Hoe beïnvloedt de turbulator-insertgeometrie de thermische prestaties van PTFE-warmtewisselaarbuizen?

De inwendige warmteoverdracht in de gladde PTFE-buis is slecht vanwege de neiging tot laminaire stroming. Maar het inbrengen van een gevormd apparaat, een turbulator, in de buis kan het stromingspatroon drastisch beïnvloeden, waardoor de turbulentie en de warmteoverdrachtscoëfficiënt toenemen. De geometrie van het turbulatorinzetstuk is een belangrijke factor voor het succes van het warmtewisselingsproces en beïnvloedt zowel de thermische prestaties als de drukval.

Typische vormen van turbulatorinzetstukken
PTFE-warmtewisselaars maken vaak gebruik van vele soorten turbulatorinzetstukken om de turbulentie aan de buiszijde te vergroten en de warmteoverdracht te verbeteren. De drie meest gebruikte geometrieën zijn gedraaide tapes, draadspoelen en ingedeukte of gegolfde inzetstukken.

Banden uit elkaar gescheurd
Gedraaide tapes zijn spiraalvormige stroken materiaal die in de buis worden geplaatst om een ​​wervelstroom te veroorzaken die de vloeistof naar de buiswanden drijft. Deze geometrie verbreekt aanzienlijk de laminaire stroming, wat de turbulentie bevordert en de warmteoverdrachtscoëfficiënt verhoogt. Een van de meest efficiënte en in de praktijk gebruikte turbulatorontwerpen voor het vergroten van de warmteoverdracht in PTFE-warmtewisselaars is de gedraaide tape. De wervelstroom die ze genereren verbetert de menging van de vloeistof, wat leidt tot een betere verdeling van de warmte over het buisoppervlak.

Draad oprollen
Een andere veelgebruikte aanpak om de turbulentie in PTFE-buizen te vergroten is het gebruik van veer-achtige inzetstukken of draadspiralen. Terwijl de vloeistof door de buis stroomt, schakelen deze spoelen de grenslaag uit. De chaotische beweging onderbreekt de laminaire stroming. De draadspoelen zorgen ervoor dat de vloeistof op een onregelmatige manier beweegt, waardoor de snelheid van de warmteoverdracht toeneemt. Het is interessant om op te merken dat de draadspoelen op een evenwichtige manier de turbulentie vergroten zonder veel belemmering van de stroming te creëren.

Ingedeukt of gegolfd inzetstuk
Geribbelde of gegolfde inzetstukken creëren kleine, plaatselijke wervels in de stroming. Deze wervels zorgen voor turbulentie in de vloeistofstroom over het inzetoppervlak, waardoor de warmteoverdrachtscoëfficiënt toeneemt. Gedeukte inzetstukken zijn minder invasief dan gedraaide tapes of draadspoelen, maar zijn vooral nuttig in toepassingen waarbij het belangrijk is om een ​​lage drukval te handhaven. In de praktijk worden vaak systemen met ingedeukte of gegolfde inzetstukken toegepast waarbij een gematigde vergroting van de warmteoverdracht wordt nagestreefd met een minimaal effect op het pompvermogen.

Prestatiehandel-Van warmteoverdracht versus drukdaling
Elke geometrie van het turbulatorinzetstuk verhoogt het Nusselt-getal aan de buis{0}}zijde, een dimensieloze grootheid die een maatstaf is voor de prestaties van de warmteoverdracht. Deze geometrieën leiden echter tot een toename van de drukval over de warmtewisselaar, wat kan bijdragen aan hogere pompkosten. De beste keuze voor de vorm van het turbulatorinzetstuk wordt bepaald door het compromis tussen de toename van de warmteoverdracht en de toegestane drukval.

Over het algemeen zorgen gedraaide tapes voor de grootste toename van de warmteoverdracht, maar ook voor een aanzienlijke toename van het drukverlies. Draadspoelen bieden een middenweg in termen van warmteoverdracht en drukval, en dus prestaties en energie-efficiëntie. Inzetstukken met noppen zorgen voor de laagste drukval, maar zorgen voor een lagere verbetering van de warmteoverdracht in vergelijking met de andere twee alternatieven.

De keuze voor een optimaal turbulatorinzetstuk zal afhangen van de uit te voeren warmteoverdrachtstaak en het toegestane pompvermogen in het systeem. In systemen met een hoge stroomsnelheid of wanneer energieverbruik een primair probleem is, is een gematigder ontwerp van het turbulatorinzetstuk, zoals draadspoelen of kuiltjes, ideaal.

Vergelijkingstabel voor turbulatortypen
Het effect van het turbulatortype op de drukval bij het verbeteren van de warmteoverdracht
Gedraaide tapes Hoog Hoog Draadrollen Matig Matig
Ingedeukte inzetstukken Medium lage conclusie
Turbulator-inzetstukken zijn een kosteneffectieve en praktische upgrade voor het verbeteren van de thermische prestaties van PTFE-warmtewisselaarbuizen. Deze inzetstukken verhogen de warmteoverdrachtsnelheid door de turbulentie aan de buis-zijde te vergroten. Dit is vooral handig voor een materiaal met een lage thermische geleidbaarheid zoals PTFE. De geometrie van het turbulatorinzetstuk moet zorgvuldig worden gekozen om de gewenste verbetering van de warmteoverdracht te bereiken, terwijl de drukval binnen een acceptabel bereik blijft. Verbetering van de warmteoverdracht blijft een belangrijk innovatiegebied voor thermische verwerking. De ontwikkeling van nieuwe turbulatorontwerpen en -materialen zal waarschijnlijk nog grotere prestatiewinsten opleveren.