunandi innra þvermáli, er hægt að ná hagnýtri fráviki sem nemur um 25% af nafnradíus með því að setja upp sérvitringa burðarvirki við inntak og úttak rörsins, eða með því að setja límbandið með viljandi beygðum framhluta.

Reynolds númeraháð: Mest áberandi á milli Reynolds númerum
Staðsetningaráhrif utan-miðju eiga aðallega við fyrir millistigstölur Reynolds, venjulega á bráða- og lægra óróasvæði (Re\\approx 800-4000). Í þessu fyrirkomulagi er flæðið ekki algjörlega órólegt og náttúruleg blöndun er veik. Ósamhverfa límbandið getur myndað aukastrauma, sem getur tilbúið snúið flæðinu í óskipulegri ástand og bætt hitaflutning til muna.

Við mjög lágar Reynolds tölur (Re < 300) eru efri hvirflar bældar niður með seigfljótandi dempun, óháð ósamhverfu borði. Ávinningurinn af miðlægu borði minnkar og báðar uppsetningarnar virka svipað og lagskipt flæði með smá hring.

Náttúruleg ókyrrð gefur nú þegar verulega geislamyndaða blöndun við háar Reynolds tölur (Re > 8000). Aukinn ávinningur af staðsetningu utan-miðju fer niður í kannski 5-10% eða minna. Í flestum PTFE-varmaskiptaforritum – þar sem flæðishraðinn hefur tilhneigingu til að vera í meðallagi vegna takmarkana á þrýstingsfalli í flúorfjölliðakerfum – er hóflega Re-sviðið nákvæmlega það bil sem búnaðurinn starfar á, því er staðsetning utan miðju mjög viðeigandi.

Hagnýt vandamál: ósamhverfar kraftar, titringur
Einn af hagnýtu erfiðleikunum sem upp koma við uppsetningu utan-miðju á snúnu límbandi er ósamhverfar vökvakraftar sem myndast. Hraðara flæði í gegnum litla bilið og hægara flæði í gegnum stóra bilið veldur nettóþrýstingsójafnvægi yfir borði. Þessi ósamhverfa veldur hliðarkraftum sem hafa tilhneigingu til að knýja límbandi á rörvegginn. Að auki getur flæðihraðinn einnig valdið lyftu- eða togkrafti á borði í láréttu röri.

Þessir ójöfnu kraftar gætu valdið því að límbandið svífur í auknum mæli út fyrir -miðjuna eða gæti hugsanlega snert rörvegginn með tímanum. Snertingin truflar ekki aðeins varmaflutninginn (lokar flæði og veldur heitum blettum), heldur getur það skaðað innra yfirborð PTFE-rörsins eða klæðst límbandshlífinni. Málmbönd sem sett eru í PTFE slöngur þjást einnig af pirringi og titringi. Límbandið gæti skoppað fram og til baka á veggi rörsins, skapað hávaða og hugsanlega þreytubilun.

Hér eru nokkrar mótvægisaðgerðir:

Margir stuðningspunktar - Miðstýringarhringir eða millibilar með reglulegu millibili (td á 10-20 rörum í þvermál) tryggir að áætlaðri frávik haldist án þess að leyfa óhóflegar hliðarhreyfingar.

Efnisval á borði - Stífari borði (td þykkari málmur eða PTFE fyllt samsett efni) þolir aflögun við ósamhverfar álag.

Viljandi gróp eða lykill - Hægt er að smíða rörið með innri lengdarrof sem fangar brún borðsins og festir þar af leiðandi staðsetningin nákvæmlega. Þetta er meira dæmigert í málmrörum en hægt er að laga það að PTFE með viðeigandi útpressunarverkfærum.

Lægri flæðihraði - Með því að leyfa hóflega Reynoldstölu (þar sem áhrifin eru sterkust hvort sem er) lágmarkar stærð ósamhverfa krafta.

Í reynd eru vandamálin við titring og tilfærslu þolanleg fyrir hreinan vökva og hóflegan flæðishraða. Rannsóknir á rannsóknarstofum og tilraunaverksmiðjum hafa sýnt langtíma stöðugan rekstur með ó-línuböndum sem eru eingöngu tryggðar á endunum.

Samanburður við aðrar innsetningarrúmfræði
Það eru aðrar leiðir til að fá ósamhverfa blöndun en staðsetningar utan-miðju. Sérvitringar snúnar bönd, hálfsnúin bönd og markvisst beygð áslím -í- rörsamstæður hafa öll verið rannsökuð. Staðlað borði utan miðju hefur einn augljósan kost. Það er ekki nauðsynlegt að breyta límbandinu sjálfu – einfaldlega hvernig límbandið er komið fyrir í túpunni. Þannig er hægt að endurnýta núverandi snúnu spólur í ó-miðju fyrirkomulagi án aukakostnaðar við framleiðslu.

Þessi hönnun er hagstæð þegar varmaskipti er þegar í notkun og lítils árangurs er þörf. Hægt var að draga límbandið til hliðar viljandi og haldið með ósamhverfum endafestingum. En það þarf að íhuga vandlega titringinn og stuðningserfiðleikana eins og nefnt er hér að ofan.

Hönnun PTFE varmaskipta: Hagnýt atriði
Fyrir hönnuði PTFE skel- og rörvarmaskipta er hægt að gera eftirfarandi tillögur:

Fyrir rör með hæfilega stórum þvermál (meira en eða jafnt og 12 mm innviði) með hefðbundnu snúnu borði sem þegar hefur verið tilgreint, getur staðsetning utan -miðju talist stigvaxandi framför - sérstaklega þegar Reynolds-númerið er á bilinu 800-4000.

Notaðu offset sem er um það bil 25 prósent af rörradíusnum. Þessi jafnvægi hámarkar aukaflæðið með þolanlegu ósamhverfu krafts.

Bættu við miðstýringarhringjum með 10–15 rörþvermáli millibili til að halda á móti og koma í veg fyrir snertingu við vegg. Hringir eru fáanlegir í PTFE eða PFA fyrir efnasamhæfi.

Metið titringsáhættu: fyrir háhraða gasflæði eða vökvaflæði með litlum seigju geta fleiri stoðir eða minna offsethlutfall (td . 15% radíus) verið gagnlegt.

Niðurstaða: Ódýr stigvaxandi uppfærsla
Hægt er að ná fram litlum-kostnaðarauka í hitaflutningi með því að setja snúna límband af ásetningi frá-miðju, sem leiðir til 10–20% hækkunar á Nusselt-tölu til viðbótar með litlu eða ekkert frekara þrýstingsfalli miðað við miðja límband. Ósamhverf flæðiskipting miðlar þeim áhrifum sem koma á aukahringrásum sem auka blöndun í varmajaðarlaginu. Ákjósanlegasta offset gildið er 20-30% af rörradíusnum og áhrifin eru mest áberandi við miðlungs Reynolds tölur (Re ≈ 800-4000).

Lítil afbrigði í lögun geta losað um meiri frammistöðu. PTFE varmaflutningsaðferðin með snúnu borði utan miðju veitir einfalda uppfærslu á PTFE varmaskipta þar sem tæringarþol ákvarðar efnisvalið og óvirk endurbót er eina mögulega stefnan. Hönnuðirnir þurfa að skipta út-vægum titringi og stuðningsþörf á móti hitauppstreymi.