Gränsskiktsproblemet
Värmeöverföring från en PTFE-rörvägg till den omgivande processvätskan sker inte vid själva väggen. Det förekommer över en stillastående vätskefilm-gränsskiktet-som klamrar sig fast vid rörytan. Värme måste ledas genom detta orörliga skikt innan den når bulkvätskan där konvektion för bort den.
För PTFE-värmeväxlare är gränsskiktshantering kritisk. Fluorpolymerrörväggen tillför redan ledande motstånd. Att lägga till ett tjockt gränsskiktsmotstånd ovanpå minskar ytterligare den totala värmeöverföringskoefficienten. Lösningen är vätskehastighet. Högre hastighet tunnar ut gränsskiktet, minskar termiskt motstånd och förbättrar värmeöverföringen.
Hastigheten kan dock inte öka utan begränsning. Pumpkostnaderna stiger med hastigheten i kvadrat. För hög hastighet kan orsaka rörvibrationer och erosion. Den tekniska uppgiften är att identifiera hastighetsintervallet som minimerar gränsskiktets motstånd utan att skapa andra problem.
Förhållandet mellan hastighet och gränsskiktstjocklek
Gränslagrets tjocklek på ett rör i tvärflöde beror på Reynolds-talet. Under Re=2000 är flödet laminärt och gränsskiktet är tjockt-vanligtvis 1-3 millimeter. Värmeöverföringen domineras av ledning genom denna stillastående film, vilket ger låga värmeöverföringskoefficienter.
Över Re=4 000 övergår flödet till turbulent. Gränsskiktet blir mycket tunnare-typiskt 0,1-0,5 millimeter. Turbulenta virvlar tränger in nära väggen, vilket dramatiskt förbättrar värmeöverföringen. Värmeöverföringskoefficienten i turbulent flöde kan vara 3-5 gånger högre än i laminärt flöde.
För ett 10 mm OD PTFE-rör i ett syrapläteringsbad vid 60 grader sker övergången från laminärt till turbulent gränsskikt vid cirka 0,4-0,5 m/s tvärflödeshastighet. Under detta är gränsskiktet tjockt och isolerande. Ovanför detta tunnas gränsskiktet ut och värmeöverföringen förbättras markant.
Tabell 1: Gränsskiktsegenskaper kontra vätskehastighet för 10 mm PTFE-rör i vattenbaserad syra vid 60 grader
| Vätskehastighet (m/s) | Reynolds nummer | Flödesregim | Ca. Gränsskiktets tjocklek (mm) | Relativ värmeöverföringskoefficient |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Laminär | 2.0-3.0 | 1.0 (baslinje) |
| 0.2 | 2,200 | Övergångsvis | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Övergångsvis | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | Turbulent | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | Turbulent | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | Turbulent | 0.1-0.2 | 4.8 |
Beräkningar för 10 mm OD-rör i vätska med densitet 1 100 kg/m³ och viskositet 1,2 cP, typiskt för surpläteringslösningar. Värmeöverföringskoefficient i förhållande till laminär baslinje.
Praktiska hastighetsrekommendationer
Data visar avtagande avkastning över 0,8 m/s. Värmeöverföringskoefficienten förbättras endast med 17 % när hastigheten ökar från 0,8 till 1,2 m/s, medan pumpeffekten ökar med över 200 %. Det ekonomiska optimum för de flesta PTFE-skal-och-rörkonstruktioner ligger mellan 0,5 och 0,8 m/s tvärflödeshastighet.
För att uppnå denna hastighet i ett nedsänkningsbad krävs antingen pumpad recirkulation genom ett yttre skal-och-rörväxlare eller mekanisk omrörning i tanken. Luftspridning, vanlig i pläteringstankar, ger typiskt lokala hastigheter på 0,3 -0,5 m/s-tillräckliga för att bryta upp de tjockaste gränsskikten men under det optimala för värmeöverföring. Mekaniska omrörare eller eduktormunstycken kan öka lokala hastigheter till det rekommenderade området.
För externa PTFE-skal-och-rörväxlare med pumpat flöde, uppnås designhastigheten genom att dimensionera skaldiametern och baffelavståndet för att producera måltvärflödeshastigheten vid designvolymflödeshastigheten.
PTFE-Särskilda överväganden
PTFE-rör är flexibla. Vid höga tvärflödeshastigheter kan rören vibrera om ostödda spännvidder är för långa. Stödplattor placerade med intervall på 150-200 mm för 10 mm OD-slangar förhindrar vibrationsinducerad trötthet samtidigt som gränsskiktet drar nytta av turbulent flöde.
Den släta ytan på PTFE-slangar erbjuder en sekundär fördel. För ett givet Reynoldsnummer har ett slätt rör ett något tunnare gränsskikt än ett grovt rör. PTFE:s initiala jämnhet och dess motståndskraft mot avlagringar bibehåller denna fördel under hela utrustningens livslängd.
Sammanfattning
Gränsskiktets tjocklek på PTFE värmeväxlarrör styrs av vätskehastigheten. Övergången från laminärt till turbulent flöde vid Re ≈ 4 000 motsvarar ungefär 0,4-0,5 m/s för typiska sura badförhållanden. Turbulent flöde minskar gränsskiktets motstånd med en faktor 3-5.
Det rekommenderade hastighetsintervallet på 0,5-0,8 m/s balanserar förbättring av värmeöverföringen mot pumpkostnaderna. Denna hastighet kan uppnås genom pumpad återcirkulation, mekanisk omrörning eller eduktorsystem. PTFE-rörstödsavståndet måste passa den valda hastigheten för att förhindra vibrationer.
Teknisk analys för PTFE-värmeväxlarvätskehastighetsoptimering är tillgänglig vid inlämnande av processvätskeegenskaper, flödeskonfiguration, tillgänglig pumpkapacitet och krav på värmeöverföringsprestanda.
