Wat zijn de prestaties van spiraalveerturbulatoren in PTFE-warmtewisselaarbuizen?

Deze basisdraadspiraal met een veer-vorm, geplaatst in een PTFE-buis, kan dienen om de warmteoverdracht aanzienlijk te verbeteren. De spoel onderbreekt de stroming bij de buiswand maar blokkeert het midden niet, in tegenstelling tot een massief gedraaide tape. Dit leidt tot een ander prestatieevenwicht. Deze passieve technologie voor het vergroten van de warmteoverdracht is vooral nuttig voor PTFE-warmtewisselaars waarbij de beperkte thermische geleidbaarheid van het polymeer zelf (≈0,25 W/m·K) de totale warmteoverdrachtscoëfficiënten beperkt. Het warmtewisselaarsamenstel van een spiraalveerturbulator PTFE doorbreekt de grenslaag van de buiszijde en zorgt voor grote verbeteringen in de thermische efficiëntie.

Inzicht in de geometrie van de spiraalveerturbulator
De spiraalveerturbulator is een spiraalvormig opgerolde draadspiraal die nauw aansluit op de binnendiameter van de PTFE-buis. De spoel wordt gedefinieerd door drie geometrische parameters:

Draaddiameter (d_w) – meestal 1-3 mm, afhankelijk van de buismaat

Spoelsteek (p) – axiale afstand tussen aangrenzende windingen

Buitendiameter spoel (D c): Iets kleiner dan de binnendiameter van de buis (D i) voor inbrengen

De werkzaamheid van de turbulator wordt bepaald door de verhouding van de draaddiameter tot de buisdiameter (dw/Di) en de spoed tot diameterverhouding (p/Di). Gemeenschappelijke ontwerpnormen suggereren dat optimale prestaties worden bereikt voor dw / Di tussen 0,1 en 0,2 en p / Di tussen 1 en 3.

De spoel kan uit vele materialen bestaan, afhankelijk van de vloeistof die wordt behandeld. Voor corrosieve waterige of zure stromen wordt een met PTFE-gecoate metaaldraad of een massieve PTFE-monofilamentspiraal aanbevolen. Voor minder schurende vloeistoffen waarbij metaalverontreiniging geen probleem is, kunnen hooggelegeerde draden (bijv. roestvrij staal 316L, Hastelloy C-276) worden gebruikt. In volledig uit fluorpolymeer bestaande systemen biedt een PFA- of PTFE-veer totale chemische weerstand.

Het mechanisme van scheiding van grenslagen
In een gladde buis onder laminaire stroming of stroming met een laag{0}}Reynolds-getal, is er een stationaire grenslaag (de laminaire sublaag) gevormd aan de buiswand. Deze dunne laag is de grootste weerstand tegen warmteoverdracht. Deze sublaag moet alleen door geleiding worden doorkruist, wat inefficiënt is.

De grens-laagtrip is de spiraalveerturbulator. Terwijl vloeistof door de buis stroomt, veroorzaakt elke winding van de spoel lokale stroomscheiding, wervels en radiale menging. Belangrijk is dat de spoel het midden van de buis niet blokkeert - de kernstroom is in wezen ongehinderd. Dit is een spiraalveer in plaats van een stevig gedraaide tape waardoor de gehele vloeistof in een wervelende beweging stroomt en vaak leidt tot een dode zone rond het midden van de tape.

Het voornaamste effect van de veer treedt op in de nabijheid van de buiswand. Op het punt van maximale thermische weerstand breekt de spoel periodiek de groeiende grenslaag af, waardoor de turbulente menging toeneemt. In experimentele vergelijking is bewezen dat een goed-ontworpen veerspiraal het Nusselt-getal (Nu) aan de buis-zijde twee tot drie keer kan verhogen in vergelijking met een gladde buis onder dezelfde stromingsomstandigheden.

Gemeten prestatie: Nusseltgetal en drukval
De wisselwerking-tussen verbetering van de warmteoverdracht en drukverlies wordt voortdurend gezien. Typische bereiken die worden beschreven in peer-getoetste onderzoeken voor turbulatoren met spiraalveren liggen in de Reynolds-getallen van 500 tot 10.000:

Parameter Gladde buis met spiraalveerspiraal
Nusseltgetal (Nu) Basislijn (1×) 2–3× augmentatie
Wrijvingsfactor (f) Basislijn (1x) 3-6x toename
De versterkingsfactor hangt sterk af van de spoelgeometrie. Een kleinere pitch (lagere p/D_i) resulteert in frequentere stroomonderbrekingen en dus in een hogere Nu, maar ook in een hogere drukval. Aan de andere kant minimaliseert een meer ontspannen spoel de drukstraf en levert toch een aanzienlijke verbetering op.

Het spoelontwerp is een afstembare oplossing: voor een bepaalde toepassing kunnen de spoed en de draaddiameter worden gekozen om te voldoen aan de procesbeperkingen op het toegestane drukverlies. Maximale warmteoverdracht wordt verkregen met een strakke spiraal voor schone vloeistoffen en waar pompkracht voldoende is. Voor een stroperige of schuifgevoelige vloeistof zorgt een lossere spoel voor een zachtere mengwerking.

Voordelen van massief gedraaide tapes
De spiraalveerturbulator heeft enkele praktische voordelen ten opzichte van een massief gedraaid tape-inzetstuk:

Verminderde neiging tot vervuiling - De veer produceert geen volledig omsloten stagnerende zones, dat wil zeggen dat zwevende deeltjes of neergeslagen vaste stoffen minder snel neerslaan. Een stevige tape, vooral in een horizontale buis, kan zorgen voor een laag-stroomgebied in de "schaduw" van de tape, waar vervuiling begint. Door de open structuur van een veer kan vloeistof continu worden afgevoerd.

Gemakkelijker installeren en verwijderen - Een veerspiraal kan eenvoudig in een buis worden geplaatst en aan de uiteinden worden vastgeklemd. Voor retrofittoepassingen kunnen bestaande PTFE-warmtewisselaarbuizen achteraf worden gemonteerd op veren zonder permanente aanpassingen. Schoonmaken is eenvoudig: trek gewoon de spoel eruit, maak hem schoon en plaats hem terug.

Minder materiaalkosten - Er zit veel minder materiaal in een draadspoel vergeleken met een massieve tape, vooral bij lange buislengtes. Als dure legeringen of fluorpolymeren nodig zijn, is het kostenverschil aanzienlijk.

Compatibiliteit met PTFE-buisexpansie - PTFE-buizen hebben een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt. Een stevige tape die bij omgevingstemperatuur past, kan bij bedrijfstemperatuur te strak worden en de buis beschadigen. De veerspiraal is flexibel en kan maatveranderingen accepteren zonder overmatige radiale kracht te ontwikkelen.

Een praktisch minimum Reynoldsgetal voor effectiviteit
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) verstoort de natuurlijke turbulentie de grenslaag al effectief en wordt het toenemende voordeel van de spoel verminderd ten opzichte van de extra drukval. Spiraalveerturbulatoren zijn daarom het meest geschikt voor PTFE-warmtewisselaars die werken met viskeuze vloeistoffen, stromen met lage stroomsnelheid of compacte geometrieën die van nature worden gekenmerkt door een laag debiet.

In de experimenten zien we dat de versterkingsfactor afneemt naarmate het Reynoldsgetal toeneemt. Beneden Re $\\circa$ 200 kan de spiraal nog steeds de warmteoverdracht verbeteren door milde secundaire stromingen te creëren, maar het effect is minder opvallend dan in de laminaire-naar-turbulente overgangszone.

Retrofittoepassingen en commerciële beschikbaarheid
In de handel verkrijgbare spiraalveerturbulatoren zijn verkrijgbaar bij een aantal producenten van warmtewisselaarcomponenten. Gangbare PTFE-buisdiameters (6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 16 mm en 20 mm binnendiameter) zijn verkrijgbaar als standaarduitvoeringen. Er kunnen speciale draadbreedtes en -afstanden worden geproduceerd om aan specifieke procesbehoeften te voldoen.

Een veel voorkomende situatie bij renovatie is een bestaande PTFE-mantel-en-buizenwarmtewisselaar die niet goed werkt vanwege de lage warmteoverdrachtscoëfficiënten-aan de zijkant van de buis. In plaats van de hele wisselaar opnieuw op te bouwen, plaatst u de turbulatoren in elke buis. De installatie wordt doorgaans uitgevoerd tijdens een geplande onderhoudsonderbreking. De toename van de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt (U) zorgt voor een hogere doorvoer of een lager verbruik van warm water, of een lager benodigde ruimte voor een nieuw ontwerp.

Conclusie: een eenvoudige, effectieve installatiehulp
Spiraalveerturbulatoren zijn een eenvoudig te installeren, effectieve keuze voor het verbeteren van de warmteoverdracht van PTFE-buizen, vooral in schone diensten. De inzetstukken zorgen voor een revolutie in de thermische prestaties van PTFE-warmtewisselaars met lage{1}}geleidbaarheid door het Nusselt-getal aan de buis{2}}zijde met een factor 2 tot 3 te verhogen bij een redelijke drukval van 3 tot 6 keer. De PTFE-warmtewisselaar met spiraalveeren is open, niet-vervuilend en maakt gebruik van flexibel materiaal (PTFE, PFA of gelegeerd draad), waardoor het geschikt is voor corrosieve, hoge- zuiverheids- en retrofittoepassingen.

Er zijn een aantal turbulatorvormen beschikbaar voor diverse doeleinden, waaronder gedraaide tapes, draadgaas en statische mengers. De spiraalveer heeft een speciale nis, matige verbetering, lage vervuiling en eenvoudige installatie. De spiraalveerturbulator verdient veel aandacht van procesingenieurs die op zoek zijn naar een passieve,-onderhoudsarme manier om de warmteoverdracht te optimaliseren met behoud van de chemische resistentie.