In che modo la geometria dell'inserto turbolatore influisce sulle prestazioni termiche dei tubi dello scambiatore di calore in PTFE?

La trasmissione del calore interna nel tubo liscio in PTFE è scarsa a causa della tendenza al flusso laminare. Ma l’inserimento di un dispositivo sagomato, un turbolatore, nel tubo può influenzare drasticamente l’andamento del flusso, aumentando la turbolenza e il coefficiente di scambio termico. La geometria dell'inserto turbolatore è un fattore importante per il successo del processo di scambio termico e influenza le prestazioni termiche e la caduta di pressione.

Forme tipiche degli inserti turbolatori
Gli scambiatori di calore in PTFE utilizzano spesso molti tipi di inserti turbolatori per aumentare la turbolenza sul lato del tubo e migliorare la trasmissione del calore. Le tre geometrie più comuni utilizzate sono i nastri ritorti, le bobine di filo e gli inserti con fossette o ondulati.

Nastri strappati
I nastri ritorti sono strisce elicoidali di materiale inserite all'interno del tubo per indurre un flusso a vortice che guida il fluido verso le pareti del tubo. Questa geometria rompe notevolmente il flusso laminare favorendo la turbolenza e aumentando il coefficiente di scambio termico. Uno dei modelli di turbolatori più efficienti e utilizzati nella pratica per aumentare il trasferimento di calore negli scambiatori di calore in PTFE è il nastro ritorto. Il flusso elicoidale che generano migliora la miscelazione del fluido, portando ad una maggiore distribuzione del calore sulla superficie del tubo.

Avvolgimento del filo
Un altro approccio frequente per aumentare la turbolenza all'interno dei tubi in PTFE consiste nell'utilizzare inserti a molla-o bobine di filo. Mentre il fluido passa attraverso il tubo, queste bobine fanno scattare lo strato limite. Il movimento caotico interrompe il flusso laminare. Le bobine di filo fanno muovere il fluido in modo irregolare aumentando così la velocità di trasferimento del calore. È interessante notare che le bobine di filo forniscono un modo equilibrato di aumentare la turbolenza senza creare grandi ostruzioni al flusso del flusso.

Inserto con fossette o ondulato
Gli inserti con fossette o ondulati creano piccoli vortici localizzati nel flusso del flusso. Questi vortici creano turbolenza nel flusso del fluido attraverso la superficie dell'inserto, aumentando così il coefficiente di trasferimento del calore. Gli inserti con fossette sono meno invasivi dei nastri ritorti o delle bobine di filo, ma sono particolarmente utili nelle applicazioni in cui è importante mantenere una bassa caduta di pressione. In pratica, vengono spesso applicati sistemi con inserti alveolati o ondulati dove si ricerca un moderato aumento del trasferimento di calore con un effetto minimo sulla potenza di pompaggio.

Scambio di prestazioni-tra trasferimento di calore e caduta di pressione
La geometria di ciascun inserto turbolatore aumenta il numero di Nusselt sul lato del tubo-, una quantità adimensionale che misura le prestazioni di trasferimento del calore. Tuttavia, queste geometrie portano ad un aumento della caduta di pressione attraverso lo scambiatore di calore che può contribuire ad aumentare le spese di pompaggio. La scelta migliore della forma dell'inserto turbolatore è determinata dal compromesso tra l'aumento del trasferimento di calore e la caduta di pressione ammissibile.

Generalmente i nastri ritorti forniscono il maggiore aumento del trasferimento di calore ma anche un aumento significativo della perdita di pressione. Le bobine di filo forniscono una via di mezzo in termini di trasferimento di calore e caduta di pressione, e quindi di prestazioni ed efficienza energetica. Gli inserti con fossette forniscono la caduta di pressione più bassa, ma forniscono un miglioramento inferiore del trasferimento di calore rispetto alle altre due alternative.

La scelta di un inserto turbolatore ottimale dipenderà dal compito di trasferimento di calore da eseguire e dalla potenza di pompaggio consentita nel sistema. Nei sistemi ad alta portata o quando il consumo di energia è un problema primario, un design più moderato dell'inserto turbolatore come bobine di filo o fossette è l'ideale.

Tabella di confronto per i tipi di turbolatori
L'effetto del tipo di turbolatore sulla caduta di pressione nel miglioramento del trasferimento di calore
Nastri ritorti Alta Alta Bobine di filo Moderato Moderato
Inserti con fossette Conclusione medio bassa
Gli inserti turbolatori rappresentano un aggiornamento conveniente e pratico per migliorare le prestazioni termiche dei tubi degli scambiatori di calore in PTFE. Questi inserti aumentano la velocità di trasferimento del calore aumentando la turbolenza sul lato del tubo-. Ciò è particolarmente utile per un materiale con bassa conduttività termica come il PTFE. La geometria dell'inserto turbolatore deve essere scelta con attenzione per ottenere il miglioramento desiderato nel trasferimento di calore, mantenendo la caduta di pressione in un intervallo accettabile. Il miglioramento del trasferimento di calore continua a rappresentare un’importante area di innovazione per il trattamento termico. Lo sviluppo di nuovi design e materiali per turbolatori porterà probabilmente a miglioramenti delle prestazioni ancora più elevati.