In che modo i tubi in PTFE con fossette o corrugate migliorano il trasferimento di calore senza inserti aggiuntivi?

Le fossette, le ondulazioni o le spirali possono essere realizzate direttamente sul tubo stesso, invece di aggiungere un dispositivo separato. Questi elementi integrati aiutano a interrompere il flusso e ad aumentare la trasmissione del calore senza il rischio che un inserto si allenti o crei ostruzioni.

Perché è necessario considerare il miglioramento passivo mediante la geometria del tubo
In molti processi chimici e farmaceutici, l'affidabilità degli scambiatori di calore è importante tanto quanto le loro prestazioni termiche. I metodi di miglioramento tradizionali come il nastro ritorto o gli inserti in bobina di filo hanno componenti interni soggetti a migrazione, fatica o punti di incrostazione. Un altro approccio consiste nel modificare la parete stessa del tubo. Il tubo in PTFE con fossette o corrugato ha una ruvidità o ondulazione superficiale che è intrinseca al tubo. L'assenza di pezzi distinti significa che il rischio di guasti meccanici, intrappolamento dell'inserto o blocco del flusso è quasi ridotto al minimo.

Questo metodo è particolarmente interessante per trattare fluidi contenenti solidi sospesi, fanghi cristallini o mezzi soggetti a polimerizzazione. Per applicazioni così impegnative, viene utilizzato un tubo interno liscio con fossette o ondulato per creare turbolenza senza fessure dove potrebbero accumularsi detriti.

Come fossette e ondulazioni interferiscono con il flusso
Un tubo in PTFE con fossette o ondulato è un tubo che presenta una serie di rientranze o fossette periodiche o alternanze di espansioni e contrazioni o ondulazioni lungo la sua lunghezza. Man mano che il fluido scorre su queste differenze geometriche, lo strato limite adiacente al muro viene successivamente interrotto e ristabilito. Vortici vorticosi si formano dietro ciascuna fossetta o cresta ondulata per indurre una miscelazione radiale tra il fluido centrale e la regione della parete. La miscelazione assottiglia efficacemente lo strato limite termico e quindi migliora il coefficiente di trasferimento del calore convettivo.

Il meccanismo di miglioramento è totalmente diverso da quello dell'inserto a nastro ritorto. Il nastro attorcigliato fornisce un vortice elicoidale costante, ma le fossette e le ondulazioni creano turbolenze periodiche localizzate. Le prestazioni di trasferimento di calore del tubo ondulato in PTFE con fossette risultanti sono generalmente più moderate, nell'ordine del 20-60% di miglioramento rispetto a un tubo liscio, ma con un aumento della caduta di pressione proporzionalmente inferiore, comunemente tra il 30 e il 100%.

In pratica, i parametri geometrici (profondità delle fossette, passo e altezza della ondulazione) possono essere impostati per ottenere un compromesso-tra il guadagno di trasferimento di calore e la perdita di attrito. Ondulazioni a passo più corto o fossette più profonde generano turbolenze più potenti, ma forniscono anche una maggiore resistenza. I modelli più lunghi e meno profondi danno un flusso più fluido con una spinta più moderata.

Vantaggi degli inserti separati
I tubi in PTFE con fossette o ondulati presentano diversi vantaggi pratici rispetto al nastro attorcigliato o ad altri inserti sciolti:

formazione persistente della geometria dell'inserto nella parete del tubo. Nessun rischio di migrazione dell'inserto: non vi è alcuna possibilità che un inserto si sposti a valle, ferendo le estremità del tubo o toccando la piastra tubiera.

Nessuna resistenza di contatto aggiuntiva: con un inserto separato c'è una resistenza di contatto termico tra l'inserto e la parete del tubo. Non è presente alcuna resistenza aggiuntiva in quanto non vi è alcuna interfaccia con fossette o ondulazioni integrali.

Facile esame e pulizia L'interno di un tubo corrugato è ancora un canale aperto e non ostruito. Normalmente è sufficiente il passaggio di un maiale o di una spazzola per la pulizia. La pulizia di un tubo con nastro attorcigliato potrebbe richiedere la rimozione dell'inserto.

Ridotto pericolo di usura meccanica: gli inserti vorticosi possono causare vibrazioni e abrasione della parete del tubo in PTFE nel tempo, soprattutto a velocità di flusso più elevate. La geometria integrale non ha movimento relativo tra il tubo e l'elemento di miglioramento.

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) l'inserto in nastro ritorto è migliore dei tubi con fossette o corrugati. Tuttavia, il design del tubo integrale è una scelta popolare per le applicazioni in cui è accettabile un leggero miglioramento e l'affidabilità è della massima importanza.

Lavorazione del PTFE
I tubi corrugati e con fossette sono comunemente impiegati negli scambiatori di calore metallici (ad esempio acciaio inossidabile, rame). Per la loro applicazione al PTFE sono necessarie alcune procedure uniche di estrusione o termoformatura. Il PTFE non può essere lavorato a fusione come i materiali termoplastici. Il PTFE è generalmente estruso o estruso in pasta. È possibile applicare un metodo di perforazione rotativa-al PTFE dopo la sinterizzazione per ottenere fossette o ondulazioni esatte oppure è possibile utilizzare una successione di matrici riscaldate per disegnare il tubo. I tubi ondulati continui in PTFE sono disponibili in commercio presso produttori specializzati per diametri modesti (solitamente 6-25 mm).

Il controllo dello spessore delle pareti deve essere molto rigoroso. La parete potrebbe essere troppo sottile e potrebbe collassare sotto la pressione interna nella parte superiore delle ondulazioni; la parete potrebbe essere troppo spessa e la flessibilità flessionale necessaria per generare un'ondulazione stretta risulta ridotta. Gli spessori delle pareti dei tubi corrugati degli scambiatori di calore in PTFE sono generalmente compresi tra 0,8 e 2,0 mm a seconda del diametro e della pressione nominale.

Effetti del regime di flusso e della perdita di pressione
Nel flusso laminare (Re < 2000) la presenza di fossette e ondulazioni ha un effetto significativo. Anche a numeri di Reynolds bassi innescano una transizione anticipata verso un regime di flusso instabile, dominato dalla miscelazione-, che aumenta il numero di Nusselt del 40-80% rispetto a un tubo liscio. Inoltre, lo svantaggio della perdita di pressione è importante poiché il flusso è costretto ad accelerare e decelerare continuamente.

Nel flusso turbolento (Re > 4000) il miglioramento relativo è meno - spesso del 20-40% - poiché la turbolenza naturale garantisce già una miscelazione efficace. Tuttavia l'aumento percentuale della diminuzione della pressione tende ad essere inferiore. Un tubo alveolato costruito correttamente può avere un fattore di prestazione termica (rapporto tra il miglioramento del trasferimento di calore e l'aumento dell'attrito a 1/3 della potenza) migliore di 1,2, che indica un risparmio energetico netto rispetto ad un tubo liscio a parità di potenza di pompaggio.

La tabella seguente riassume gli intervalli di prestazioni tipici dei tubi in PTFE con fossette o ondulati in relazione ai tubi in PTFE lisci basati su fluidi simili all'acqua a Re=2000-5000.

Parametro Intervallo di miglioramento tipico Miglioramento del numero di Nusselt (coefficiente di trasferimento di calore) da ++20% a +60%
Il fattore di attrito (caduta di pressione) aumenta dal +30% al +100%
Fattore di prestazione termica (η) 1,1-1,3 Conclusione
I tubi in PTFE scanalati o ondulati offrono un modo semplice e passivo per migliorare la trasmissione del calore con un'ottima affidabilità. I tubi sono progettati per creare geometrie superficiali integrali che rompono lo strato limite e promuovono la miscelazione radiale, con conseguente aumento modesto del trasferimento di calore (20-60%) senza il rischio di migrazione dell'inserto, resistenza di contatto o problemi di pulizia. La forma è particolarmente utile in applicazioni contenenti particelle, cristalli o fluidi incrostanti in cui gli inserti separati sarebbero problematici. La geometria dei tubi rimane un aspetto critico nella progettazione degli scambiatori di calore e, con il PTFE, le forme con fossette o ondulate offrono un'interessante combinazione di prestazioni, pulibilità e resilienza di lunga durata.