Quali sono le prestazioni dei turbolatori a molla a spirale nei tubi per scambiatori di calore in PTFE?

Questa bobina di filo di base a forma di molla-, posizionata all'interno di un tubo in PTFE, può servire a migliorare sostanzialmente il trasferimento di calore. La bobina interrompe il flusso sulla parete del tubo ma non ostruisce il centro, a differenza di un nastro solido e ritorto. Ciò porta ad un diverso equilibrio delle prestazioni. Questa tecnologia di aumento passivo del trasferimento di calore è particolarmente utile per gli scambiatori di calore in PTFE in cui la limitata conduttività termica del polimero stesso (≈0,25 W/m·K) limita i coefficienti di trasferimento di calore complessivi. Il gruppo scambiatore di calore di un turbolatore con molla a spirale in PTFE rompe lo strato limite del lato del tubo e produce grandi miglioramenti nell'efficienza termica.

Comprensione della geometria del turbolatore a molla a spirale
Il turbolatore con molla a spirale è una bobina di filo avvolto elicoidale che si adatta perfettamente al diametro interno del tubo in PTFE. La bobina è definita da tre parametri geometrici:

Diametro del filo (d_w) – solitamente 1-3 mm, a seconda delle dimensioni del tubo

Passo della bobina (p) – spaziatura assiale tra spire vicine

Diametro esterno della bobina (D c): leggermente più piccolo del diametro interno del tubo (D i) per l'inserimento

L'efficacia del turbolatore è determinata dal rapporto tra il diametro del filo e il diametro del tubo (dw /D i ) e il rapporto tra passo e diametro (p/D i ). Gli standard di progettazione comuni suggeriscono che le prestazioni ottimali si ottengono per dw / D i compresi tra 0,1 e 0,2 e p / D i compresi tra 1 e 3.

La serpentina può essere realizzata in molti materiali a seconda del fluido da trattare. Per flussi acquosi o acidi corrosivi, si consiglia un filo metallico rivestito in PTFE-o una bobina monofilamento in PTFE solido. Per fluidi meno abrasivi in ​​cui la contaminazione da metalli non rappresenta un problema, è possibile utilizzare fili altamente legati (ad es. acciaio inossidabile 316L, Hastelloy C-276). Nei sistemi interamente in fluoropolimeri, una molla in PFA o PTFE fornisce una resistenza chimica totale.

Il meccanismo di separazione dello strato limite
In un tubo liscio sottoposto a flusso laminare o a basso numero di -Reynolds-, è presente uno strato limite stazionario (il sottostrato laminare) formato sulla parete del tubo. Questo strato sottile è la principale resistenza al trasferimento di calore. Questo sottostrato deve essere attraversato solo per conduzione, il che è inefficiente.

Il viaggio dello strato limite- è il turbolatore della molla a spirale. Mentre il fluido scorre attraverso il tubo, ogni giro della bobina produce separazione locale del flusso, vortici e miscelazione radiale. È importante sottolineare che la bobina non blocca il centro del tubo - il flusso del nucleo è sostanzialmente senza ostacoli. Si tratta di una molla a spirale invece di un solido nastro ritorto che fa scorrere l'intero fluido con un movimento vorticoso e spesso porta a una zona morta attorno al centro del nastro.

L'effetto principale della molla si verifica in prossimità della parete del tubo. Nel punto di massima resistenza termica la bobina rompe periodicamente lo strato limite in crescita, aumentando la miscelazione turbolenta. In un confronto sperimentale, è stato dimostrato che una molla elicoidale ben-progettata può aumentare il numero di Nusselt (Nu) del lato del tubo-da 2 a 3 volte rispetto a un tubo liscio nelle stesse circostanze di flusso.

Prestazioni misurate: numero di Nusselt e caduta di pressione
Il compromesso-tra miglioramento del trasferimento di calore e perdita di pressione è costantemente visibile. Gli intervalli tipici descritti negli studi peer-reviewed per i turbolatori a molla a spirale sono compresi nei numeri di Reynolds da 500 a 10.000:

Parametro Tubo liscio con spirale a spirale
Numero di Nusselt (Nu) Baseline (1×) Incremento 2–3×
Fattore di attrito (f) Baseline (1x) Aumento di 3-6 volte
Il fattore di miglioramento dipende molto dalla geometria della bobina. Un passo più stretto (p/D_i inferiore) comporta interruzioni di flusso più frequenti e quindi un Nu più elevato, ma anche una maggiore caduta di pressione. D'altra parte, una bobina più rilassata minimizza la penalità di pressione e tuttavia produce un miglioramento significativo.

Il design della bobina è una soluzione personalizzabile: per una data applicazione è possibile scegliere il passo e il diametro del filo per soddisfare le limitazioni del processo sulla caduta di pressione consentita. La massima trasmissione del calore si ottiene con una serpentina ermetica per fluidi puliti e dove la forza di pompaggio è sufficiente. Per un fluido viscoso o sensibile al taglio, una bobina più allentata fornisce un'azione di miscelazione più delicata.

Vantaggi dei nastri ritorti solidi
Il turbolatore a molla a spirale presenta alcuni vantaggi pratici rispetto a un solido inserto in nastro ritorto:

Ridotta tendenza alle incrostazioni - La molla non produce zone stagnanti completamente chiuse, cioè le particelle sospese o i solidi precipitati hanno meno probabilità di depositarsi. Un nastro solido, soprattutto in un tubo orizzontale, potrebbe fornire un'area a basso flusso-nell'"ombra" del nastro dove iniziano le incrostazioni. La struttura aperta di una molla consente lo spurgo continuo del fluido.

Installazione e rimozione più semplici - Una molla elicoidale può essere facilmente inserita in un tubo e fissata alle estremità. Per le applicazioni di retrofit, i tubi esistenti degli scambiatori di calore in PTFE possono essere adattati alle molle senza modifiche permanenti. La pulizia è semplice, basta estrarre la bobina, pulirla e rimetterla a posto.

Meno costi del materiale - C'è molto meno materiale in una bobina di filo rispetto a un nastro solido, soprattutto per tubi di lunga lunghezza. Se sono necessarie leghe o fluoropolimeri costosi, la differenza di costo è significativa.

Compatibilità di espansione dei tubi in PTFE - I tubi in PTFE hanno un elevato coefficiente di espansione termica. Un nastro solido che si adatta alla temperatura ambiente potrebbe diventare troppo stretto alla temperatura di funzionamento e danneggiare il tubo. La molla elicoidale è flessibile e può accettare variazioni dimensionali senza sviluppare una forza radiale eccessiva.

Un punto pratico Numero di Reynolds minimo per l'efficacia
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10.000) la turbolenza naturale distrugge già efficacemente lo strato limite e il beneficio incrementale della bobina è ridotto rispetto alla caduta di pressione aggiuntiva. I turbolatori con molla a spirale sono quindi più adatti per scambiatori di calore in PTFE funzionanti con fluidi viscosi, flussi a bassa velocità di flusso o geometrie compatte che sono naturalmente caratterizzate da una bassa portata.

Negli esperimenti, vediamo che il fattore di potenziamento diminuisce con l'aumentare del numero di Reynolds. Al di sotto di Re $\\circa$ 200 la bobina può ancora migliorare il trasferimento di calore creando lievi flussi secondari, ma l'effetto è meno evidente rispetto alla zona di transizione da laminare-a-turbolenta.

Applicazioni di retrofit e disponibilità commerciale
I turbolatori con molla a spirale disponibili in commercio sono disponibili presso numerosi produttori di componenti di scambiatori di calore. I comuni diametri dei tubi in PTFE (diametro interno 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm e 20 mm) sono disponibili come modelli standard. È possibile produrre larghezze e passi di filo speciali per soddisfare esigenze di processo specifiche.

Una situazione comune di rimontaggio è quella di uno scambiatore di calore a tubo-e-in PTFE esistente che non funziona bene a causa dei coefficienti di trasferimento di calore laterali-del tubo bassi. Invece di ricostruire l'intero scambiatore, metti i turbolatori in ciascun tubo. L'installazione viene generalmente eseguita durante un'interruzione di manutenzione pianificata. L'aumento del coefficiente di trasferimento termico complessivo (U) fornisce una maggiore produttività o un minore consumo di servizi caldi, oppure una minore area necessaria per un nuovo progetto.

Conclusione: un aiuto per l'installazione semplice ed efficace
I turbolatori con molla a spirale sono una scelta efficace e facile da installare per migliorare il trasferimento di calore dei tubi in PTFE, in particolare nei servizi puliti. Gli inserti rivoluzionano le prestazioni termiche degli scambiatori di calore in PTFE a bassa-conduttività aumentando il numero di Nusselt sul lato del tubo-di un fattore da 2 a 3 con una ragionevole penalità di caduta di pressione da 3 a 6 volte. La disposizione dello scambiatore di calore in PTFE con turbolatore a molla a spirale è aperta, non-incrostante e utilizza materiale flessibile (PTFE, PFA o filo in lega) che lo rende adatto per applicazioni corrosive, di elevata{9}}purezza e di retrofitting.

Sono disponibili numerose forme di turbolatori per soddisfare diversi scopi, inclusi nastri ritorti, reti metalliche e miscelatori statici. La molla a spirale ha una nicchia speciale, un miglioramento moderato, una bassa incrostazione e un'installazione semplice. Il turbolatore con molla a spirale merita una considerazione considerevole da parte degli ingegneri di processo che cercano un modo passivo e a bassa-manutenzione per ottimizzare la trasmissione del calore pur mantenendo la resistenza chimica.