Rajakerroksen ongelma
Lämmönsiirtoa PTFE-putken seinämästä ympäröivään prosessinesteeseen ei tapahdu itse seinässä. Se esiintyy pysähtyneen nestekalvon-rajakerroksen- poikki, joka tarttuu putken pintaan. Lämmön on johdettava tämän liikkumattoman kerroksen läpi ennen kuin se saavuttaa bulkkinesteen, josta konvektio kuljettaa sen pois.
PTFE-lämmönvaihtimissa rajakerroksen hallinta on kriittistä. Fluoripolymeeriputken seinämä lisää jo johtavaa vastusta. Paksun rajakerroksen vastuksen lisääminen päälle alentaa edelleen yleistä lämmönsiirtokerrointa. Ratkaisu on nesteen nopeus. Suurempi nopeus ohenee rajakerrosta, mikä vähentää lämpövastusta ja parantaa lämmönsiirtoa.
Nopeus ei kuitenkaan voi kasvaa ilman rajoituksia. Pumppauskustannukset nousevat nopeuden neliön myötä. Liiallinen nopeus voi aiheuttaa putken tärinää ja eroosiota. Suunnittelutehtävänä on tunnistaa nopeusalue, joka minimoi rajakerroksen vastuksen aiheuttamatta muita ongelmia.
Nopeuden ja rajakerroksen paksuuden välinen suhde
Poikkivirtausputken rajakerroksen paksuus riippuu Reynoldsin numerosta. Re=2,000:n alapuolella virtaus on laminaarista ja rajakerros paksuus-tyypillisesti 1-3 millimetriä. Lämmönsiirtoa hallitsee johtuminen tämän pysähtyneen kalvon läpi, mikä tuottaa alhaiset lämmönsiirtokertoimet.
Re=4 000:n yläpuolella virtaus siirtyy turbulenttiin. Rajakerroksesta tulee paljon ohuempi-tyypillisesti 0,1–0,5 millimetriä. Pyörteiset pyörteet tunkeutuvat lähelle seinää parantaen merkittävästi lämmönsiirtoa. Turbulentissa virtauksessa lämmönsiirtokerroin voi olla 3-5 kertaa suurempi kuin laminaarivirtauksessa.
10 mm:n ulkohalkaisijaltaan PTFE-putkelle happopinnoituskylvyssä 60 asteessa siirtyminen laminaarisesta pyörteiseen rajakerroksesta tapahtuu noin 0,4-0,5 m/s poikkivirtausnopeudella. Tämän alapuolella rajakerros on paksu ja eristävä. Tämän yläpuolella rajakerros ohenee ja lämmönsiirto paranee huomattavasti.
Taulukko 1: Rajakerroksen ominaisuudet vs. nesteen nopeus 10 mm:n PTFE-putkelle vesihapossa 60 asteessa
| Nesteen nopeus (m/s) | Reynoldsin numero | Virtausjärjestelmä | Noin Rajakerroksen paksuus (mm) | Suhteellinen lämmönsiirtokerroin |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Laminaari | 2.0-3.0 | 1.0 (perustaso) |
| 0.2 | 2,200 | Siirtymäaikainen | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Siirtymäaikainen | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | Myrskyisä | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | Myrskyisä | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | Myrskyisä | 0.1-0.2 | 4.8 |
Laskelmat 10mm OD putkelle nesteessä, jonka tiheys on 1100 kg/m³ ja viskositeetti 1,2 cP, tyypillisesti happopinnoitusliuoksille. Lämmönsiirtokerroin suhteessa laminaariseen perusviivaan.
Käytännön nopeussuosituksia
Tiedot osoittavat laskevan tuoton yli 0,8 m/s. Lämmönsiirtokerroin paranee vain 17 %, kun nopeus kasvaa 0,8:sta 1,2 m/s:iin, kun taas pumppausteho kasvaa yli 200 %. Taloudellinen optimi useimmille PTFE-kuori--ja-putkimalleille on 0,5–0,8 m/s poikkivirtausnopeus.
Tämän nopeuden saavuttaminen upotushauteessa edellyttää joko pumpattua kierrätystä ulkopuolisen kuoren{0}}ja -putkenvaihtimen kautta tai mekaanista sekoitusta säiliön sisällä. Ilmaruiskutus, joka on yleinen pinnoitussäiliöissä, tuottaa tyypillisesti paikallisia nopeuksia 0,3-0,5 m/s-, joka riittää rikkomaan paksuimmat rajakerrokset, mutta alle lämmönsiirron optimaalisen nopeuden. Mekaaniset sekoittimet tai induktorisuuttimet voivat nostaa paikallisia nopeuksia suositellulle alueelle.
Ulkoisten PTFE-vaippa-ja-putkivaihtimien, joissa on pumpattava virtaus, suunnittelunopeus saavutetaan mitoittamalla vaipan halkaisija ja välilevyjen etäisyys, jotta saavutetaan tavoitepoikkivirtausnopeus suunnitellun tilavuusvirtausnopeuden mukaisesti.
PTFE{0}}Erityisiä huomioita
PTFE-putket ovat joustavia. Suurilla poikkivirtausnopeuksilla putket voivat täristä, jos tukemattomat jännevälit ovat liian pitkiä. Tukilevyt, jotka on sijoitettu 150-200 mm:n välein 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan putkille, estävät tärinän aiheuttaman väsymisen ja sallivat samalla rajakerroksen hyödyn turbulenttisesta virtauksesta.
PTFE-putken sileä pinta tarjoaa toissijaisen edun. Tietylle Reynolds-luvulle sileällä putkella on hieman ohuempi rajakerros kuin karkealla putkella. PTFE:n alkuperäinen sileys ja sen kestävyys kalkkikertymistä ylläpitävät tämän edun koko laitteen käyttöiän ajan.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihdinputkien rajakerroksen paksuutta ohjataan nesteen nopeudella. Siirtyminen laminaarisesta turbulenttiseen virtaukseen arvolla Re ≈ 4 000 vastaa noin 0,4-0,5 m/s tyypillisissä happokylpyolosuhteissa. Pyörteinen virtaus vähentää rajakerroksen vastusta kertoimella 3-5.
Suositeltu nopeusalue 0,5-0,8 m/s tasapainottaa lämmönsiirron paranemisen pumppauskustannuksia vastaan. Tämä nopeus on saavutettavissa pumpatulla kierrätyksellä, mekaanisella sekoituksella tai imuputkijärjestelmillä. PTFE-putken tukivälin on vastattava valittua nopeutta tärinän estämiseksi.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimen nesteen nopeuden optimointiin on saatavilla, kun prosessinesteen ominaisuudet, virtauskonfiguraatio, käytettävissä oleva pumppukapasiteetti ja lämmönsiirron suorituskykyvaatimukset on toimitettu.
