Problem graničnog sloja
Prijenos topline sa zida PTFE cijevi na okolni procesni fluid se ne događa na samom zidu. Događa se preko ustajalog fluidnog filma-graničnog sloja-koji se lijepi za površinu cijevi. Toplota mora proći kroz ovaj nepomični sloj prije nego što stigne do rasute tekućine gdje je konvekcija odnese.
Za PTFE izmjenjivače topline, upravljanje graničnim slojem je kritično. Zid cijevi od fluoropolimera već dodaje provodljivu otpornost. Dodavanje otpora debelog graničnog sloja na vrhu dodatno smanjuje ukupni koeficijent prijenosa topline. Rješenje je brzina fluida. Veća brzina razrjeđuje granični sloj, smanjujući toplinski otpor i poboljšavajući prijenos topline.
Međutim, brzina se ne može povećati bez ograničenja. Troškovi pumpanja rastu s kvadratom brzine. Prekomjerna brzina može uzrokovati vibracije cijevi i eroziju. Inženjerski zadatak je identificiranje raspona brzina koji minimizira otpor graničnog sloja bez stvaranja drugih problema.
Odnos između brzine i debljine graničnog sloja
Debljina graničnog sloja na cijevi u poprečnom toku ovisi o Reynoldsovom broju. Ispod Re=2, 000, protok je laminaran i granični sloj je debeo-obično 1-3 milimetra. Prijenosom topline dominira provođenje kroz ovaj stagnirajući film, što daje niske koeficijente prijenosa topline.
Iznad Re=4, 000, tok prelazi u turbulentan. Granični sloj postaje mnogo tanji-obično 0,1-0,5 milimetara. Turbulentni vrtlozi prodiru blizu zida, dramatično poboljšavajući prijenos topline. Koeficijent prolaza toplote kod turbulentnog strujanja može biti 3-5 puta veći nego kod laminarnog strujanja.
Za 10mm OD PTFE cijev u kadi za kiselo oblaganje na 60 stepeni, prijelaz iz laminarnog u turbulentni granični sloj se dešava pri brzini unakrsnog toka približno 0,4-0,5 m/s. Ispod toga, granični sloj je debeo i izolirajući. Iznad toga, granični sloj se stanji i prijenos topline se značajno poboljšava.
Tabela 1: Karakteristike graničnog sloja u odnosu na brzinu fluida za 10 mm PTFE cijev u vodenoj kiselini na 60 stepeni
| Brzina fluida (m/s) | Reynoldsov broj | Flow Regime | Pribl. Debljina graničnog sloja (mm) | Relativni koeficijent prenosa toplote |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Laminar | 2.0-3.0 | 1.0 (osnovna linija) |
| 0.2 | 2,200 | Prijelazni | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Prijelazni | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | Turbulentno | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | Turbulentno | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | Turbulentno | 0.1-0.2 | 4.8 |
Proračuni za 10 mm OD cijevi u fluidu gustine 1.100 kg/m³ i viskoziteta 1,2 cP, tipično za rastvore za kiselo prevlačenje. Koeficijent prijenosa topline u odnosu na laminarnu osnovnu liniju.
Praktične preporuke za brzinu
Podaci pokazuju smanjenje povrata iznad 0,8 m/s. Koeficijent prolaza toplote se poboljšava samo za 17% kada se brzina poveća sa 0,8 na 1,2 m/s, dok se snaga pumpe povećava za preko 200%. Ekonomski optimum za većinu dizajna PTFE školjke-i-cijevi je između 0,5 i 0,8 m/s poprečne brzine protoka.
Postizanje ove brzine u uranjajućem kupatilu zahtijeva ili pumpnu recirkulaciju kroz eksterni izmjenjivač školjke-i-ili mehaničko miješanje unutar rezervoara. Prskanje zraka, uobičajeno u tankovima za oblaganje, tipično proizvodi lokalizirane brzine od 0,3-0,5 m/s – dovoljne za razbijanje najdebljih graničnih slojeva, ali ispod optimalne za prijenos topline. Mehaničke miješalice ili eduktori mlaznice mogu povećati lokalne brzine u preporučeni raspon.
Za eksterne PTFE kućište-i-izmjenjivače sa pumpanim protokom, projektna brzina se postiže dimenzioniranjem prečnika omotača i razmaka između pregrada kako bi se dobila ciljna brzina poprečnog protoka pri projektovanoj zapreminskoj brzini protoka.
PTFE{0}}Posebna razmatranja
PTFE cijevi su fleksibilne. Pri velikim brzinama poprečnog toka, cijevi mogu vibrirati ako su rasponi bez potpore predugački. Potporne ploče raspoređene u intervalima od 150-200 mm za cijevi OD 10 mm sprječavaju zamor izazvan vibracijama, a istovremeno omogućavaju prednost graničnog sloja turbulentnog strujanja.
Glatka površina PTFE cijevi nudi sekundarnu prednost. Za dati Reynoldsov broj, glatka cijev ima nešto tanji granični sloj od grube cijevi. Početna glatkoća PTFE-a i njegova otpornost na nakupljanje kamenca održavaju ovu prednost tokom cijelog vijeka trajanja opreme.
Rezime
Debljina graničnog sloja na PTFE cijevima izmjenjivača topline kontrolira se brzinom fluida. Prijelaz iz laminarnog u turbulentno strujanje pri Re ≈ 4,000 odgovara približno 0,4-0,5 m/s za tipične uslove kisele kupke. Turbulentno strujanje smanjuje otpor graničnog sloja za faktor 3-5.
Preporučeni opseg brzine od 0,5-0,8 m/s balansira poboljšanje prijenosa topline u odnosu na troškove pumpanja. Ova brzina se može postići kroz pumpnu recirkulaciju, mehaničku agitaciju ili eduktorne sisteme. Razmak nosača PTFE cijevi mora odgovarati odabranoj brzini kako bi se spriječile vibracije.
Inženjerska analiza za optimizaciju brzine fluida izmjenjivača topline PTFE je dostupna nakon podnošenja karakteristika procesnog fluida, konfiguracije protoka, dostupnog kapaciteta pumpanja i zahtjeva performansi prijenosa topline.
