La forma ondulata o elicoidale del tubo in PFA migliora la distribuzione del calore nei bagni d'olio a basso-flusso e-alta viscosità?

La gestione termica dei bagni d'olio ad alta-viscosità, come quelli utilizzati per la produzione di polimeri, il trattamento termico e il rivestimento dei reattori chimici, è una sfida costante: l'olio scorre lentamente (solo convezione naturale o ricircolo a basso-flusso) e resiste alla miscelazione. In tale atmosfera un riscaldatore a tubo diritto in PFA produce un limitato pennacchio di olio riscaldato che sale verticalmente lasciando volumi significativi del bagno a temperatura più bassa. La differenza di temperatura tra la superficie del riscaldatore e l'olio sfuso è talvolta superiore a 30-40 gradi, il che si traduce in una degradazione accelerata del PFA nelle aree calde. In teoria, un tubo PFA curvo ondulato o elicoidale determina una migliore distribuzione del calore attraverso i flussi secondari e la rottura dello strato di barriera termica. Il grado in cui questo cambiamento di forma fornisce un miglioramento percepibile dipende dalla viscosità dell'olio alla temperatura di esercizio, dalla geometria del serbatoio e dalla caduta di pressione consentita nei sistemi a flusso forzato.

Alterazione del modello di flusso della geometria elicoidale
Il fluido che scorre dentro e attorno a un tubo elicoidale PFA (avvolto come una molla) o un tubo sinusoidale (curve ondulate su un piano) è soggetto a forze centrifughe. Il metodo di trasferimento del calore nel bagno d'olio quiescente è la convezione naturale. Nel caso di un tubo verticale rettilineo, il flusso di convezione naturale è esclusivamente assiale e vi è una sola colonna di olio riscaldato che sale verso l'alto. D'altra parte, un tubo elicoidale ha superfici curve che piegano l'olio verso l'esterno mentre sale. Le misurazioni della velocimetria dell'immagine delle particelle in olio siliconico da 1000 cP a 120 gradi indicano che un tubo elicoidale in PFA (bobina di 100 mm di diametro, altezza di 200 mm) crea uno schema di flusso toroidale rotante attorno al riscaldatore. L'olio riscaldato sale a spirale e poi si abbassa lungo le pareti del serbatoio, generando una cella di circolazione di grandi dimensioni che occupa il 70-80% del volume del serbatoio. Questa circolazione riduce la differenza di temperatura massima attraverso il serbatoio da 25–30 gradi (per un tubo dritto) a 10–15 gradi (per un tubo elicoidale) per la stessa potenza assorbita.

L'aumento aumenta con il numero di Dean, una quantità adimensionale che misura la forza del flusso secondario nei tubi curvi. Per viscosità dell'olio superiori a 10.000 cP alla temperatura di esercizio, il numero di Dean è inferiore a 5 e il flusso secondario è minimo. In questi oli molto viscosi la forma elicoidale non fornisce un vantaggio nella distribuzione del calore rispetto a un tubo dritto poiché la quantità di moto del fluido non genera una circolazione a flusso trasversale. Il limite pratico massimo di viscosità per il vantaggio dell'elica è di circa 8.000-10.000 cP. La viscosità deve essere inferiore a 1.000 cP affinché il flusso secondario sia sufficientemente forte da compromettere l'integrità della guaina PFA mediante erosione localizzata in corrispondenza del raggio esterno delle curve.

Uniformità della temperatura superficiale e rottura dello strato limite
La forma ondulata del tubo (sinusoidale con ampiezza 30-50 mm e lunghezza d'onda 100-150 mm) interagisce con lo strato limite termico in modo diverso rispetto ad un'elica. Quando l'olio scorre sulla superficie ondulata (per convezione naturale o flusso controllato), le parti convesse e concave creano gradienti di pressione che determinano la separazione e il riattacco del flusso. Ogni onda genera una piccola zona di ricircolo sul lato a valle del picco convesso che ha una lunghezza di 3-5 di diametro. Queste zone di ricircolo trasportano l'olio più freddo dal flusso di massa verso la superficie del riscaldatore e riducono lo spessore dello strato limite locale del 30-50% rispetto al caso del tubo dritto. Esperimenti con termocoppia su un riscaldatore PFA ondulato in olio da 5.000 cP a 150 gradi rivelano che la temperatura superficiale varia di ±4–6 gradi lungo la lunghezza, rispetto a ±12–18 gradi per un riscaldatore diritto con la stessa superficie totale. La maggiore uniformità della temperatura migliora direttamente la durata del PFA riducendo la temperatura superficiale di picco. La temperatura superficiale massima viene ridotta di circa 10 gradi per una diminuzione del 40–50% nel tasso di degradazione del PFA (seguendo la cinetica di Arrhenius).

L'ondulazione impone una limitazione pratica: il raggio di curvatura minimo del tubo dovrebbe essere superiore a 8-10 volte il diametro del tubo, per evitare un'eccessiva concentrazione di sollecitazioni nel PFA. Per i tubi in PFA con diametro 12 mm è possibile una forma ondulata con raggio di curvatura 60 mm. Un raggio più stretto (30 mm) comporta un assottigliamento localizzato della parete in PFA in corrispondenza della curvatura esterna, che diminuisce la resistenza meccanica del 20–30% e aumenta il pericolo di permeazione. I produttori di riscaldatori PFA ondulati o elicoidali devono utilizzare la piegatura del mandrino con calore controllato per evitare il collasso del muro. I guasti sul campo dei riscaldatori PFA piegati hanno comunemente origine in curve illimitate con raggio inferiore a 6 volte il diametro del tubo.

Guida alla selezione della forma per le applicazioni
Viscosità, temperatura operativa e tipo di olioCondizioni di flussoForma preferita del tuboMiglioramento previsto nell'uniformità della temperaturaLimitazione principale
Olio leggero (100–500 cP), 80–120 gradi Solo convezione naturale Elicoidale (diametro della bobina 8–10 volte il diametro esterno del tubo)Riduce il ΔT del serbatoio da 25 gradi a 10-12 gradi Il flusso secondario erode il PFA sopra 200 gradi
Convezione naturale 120–150 gradi Olio medio (500–2.000 cP) Ondulato (ampiezza 4–6× diametro esterno del tubo) diminuisce i punti caldi superficiali di 8-12 gradi; La spaziatura delle onde è cruciale; troppo stretto diminuisce il beneficio
Olio medio (500-2.000 cp) Flusso forzato basso (Re 100-500) Elicoidale con passo della bobina più ampioAumenta il coefficiente di trasferimento del calore dal 30 al 50%Diminuzione della pressione 2-3 volte tubo dritto
Olio pesante (2000–8000 cP), 150–180 gradi Convezione naturaleTubo diritto alettato o superficie estesaIl vantaggio elicoidale/ondulato è minore (Dean<5)Change of shape not justified
Olio pesante (10,000+ cP)Tubo dritto; Dovrebbero essere presi in considerazione numerosi riscaldatori brevi. Nessun miglioramento significativo dallo stampaggio. La viscosità smorza completamente i flussi secondari
Qualsiasi viscosità, serbatoio con miscelatore meccanicoAlta turbolenza indottaTubo dritto (agitazione dominante)La modellatura costa denaro e non dà alcun valoreA temperatura uniforme è già data l'agitazione,
Serbatoio con sezione trasversale- ridotta (spazio limitato) Convezione naturale Elicoidale (profilo verticale piccolo) Il miglioramento della forma è più importante del risparmio di spazio Valutare il miglioramento dell'uniformità di più riscaldatori diritti
Conclusione: la forma conta solo nel regime di viscosità intermedia
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ l'elevata viscosità del fluido inibisce i flussi secondari e i tubi curvi non sono migliori dei tubi diritti. I tubi elicoidali riducono al minimo i gradienti di temperatura del serbatoio del 40-60%, mentre i tubi ondulati riducono i punti caldi superficiali del 30-50% nell'intervallo compreso tra 1.000 e 5.000 cP per ottenere le migliori prestazioni. La maggiore uniformità aumenta direttamente la durata del riscaldatore PFA abbassando le temperature superficiali di picco. Agli ingegneri che stanno valutando la specifica dei riscaldatori per bagni d'olio a media viscosità si consiglia di richiedere la modellazione fluidodinamica computazionale (CFD) del tubo sagomato nella geometria specifica del serbatoio prima di impegnarsi nella produzione. I vantaggi dipendono fortemente dalle proporzioni del serbatoio e dal posizionamento del riscaldatore rispetto alle pareti. Al di sopra di 8.000 cP, considerare diversi riscaldatori diritti e ricircolo forzato piuttosto che una forma complessa, poiché il costo di un tubo PFA elicoidale, che generalmente è del 30-50% in più rispetto a quello dritto, non viene recuperato con una maggiore uniformità.