PTFE-putken sisällä oleva kierretty teippisisäke luo pyörteisen virtauksen, joka parantaa lämmönsiirtoa. Kierteen kireys-ilmaistuna äänenkorkeussuhteena-säätelee suoraan tämän pyörteen voimakkuutta ja tuloksena olevaa suorituskyvyn vaihtoa-.
Kierrettyjen nauhalisäkkeiden äänenkorkeussuhteen ymmärtäminen
Pituuden suhde määritellään yhden täyden 360 asteen kierteen (jakovälin pituus) tarvittavan pituuden suhde nauhan leveyteen. Esimerkiksi nauhan, joka kiertyy kerran kokonaan omaa leveyttä vastaavan etäisyyden yli, kierresuhde on 1. Nauhan, joka kiertyy kokonaan matkan yli viisi kertaa sen leveyden verran, välisuhde on 5. Matala kierre tarkoittaa erittäin tiukkaa, aggressiivista kierrettä; korkea äänenkorkeussuhde osoittaa löysempää, lievempää kierrettä.
Käytännössä PTFE-putkien kierretyt teippisisäkkeet valmistetaan PTFE:stä tai PFA:sta (perfluorialkoksialkaanista), jotta ne säilyttävät täydellisen kemiallisen yhteensopivuuden erittäin syövyttävien prosessinesteiden kanssa. Tämä varmistaa, että metallista kontaminaatiota tai galvaanista korroosiota ei esiinny edes käsiteltäessä aggressiivisia happoja, liuottimia tai erittäin puhtaita aineita.
Kuinka sävelkorkeussuhde vaikuttaa pyörteeseen ja lämmönsiirtoon
Kun neste virtaa kierrettyä nauhaa sisältävän putken läpi, nauha pakottaa nesteen seuraamaan kierteistä reittiä. Tämän pyörteen synnyttämät keskipakovoimat työntävät tiheämpää nestettä kohti putken seinämää ohentaen tehokkaasti lämpörajakerrosta. Ohuempi rajakerros johtaa korkeampaan konvektiiviseen lämmönsiirtokertoimeen, joka ilmaistaan lisääntyneenä Nusselt-lukuna.
Äänenkorkeussuhde määrää suoraan tämän pyörteen voimakkuuden. Tiukempi kierre (alempi sävelkorkeussuhde, esim. 2) tuottaa paljon vahvemman tangentiaalisen nopeuskomponentin. Näin ollen lämmönsiirron tehostaminen-mitataan usein Nusselt-luvun suhteeksi insertin ja tavallisen putken kanssa-voi saavuttaa 150 % tai enemmän. Tämä voimakas pyörteily aiheuttaa kuitenkin myös huomattavasti suuremman nestekitkan, mikä johtaa huomattavaan paineen laskuun, tyypillisesti 200–600 % verrattuna tyhjään putkeen.
Päinvastoin löysempi kierre (korkea äänenkorkeussuhde, esim. 5 tai 6) tuottaa lievemmän pyörteen. Lämmönsiirron parannus on vaatimattomampi-usein 50–80 % tavallisen putken arvon yläpuolella,-mutta painehäviö on vastaavasti pienempi, usein vain 100–200 % suurempi.
Suhdekierretyn nauhan jakosuhde PTFE-lämmönsiirtosuorituskyky on epälineaarinen. Kierteen kiristäminen noususuhteesta 6 alaspäin 2:een tuottaa suhteettoman suuren lisäyksen sekä lämmönsiirrossa että kitkassa. Siksi optimaalinen äänenkorkeussuhde ei ole koskaan kiinteä luku; se riippuu täysin sallitusta pumppaustehosta ja vaaditusta lämpötehosta.
Käytännön suunnittelusuosituksia PTFE-putkille
Yleinen suunnitteluvaihtoehto on valita PTFE-putkien jakosuhteeksi 3–5, kun painehäviö ei ole vakavasti rajoittava tekijä. Tämä valikoima tarjoaa tasapainoisen parannuksen: lämmönsiirtokertoimen parannus noin 80–120 % ja painehäviön lisäys 200–350 %. Nämä arvot ovat yleensä hallittavissa useimmissa kemian prosessisovelluksissa, erityisesti kun putken pituus on kohtalainen (esim. vaippa-putki- tai upotuskierukkalämmönvaihtimet).
On syytä huomata, että itse PTFE-putkilla on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus (noin 0,25 W/m·K). Hallitseva lämpövastus on usein putken seinämässä tai sisäisessä nestekalvossa. Käyttämällä kierrettyä teippisisäkettä, jolla on sopiva jakosuhde, voidaan kalvon sisäistä vastusta vähentää huomattavasti, jolloin ohjausvastus siirtyy lämmönvaihtimen toiselle puolelle. Tämä tekee kokonaissuunnittelusta tasapainoisemman ja kustannustehokkaamman.
Sovelluksiin, joissa painehäviö on äärimmäisen rajoitettu,-kuten painovoimajärjestelmiin tai matalapaineiseen kaasulämmitykseen-voidaan määrittää korkea noususuhde 6:8. Tuloksena oleva pyörre on edelleen riittävä vaimentamaan laminaarista virtausta ja parantamaan säteittäistä sekoittumista, mutta kitkarajoitus pysyy kuitenkin hyväksyttävissä rajoissa.
Toisaalta, kun vaaditaan maksimaalista lämmönsiirtoa painehäviöstä riippumatta (esim. korkeaviskoosisessa lämmityksessä tai kun pumppauskustannukset ovat mitättömät), voidaan käyttää noususuhdetta 2:3. Tällaisissa tapauksissa lämmönsiirtokerrointa voidaan parantaa jopa 150 %, mutta suunnittelijan on varmistettava, että pumppu tai puhallin pystyy syöttämään lisäpainekorkeuden.
Muita teknisiä huomioita
Kierretyt teippisisäkkeet PTFE-putkissa lyhentävät myös lämpötulon pituutta, mikä mahdollistaa täysin kehittyneen turbulenttisen käyttäytymisen jopa pienillä Reynolds-luvuilla (Re < 2000). Tämä on erityisen arvokasta viskoottisissa virtauksissa tai halkaisijaltaan pienissä putkissa, joissa todellisen turbulenssin saavuttaminen vaatisi epäkäytännöllisiä virtausnopeuksia.
Valmistustoleranssit on otettava huomioon. Tiukasti kierrettyä teippiä (matala äänenkorkeussuhde) on vaikeampi valmistaa PTFE:stä materiaalin joustavuuden vuoksi. Hyvin alhaisille noususuhteille (alle noin 2,5) PFA on usein edullinen, koska se on jäykempi ja säilyttää kierregeometrian paremmin korkeissa lämpötiloissa.
Puhdistukseen ja huoltoon vaikuttaa myös noususuhde. Teipit, joissa on erittäin alhainen jakosuhde (tiukat kierteet), voivat vangita hiukkasia helpommin ja niitä on vaikeampi poistaa puhdistusta varten. Noususuhde 4 tai enemmän tarjoaa yleensä riittävän avoimen aksiaalisen reitin, jotta roskat kulkeutuvat läpi tai puhdistussika voidaan asettaa paikalleen.
Johtopäätös
Kierretyn teippisisäkkeen jakosuhde on ensisijainen suunnitteluvipu, joka säätää lämmönsiirron ja painehäviön välisen kompromissin PTFE-putkissa. Pienemmät noususuhteet (tiukemmat kierteet) tuottavat voimakkaan pyörteen ja suuren lämmönsiirron lisääntyneen kitkahäviön kustannuksella. Suuremmat äänenkorkeussuhteet (löysempiä käänteitä) tarjoavat pehmeämmän ja energiatehokkaamman parannuksen. Useimmissa syövyttävien nesteiden käsittelysovelluksissa 3–5 välinen jakosuhde tarjoaa optimaalisen tasapainon. Terän geometrian optimointi-mukaan lukien noususuhde- on edelleen keskeinen osa lämmönvaihtimen suorituskyvyn parantamista vaarantamatta kemiallista yhteensopivuutta tai materiaalin eheyttä.
