בעיית שכבת הגבול
העברת חום מקיר צינור PTFE לנוזל התהליך שמסביב לא מתרחשת בקיר עצמו. היא מתרחשת על פני סרט נוזלי עומד-שכבת הגבול-הנצמדת למשטח הצינור. חום חייב לעבור דרך השכבה חסרת התנועה הזו לפני שהוא מגיע לנוזל בתפזורת שבו הסעה מובילה אותו.
עבור מחליפי חום PTFE, ניהול שכבת גבולות הוא קריטי. דופן צינור הפלואורופולימר כבר מוסיף התנגדות מוליכה. הוספת התנגדות שכבת גבול עבה למעלה מפחיתה עוד יותר את מקדם העברת החום הכולל. הפתרון הוא מהירות הנוזל. מהירות גבוהה יותר מדללת את שכבת הגבול, מפחיתה את ההתנגדות התרמית ומשפרת את העברת החום.
עם זאת, המהירות לא יכולה לעלות ללא הגבלה. עלויות השאיבה עולות בריבוע המהירות. מהירות מופרזת עלולה לגרום לרטט ושחיקה של הצינור. המשימה ההנדסית היא זיהוי טווח המהירות שממזער את התנגדות שכבת הגבול מבלי ליצור בעיות אחרות.
הקשר בין מהירות לעובי שכבת גבול
עובי שכבת הגבול על צינור בזרימה צולבת תלוי במספר ריינולדס. מתחת ל-= 2,000, הזרימה היא למינרית ושכבת הגבול עבה-בדרך כלל 1-3 מילימטרים. העברת החום נשלטת על ידי הולכה דרך הסרט העצור הזה, מה שמניב מקדמי העברת חום נמוכים.
מעל=4,000, זרימה עוברת לסוער. שכבת הגבול נעשית הרבה יותר דקה-בדרך כלל 0.1-0.5 מילימטרים. מערבולות סוערות חודרות קרוב לקיר, ומשפרות באופן דרמטי את העברת החום. מקדם העברת החום בזרימה סוערת יכול להיות גבוה פי 3-5 מאשר בזרימה למינרית.
עבור שפופרת PTFE בגודל 10 מ"מ באמבט ציפוי חומצה ב-60 מעלות, המעבר משכבת גבול למינרית לשכבת גבול סוערת מתרחש במהירות של כ-0.4-0.5 מ"ש לשנייה. מתחת לזה שכבת הגבול עבה ומבודדת. מעל זה, שכבת הגבול מתדלדלת והעברת החום משתפרת בצורה ניכרת.
טבלה 1: מאפייני שכבת גבול לעומת מהירות נוזל עבור צינור PTFE 10 מ"מ בחומצה מימית ב-60 מעלות
| מהירות נוזל (מ/ש) | מספר ריינולדס | משטר זרימה | כ. עובי שכבת גבול (מ"מ) | מקדם העברת חום יחסי |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | עַלעַלִי | 2.0-3.0 | 1.0 (קו בסיס) |
| 0.2 | 2,200 | מָעֳבָר | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | מָעֳבָר | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | נִסעָר | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | נִסעָר | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | נִסעָר | 0.1-0.2 | 4.8 |
חישובים עבור צינור OD 10 מ"מ בנוזל עם צפיפות 1,100 ק"ג/מ"ר וצמיגות 1.2 cP, אופייני לתמיסות ציפוי חומצה. מקדם העברת חום ביחס לקו הבסיס למינרי.
המלצות מהירות מעשיות
הנתונים מראים תשואות פוחתות מעל 0.8 מ"ש. מקדם העברת החום משתפר רק ב-17% כאשר המהירות עולה מ-0.8 ל-1.2 מ"ש, בעוד שעוצמת השאיבה גדלה ביותר מ-200%. האופטימום הכלכלי עבור רוב תכנוני מעטפת-ו-צינורות PTFE נע בין 0.5 ל-0.8 מ"ש למהירות זרימה צולבת.
השגת מהירות זו באמבט טבילה דורשת מחזור שאוב דרך מעטפת חיצונית-ו-מחליף צינורות או ערבול מכני בתוך המיכל. זרימת אוויר, הנפוצה במיכלי ציפוי, מייצרת בדרך כלל מהירויות מקומיות של 0.3-0.5 מ' לשנייה שמספיקה כדי לשבור את שכבות הגבול העבות ביותר אך מתחת לאופטימלי להעברת חום. ערבולים מכניים או חרירי eductor יכולים להגביר את המהירויות המקומיות לטווח המומלץ.
עבור מחליפי מעטפת-ו-שפופרות חיצוניים של PTFE עם זרימה שאובה, מהירות התכנון מושגת על ידי שינוי גודל של קוטר המעטפת ומרווח הבלבול כדי לייצר את מהירות הזרימה הצולבת היעד בקצב הזרימה הנפחי המתוכנן.
PTFE-שיקולים ספציפיים
צינורות PTFE גמישים. במהירויות זרימה צולבות גבוהות, צינורות יכולים לרטוט אם טווחים לא נתמכים ארוכים מדי. לוחות תמיכה המרווחים במרווחים של 150-200 מ"מ עבור צינורות OD של 10 מ"מ מונעים עייפות הנגרמת ברעידות תוך מתן תועלת לשכבת הגבול של זרימה סוערת.
המשטח החלק של צינורות PTFE מציע יתרון משני. עבור מספר ריינולדס נתון, לצינור חלק יש שכבת גבול מעט דקה יותר מצינור מחוספס. החלקות הראשונית של PTFE ועמידותו בפני הצטברות אבנית שומרים על יתרון זה לאורך כל חיי הציוד.
תַקצִיר
עובי שכבת הגבול על צינורות מחליף חום PTFE נשלט על ידי מהירות הנוזל. המעבר מזרימה למינרית לטורבולנטית ב-Re ≈ 4,000 מתאים לכ-0.4-0.5 מ'/שניה עבור תנאי אמבט חומציים טיפוסיים. זרימה טורבולנטית מפחיתה את התנגדות שכבת הגבול בפקטור של 3-5.
טווח המהירות המומלץ של 0.5-0.8 מטר לשנייה מאזן את שיפור העברת החום מול עלויות השאיבה. מהירות זו ניתנת להשגה באמצעות מחזור שאוב, ערבול מכני או מערכות eductor. מרווח תמיכת צינורות PTFE חייב להתאים למהירות שנבחרה כדי למנוע רטט.
ניתוח הנדסי לאופטימיזציה של מהירות נוזל מחליף חום PTFE זמין עם הגשת מאפייני נוזל התהליך, תצורת הזרימה, קיבולת השאיבה הזמינה ודרישות ביצועי העברת החום.
