Qual è l'effetto del diametro del tubo sull'efficacia relativa degli inserti turbolatori negli scambiatori in PTFE?

Un inserto turbolatore che migliora notevolmente il trasferimento di calore in un tubo in PTFE di piccolo diametro può essere significativamente meno efficace in un tubo di grande diametro. Il rapporto tra la zona di miscelazione turbolenta e la sezione trasversale del tubo-diminuisce con il diametro. L'effetto di incrostazione viene generalmente ignorato quando si selezionano dispositivi di potenziamento passivo per scambiatori di calore con tubi in fluoropolimero. La conoscenza dell'influenza del diametro del tubo sulle prestazioni relative dei turbolatori è importante per la progettazione di scambiatori di calore in PTFE economici e termicamente efficienti.

L'importanza del diametro del tubo nella penetrazione della miscelazione
Gli inserti turbolatori (nastri attorcigliati, molle a spirale, reti metalliche, miscelatori statici) rompono lo strato limite sulla parete del tubo e creano flussi secondari (vortici, vortici o componenti di velocità radiale). La penetrazione di questi disturbi del flusso nella direzione del centro del tubo dipende principalmente da due fattori: la geometria dell'inserto e il diametro del tubo.

Un piccolo turbolatore può avere un impatto su una quantità significativa dell'area di flusso della sezione trasversale- di un tubo di piccolo diametro (ad esempio, diametro interno di 6 mm). I vortici che si staccano dai margini dell'inserto possono raggiungere la linea centrale del tubo, modificando il profilo di velocità complessivo da un flusso laminare o transitorio a un flusso turbolento ben miscelato. Di conseguenza, la resistenza termica concentrata vicino alla parete diminuisce notevolmente e il numero di Nusselt può essere raddoppiato o triplicato.

In un tubo di grande diametro (es. . 25 mm ID) il turbolatore identico porta solo ad una miscelazione localizzata nella regione anulare vicino alla parete. Il flusso centrale rimane sostanzialmente inalterato ed è laminare o leggermente transitorio. Ciò limita l'aumento della trasmissione del calore alla regione della parete vicina mentre il fluido centrale scorre attorno alla regione di miscelazione migliorata. Il coefficiente di trasferimento termico complessivo del lato del tubo-aumenta solo leggermente. La relazione tra l'efficacia del diametro del turbolatore e lo scambiatore in PTFE sembra essere: maggiore è il diametro, più l'effetto dell'inserto è diluito.

Una prospettiva geometrica resa semplice
Si supponga un inserto che induca un'efficace miscelazione fino ad una distanza radiale $\\delta$ dalla parete del tubo. La-sezione trasversale in cui viene migliorata la miscelazione è approssimativamente:

Per D di diametro piccolo: frazione dell'area di miscelazione=1 - ( (D-2\\delta)/D)^2

Per diametri grandi: la frazione del flusso misto diminuisce di 1/D² man mano che D cresce (per un δ fisso)

Poiché δ è vincolato dalla geometria dell'inserto (ad esempio, l'altezza del bordo di un nastro attorcigliato, il diametro del filo di una molla, ecc.), una funzione di miscelazione che interrompe il flusso a 2 mm dalla parete avrà un impatto su quasi tutto il tubo da 6 mm, ma solo su un sottile anello esterno in un tubo da 20 mm.

Implicazioni pratiche per la progettazione di scambiatori di calore in PTFE
Le dimensioni ridotte dei tubi sono tipiche degli scambiatori di calore a fascio tubiero in PTFE, solitamente con diametro interno di 6 mm, 8 mm, 10 mm o 12 mm. Questo non è un caso. I diametri più piccoli aumentano il rapporto superficie/volume, compensano la bassa conducibilità termica del PTFE e mantengono la compattezza dello scambiatore. Gli stessi diametri modesti rendono i tubi naturalmente favorevoli all'inserimento dei turbolatori.

Un'osservazione generale è che per diametri interni dei tubi fino a circa 15 mm, i design standard dei turbolatori (ad esempio molle a spirale con rapporto passo-/-diametro pari a 1-2 o nastri ritorti con rapporto di torsione pari a 3-5) portano ad un significativo aumento del trasferimento di calore (Nu/Nu_smooth=2-3). Per un inserto superiore a 20 mm, lo stesso inserto fornisce fattori di miglioramento di soli 1,2–1,5 a meno che la geometria dell'inserto non venga ridimensionata in modo aggressivo, ad esempio, un diametro del filo maggiore, un passo più stretto o una molla a più principi.

Fattori pratici di miglioramento per gli intervalli di diametro dei tubi
Inner Diameter of TubeTypical Enhancement (Nu/Nu_smooth) Pressure drop increase 6-10 mm 2.5-3.5 4-8× 12-15 mm 2.0-2.5 3-6× 16-20 mm 1.5-2.0 2-5× >20 mm 1,2-1,5 (inserto graduato richiesto) 1,5-3× (o più)
Questi valori si riferiscono a una geometria dell'inserto e un numero di Reynolds ben-abbinati nella fase di transizione (Re ~ 1000-5000). L'effetto del diametro è minore a numeri di Reynolds più alti poiché la turbolenza naturale è comunque dominante.

Ruolo del numero di Reynolds: quando i piccoli tubi continuano a guastarsi
Se la portata è molto bassa, anche un tubo di diametro ridotto non trarrà alcun vantaggio da un turbolatore. A numeri di Reynolds molto bassi (Re < 100) dominano le forze viscose e qualsiasi disturbo creato dall'inserto viene immediatamente smorzato prima che possa diffondersi attraverso la sezione trasversale del tubo. La miscelazione è ancora localizzata e il numero di Nusselt si avvicina al valore laminare per i tubi lisci. In pratica i turbolatori lavorano bene in regime di flusso transitorio ($Re sim 400-5000$). Al di sotto di questo limite il vantaggio incrementale è indipendente dal diametro.

I progettisti dovrebbero anche essere consapevoli che per una data portata di massa, i tubi più piccoli hanno naturalmente numeri di Reynolds più alti poiché la velocità è inversamente proporzionale all'area della sezione trasversale. Questo impatto sinergico è ancora più favorevole alla combinazione tubo di piccolo diametro + turbolatore. Il tubo piccolo ha già un numero di Reynolds più alto e il turbolatore amplifica il passaggio alla turbolenza.

Compromessi e conseguenze della caduta di pressione
I tubi più piccoli hanno una caduta di pressione di base maggiore rispetto ai tubi più grandi a parità di portata a causa del maggiore attrito delle pareti. L'aggiunta del turbolatore amplifica questa caduta di pressione di un fattore 3-6. La caduta di pressione totale in un tubo di diametro ridotto può diventare proibitiva, in particolare con fluidi viscosi o tubi di lunghezza estesa. D'altro canto, un tubo di grande diametro avrà una caduta di pressione di base inferiore, anche con un aumento del fattore 3 la caduta assoluta potrebbe essere accettabile. Ciò si traduce in un compromesso progettuale tra un migliore trasferimento di calore a scapito di maggiori costi di pompaggio per tubi di piccole dimensioni e un minore miglioramento del trasferimento di calore in tubi più grandi con prestazioni idrauliche più delicate.

Per gli scambiatori in PTFE, che vengono tipicamente utilizzati per fluidi corrosivi in ​​sistemi a bassa caduta di pressione (ad esempio, bagni di lucidatura dei metalli a pressione atmosferica), il progettista deve valutare questi fattori. Un metodo diffuso consiste nel selezionare un tubo ragionevolmente piccolo (ad esempio, diametro interno di 10 mm) con un turbolatore relativamente lento (ad esempio, una molla a passo lungo) per ottenere un miglioramento soddisfacente senza una significativa penalizzazione della pressione.

Consigli pratici per la scelta di un turbolatore
Considerando la notevole influenza del diametro del tubo, si possono formulare le seguenti raccomandazioni circa la specifica degli inserti turbolatori negli scambiatori in PTFE:

Per tubi con diametro interno < 10 mm: una singola molla a spirale o un nastro attorcigliato funzionano abbastanza bene. Esiste una sostanziale correlazione positiva tra l'efficacia del turbolatore del diametro del tubo e dello scambiatore in PTFE. Soprattutto per tubi molto lunghi la caduta di pressione deve essere stimata accuratamente.

Per tubi con diametro interno di 12–15 mm: gli inserti standard funzionano, con un miglioramento leggermente inferiore. Se l'aumento della caduta di pressione può essere tollerato, le prestazioni possono essere recuperate utilizzando un passo più stretto o un diametro del filo maggiore.

Per tubi con diametro interno superiore a 16 mm: gli inserti standard non sono consigliati. Le alternative sono diversi inserti (due molle parallele, un nastro ritorto multi-inizio o un tubo imballato in rete metallica, ad esempio) o l'uso di varie tecnologie di miglioramento (irruvidimento del tubo o tubi scanalati esterni). In molte circostanze, l'uso di un fascio di tubi di-diametro più piccolo può essere più economico rispetto a tubi di-diametro grande con inserti aggressivi.

Conclusione: abbinamento delle dimensioni del tubo alla strategia di miglioramento
Gli inserti turbolatori funzionano molto bene nei tubi in PTFE di piccolo diametro comunemente utilizzati nei sistemi di scambiatori in PTFE. Nei tubi con diametro interno di 6-12 mm, la miscelazione prodotta da molle o nastro penetra in una frazione considerevole della sezione trasversale del flusso-, con conseguente aumento del numero di Nusselt da due a tre volte il valore del tubo liscio. L'efficacia relativa diminuisce rapidamente con diametro superiore a 15 mm, poiché il flusso del nucleo non è miscelato e per ottenere prestazioni simili sono necessari un inserto più aggressivo o numerosi inserti.

La selezione della dimensione del tubo è correlata all'approccio di miglioramento. Per i nuovi progetti di scambiatori di calore in PTFE, il progettista dovrebbe iniziare con il carico termico desiderato e la caduta di pressione consentita. Considerazione del diametro del tubo come variabile principale. I fluidi corrosivi e puliti spesso vengono gestiti meglio con tubi piccoli dotati di turbolatori, che tendono ad essere l'opzione più compatta ed economica. Per l'aggiornamento di uno scambiatore esistente, il diametro è fisso, il fattore di miglioramento disponibile può essere approssimato utilizzando le linee guida dipendenti dal diametro sopra riportate e la geometria dell'inserto può essere adattata alla dimensione specifica del tubo. Comprendere il legame tra la larghezza del tubo, l'efficacia del turbolatore e lo scambiatore in PTFE garantisce che i turbolatori forniscano il vantaggio previsto senza inutili eccessive-progettazioni o improvvise diminuzioni di pressione.