In che modo il rapporto del passo di un inserto di nastro ritorto influisce sul trasferimento di calore nei tubi in PTFE?

Un nastro attorcigliato posto all'interno di un tubo in PTFE genera un flusso vorticoso che aumenta la trasmissione del calore. Il grado di questo vortice e il conseguente compromesso prestazionale sono direttamente controllati dal rapporto di passo della torsione, rappresentato come la tenuta della torsione.

Qual è il rapporto del passo negli inserti a nastro ritorto?
Il rapporto del passo è il rapporto tra la lunghezza necessaria per eseguire una torsione completa di 360 gradi (la lunghezza del passo) e la larghezza del nastro. Ad esempio, un nastro che fa un giro completo su una distanza pari alla propria larghezza ha un rapporto di passo pari a 1. Se il nastro si avvolge completamente su una lunghezza cinque volte la sua larghezza, il rapporto di passo è 5. Rapporto di passo basso=torsione molto stretta e violenta . Rapporto di tono elevato=torsione più morbida e sciolta.

In realtà, gli inserti a nastro ritorto per tubi in PTFE sono realizzati in PTFE o PFA (perfluoroalcossi alcano) per garantire la piena compatibilità chimica con fluidi di processo altamente corrosivi. Ciò garantisce l'assenza di contaminazioni metalliche o problemi di corrosione galvanica anche con acidi potenti, solventi o mezzi ultrapuri.

Effetto del rapporto del passo sulla turbolenza e sul trasferimento di calore
Quando il fluido passa attraverso un tubo contenente un nastro attorcigliato, il nastro spinge il flusso a seguire uno schema elicoidale. Questo vortice genera forze centrifughe che spingono il fluido più pesante verso la parete del tubo, assottigliando così efficacemente lo strato limite termico. Ciò corrisponde a un coefficiente di scambio termico convettivo maggiore o a un numero di Nusselt più elevato.

Il rapporto del passo è direttamente responsabile della forza del vortice. La componente di velocità tangenziale più forte è causata da una torsione più stretta (rapporto di passo inferiore, ad es. . 2). Tale che il miglioramento del trasferimento di calore solitamente indicato come il rapporto tra il numero di Nusselt con l'inserto e quello di un tubo liscio può arrivare fino al 150% o più. Tuttavia, questa rotazione rapida porta anche ad un attrito del fluido sostanzialmente più elevato, che porta ad un enorme aumento della caduta di pressione, spesso nell'ordine del 200-600% rispetto a un tubo vuoto.

D'altra parte, una torsione più lenta (rapporto di tono più alto, ad esempio . 5 o 6) darà un vortice più delicato. Il miglioramento del trasferimento di calore è relativamente modesto-tipicamente pari al 50-80% rispetto al valore del tubo semplice, ma la penalizzazione della caduta di pressione è proporzionalmente inferiore, spesso solo del 100-200% superiore.

Il rapporto del passo del nastro ritorto e le prestazioni di trasferimento del calore del PTFE non sono-correlati linearmente. La riduzione del rapporto primitivo da 6 a 2 si traduce in un aumento sproporzionatamente significativo sia del trasferimento di calore che dell'attrito. Pertanto il rapporto di passo ottimale non è un valore fisso ma dipende totalmente dalla potenza di pompaggio consentita e dal servizio termico desiderato.

Raccomandazioni pratiche di progettazione per tubi in PTFE
Nel caso dei tubi in PTFE, spesso viene scelto un rapporto di passo compreso tra 3 e 5 se la caduta di pressione non è un fattore limitante. Questo intervallo rappresenta un buon compromesso: un aumento del coefficiente di scambio termico di circa l'80-120% con un aumento delle perdite di carico del 200-350%. In generale questi valori sono tollerabili nella maggior parte delle applicazioni di processi chimici, in particolare quando la lunghezza del tubo è moderata (ad esempio, scambiatori di calore a fascio tubiero o a serpentina ad immersione).

Va notato che i tubi in PTFE stessi hanno una conduttività termica relativamente bassa (ca. 0.25 W/mK). Generalmente, la principale resistenza al calore si trova nella parete del tubo o nel film fluido interno. L'uso di un inserto in nastro ritorto con un rapporto di passo adeguato può ridurre significativamente la resistenza del film interno e quindi spostare la resistenza di controllo sull'altro lato dello scambiatore di calore. Ciò rende il progetto completo più equilibrato ed efficiente in termini di costi.

È possibile selezionare un rapporto di passo elevato compreso tra 6 e 8 per applicazioni in cui la caduta di pressione è fortemente limitata, come sistemi alimentati per gravità-o riscaldatori a gas a bassa-pressione. Ciò fornisce una turbolenza sufficiente per limitare il flusso laminare e aumentare la miscelazione radiale, ma la penalità di attrito è ancora tollerabile.

In alternativa, è possibile selezionare un rapporto di passo compreso tra 2 e 3 se è richiesto il massimo trasferimento di calore indipendentemente dalla perdita di pressione (ad esempio nel riscaldamento ad alta viscosità o dove i costi di pompaggio sono trascurabili). In tali casi il coefficiente di scambio termico può essere aumentato fino al 150%. Il progettista deve garantire che la pompa o il ventilatore possano fornire la prevalenza più elevata.

Ulteriori considerazioni ingegneristiche
La lunghezza dell'ingresso termico è ulteriormente ridotta da inserti di nastro ritorto nei tubi di PTFE, producendo un comportamento turbolento- completamente sviluppato anche a bassi numeri di Reynolds (Re < 2000). Ciò è particolarmente utile in flussi lenti o in tubi di piccolo diametro dove una reale turbolenza richiederebbe velocità di flusso poco pratiche.

Devi considerare le tolleranze di produzione. La sostanza PTFE è più flessibile, il che rende più difficile realizzare un nastro strettamente attorcigliato (rapporto di passo basso). Per rapporti di passo molto bassi (inferiori a circa 2,5) il PFA è generalmente preferito grazie alla sua maggiore rigidità e al migliore mantenimento della forma della torsione all'aumentare della temperatura.

Il rapporto del passo influisce anche sulla pulizia e sulla manutenzione. I nastri con rapporti di passo molto bassi (torsioni strette) tendono a raccogliere le particelle più facilmente e sono più difficili da rimuovere per la pulizia. Nella maggior parte dei casi, un rapporto di passo pari o superiore a 4 fornisce un percorso assiale abbastanza aperto per il passaggio dei rifiuti o per l'inserimento di un pig di pulizia.

Riepilogo
Il rapporto del passo di un inserto in nastro ritorto è il principale fattore di progettazione per controllare la trasmissione del calore rispetto al compromesso della caduta di pressione-nei tubi in PTFE. Una forte turbolenza e un elevato miglioramento-del trasferimento di calore si ottengono con un rapporto di passo inferiore (torsione più stretta) al prezzo di un notevole aumento delle perdite per attrito. Rapporti di tono più alti (torsioni più lente) si traducono in una spinta più morbida e più efficiente dal punto di vista energetico. Un rapporto del passo compreso tra 3 e 5 fornisce un eccellente equilibrio per la maggior parte delle applicazioni di gestione dei fluidi corrosivi. L'ottimizzazione della forma dell'inserto, incluso il rapporto del passo, è ancora un fattore cruciale per migliorare le prestazioni dello scambiatore di calore senza compromettere la compatibilità chimica o l'integrità del materiale.