كيف يؤثر استخدام إدخالات الشريط الملتوي المصنوعة من مادة موصلة (مثل المعدن) على الأداء مقارنة بإدخالات PTFE؟

إنه شريط ملتوي بسيط من مادة PTFE يعزز نقل الحرارة عن طريق تدوير التدفق. يقوم الشريط المعدني بنفس الشيء ولكنه أيضًا ينقل الحرارة من جدار الأنبوب إلى نفسه، ويعمل بشكل أساسي كزعنفة داخلية. وهذا يؤدي إلى تعزيز الحمل الحراري على الموصل.

آليتان لإدراج الشريط الملتوي
أي شريط ملتوي يتم إدخاله في أي مادة ينتج عنه قناة تدفق حلزونية داخل الأنبوب. تنتج الدوامة المتولدة قوى طرد مركزي تدفع السائل نحو جدار الأنبوب مما يؤدي إلى ترقق الطبقة الحدودية الحرارية وزيادة معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري. يمكن لآلية التدوير هذه وحدها أن تزيد رقم نسلت بنسبة 100-150% على أنبوب فارغ اعتمادًا على نسبة طبقة الصوت.

يوجد تأثير زعنفة إضافي إذا كان الشريط نفسه عبارة عن مادة موصلة للحرارة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، وHastelloy، والتيتانيوم، وسبائك النحاس). يكون الشريط على اتصال مباشر بجدار الأنبوب (عادةً ما يكون مناسبًا للزنبرك أو مناسبًا للتداخل الخفيف). تتدفق الحرارة إلى الشريط من الجدار الساخن ويتم تسخين جسم الشريط بالكامل. يقوم الشريط بعد ذلك بتسليم الطاقة المخزنة إلى السائل المار من كلا السطحين العريضين. وهذا يمنح المقطع العرضي للأنبوب-مساحة إضافية لنقل الحرارة، مثل نوع من الزعنفة الطولية الداخلية.

أداء الشريط الموصّل وغير الموصّل
يمكن للشريط الملتوي المصنوع من مادة غير موصلة للكهرباء-مثل PTFE أو PFA أن يوفر فقط تحسين دوامة الحمل الحراري. يتمتع PTFE بموصلية حرارية سيئة للغاية (حوالي . 0.25 واط/م كلفن) وبالتالي لا يكاد يكون هناك أي انتقال للحرارة من الجدار إلى الشريط. يظل الشريط عند درجة حرارة السائل المحلية تقريبًا ولا يساهم في أي تأثير للزعانف.

من ناحية أخرى، قد يكون للشريط المعدني الملتوي موصلية حرارية أعلى من حيث الحجم. الفولاذ المقاوم للصدأ (~15 واط/م·ك)، أو هاستيلوي (~10 واط/م·ك)، أو النحاس (~400 واط/م·ك). مع الحفاظ على اتصال حراري جيد بين الشريط وجدار الأنبوب، فإن ميزة التوصيل تعزز بشكل كبير نقل الحرارة الإجمالي. في ترتيب أنبوب PTFE مع إدخال الشريط الملتوي الموصل، يوفر تأثير الدوامة بالإضافة إلى الزعنفة عادةً زيادة إضافية في نقل الحرارة بنسبة 20-30% على الشريط غير الموصل في ظل نفس ظروف التدفق.

بالنسبة للشريط الملتوي PTFE، يزيد رقم نسلت بنسبة 120% (2.2 ضعف القيمة في أنبوب فارغ)، ولكن الشريط المعدني المصمم جيدًا-في نفس الشكل الهندسي قد يعززه بنسبة 150-170% (2.5-2.7 مرة). يعتمد الكسب الفعلي على سمك الشريط وموصلية التلامس الحراري وخصائص السائل. تكون ميزة التوصيل أعظم عندما يكون معامل الغشاء على جدار الأنبوب كبيرًا بالفعل، بحيث لا يقتصر تأثير الزعنفة على مقاومة واجهة الشريط الجداري.

خلاصة القول: اتصال حراري جيد
يجب أن يكون الشريط المعدني على اتصال حراري حميم مع الجدار الداخلي لأنبوب PTFE من أجل تحقيق تأثير الزعنفة. يتم ذلك بشكل عام عن طريق جعل عرض الشريط أكبر قليلاً من القطر الداخلي للأنبوب بحيث يتم إدخاله بزنبرك مناسب. إن المرونة الجوهرية للشريط المعدني (أو الالتواء المتواضع ذو الحجم الكبير) تدفع حواف الشريط إلى جدار الأنبوب. ومع ذلك، فإن التثبيت المحكم-قد يؤدي إلى تلف أنابيب PTFE أو يجعل عملية الإدخال مستحيلة. الملاءمة الفضفاضة جدًا تخلق فجوة هوائية، وهي عازل حراري جيد وتبطل تأثير الزعنفة.

في الممارسة العملية، يتم تصنيع الأشرطة المعدنية الملتوية لأنابيب PTFE عادةً بعرض يتراوح من 0.95 إلى 1.00 من معرف الأنبوب، وذلك باستخدام الشكل الحلزوني لتوفير نقاط اتصال بدلاً من اتصال الخط الكامل. منطقة الاتصال الحقيقية محدودة وتقل فعالية الزعانف. ولكن حتى عندما يكون الاتصال جزئيًا فقط، تزداد الموصلية قليلاً، نظرًا لأن الشريط يمتص الحرارة في مواقع الاتصال ويحملها على طوله. تستخدم التصميمات الأكثر تطوراً شريطًا أكثر سمكًا أو حافة مطوية لتحسين منطقة الاتصال.

مخاطر التآكل والتلوث
أحد المخاطر الرئيسية التي يجب السيطرة عليها هو التآكل الجلفاني والتلوث المعدني. حتى عندما يتم اختيار الشريط المعدني نفسه للتوافق مع سائل العملية (على سبيل المثال، Hastelloy C-276 للكلوريدات العدوانية، أو التيتانيوم للأحماض المؤكسدة)، فإن إدخال مكون معدني داخل أنبوب PTFE يقدم سيناريوهين محتملين للفشل.

أولاً، إذا تسبب سائل العملية في تآكل المعدن عند درجة حرارة التشغيل، فسوف يتآكل الشريط ببطء. يمكن أن تتسرب منتجات التآكل (أيونات أو جزيئات معدنية) إلى السائل وتلوث المنتج. وهذا غير مناسب في التطبيقات الصيدلانية أو الغذائية أو الكيميائية -عالية النقاء. بيت القصيد من أنبوب PTFE عادة هو تجنب الاتصال بالمعدن على الإطلاق. واستخدام الشريط المعدني يتعارض مع هذا الغرض.

ثانيًا، حتى لو كان الشريط بحد ذاته مقاومًا للتآكل، فلا يزال من الممكن إنشاء زوج كلفاني في حالة وجود أي مكون معدني آخر في النظام (على سبيل المثال، لوح أنبوب معدني، أو دافعة مضخة، أو صمام سفلي). طالما أنه لا يلامس أي عناصر معدنية خارجية، فإن الشريط معزول كهربائيًا عنها - أنبوب PTFE عبارة عن عازل كهربائي. ومع ذلك، إذا لامس الشريط وصلة نهاية معدنية، أو إذا كان السائل المستخدم موصلًا للكهرباء (مثل المنحل بالكهرباء المائي)، فقد يتم إنشاء دائرة كلفانية من خلال السائل. قد يؤدي المعدن الأكثر نبلا (مثل التيتانيوم) إلى تعزيز تآكل المعدن الأقل نبلا (مثل الفولاذ الكربوني) في أماكن أخرى من النظام.

متى يتم استخدام الشريط المعدني مقابل شريط PTFE الملتوي
اعتمادًا على أولويات التطبيق، يكون الاختيار بين شريط معدني موصل أو شريط PTFE غير موصل.

متى يتم استخدام الشريط الملتوي المعدني:

سائل المعالجة غير مسبب للتآكل-للمعدن المحدد (على سبيل المثال، الماء منزوع الأيونات، والمذيبات العضوية المعتدلة، والمحلول الملحي المتعادل).

تحتاج إلى أقصى قدر من نقل الحرارة لكل وحدة طول، وطاقة الضخ مقيدة بالفعل.

يُسمح بتوافق السوائل ولا يمثل تلوث المنتج مشكلة (على سبيل المثال، الكيمياء الصناعية غير-).

الاتصال الحراري الجيد ممكن دون الإضرار بأنبوب PTFE.

حدد الشريط الملتوي PTFE أو PFA من أجل:

سائل العملية شديد التآكل (الأحماض القوية والقلويات والهالوجينات والعوامل المؤكسدة).

تجنب التلوث بالأيونات المعدنية (تركيب API الصيدلاني، تبريد أشباه الموصلات، معالجة الأغذية).

درجة حرارة العمل تتجاوز حد التآكل للسبائك المتاحة ولكن أقل من 110 درجة (PTFE) أو 260 درجة (PFA).

إن البساطة والخمول الكيميائي المثبت يفوق تحسين أداء الشريط المعدني بنسبة 20-30%.

بالنسبة للخدمات شديدة التآكل، على الرغم من فقدان تأثير الزعانف، يتم استخدام أشرطة PTFE أو PFA نظرًا لأن الموثوقية والنقاء اللذين توفرهما غير قابلين للتفاوض.

ملخص أداء الأشرطة الموصلة وغير الموصلة-
المعلمة شريط PTFE (غير موصل) شريط معدني (موصل).
آلية نقل الحرارة فقط دوامة دوامة + تأثير الزعنفة
تكبير Nu النموذجي (فوق الأنبوب الفارغ) 100-150%، 130-180%
كسب إضافي من الموصلية - +20-30 % بالنسبة لشريط PTFE
متطلبات الاتصال الحراري غير قابلة للتطبيق (لا يوجد تأثير للزعانف) ضروري - ملاءمة الزنبرك
خطر التآكل لا يوجد (خامل لجميع المواد الكيميائية حتى 110 درجة) يعتمد على السوائل-التوافق المعدني
خطر التلوث بالمعادن غير محتمل (التآكل أو التآكل)
أقصى درجة حرارة 110 درجة (PTFE)؛ 260 درجة (PFA) تعتمد على السبائك (على سبيل المثال غير القابل للصدأ 400 درجة)
تكلفة معتدلة (PTFE مقذوف) أعلى (تشكيل معدني أو مختوم)
مثال عملي: تسخين تيار مائي محايد
لنفترض أنه تم استخدام مبادل حراري PTFE لتسخين تيار ماء محايد خالٍ من الكلوريد -من 20 درجة إلى 60 درجة. تعمل الدوامة وحدها على تحسين انتقال الحرارة باستخدام شريط ملتوي PTFE. يمكن تقديم تأثير الزعنفة عن طريق استبدالها بشريط ملتوي من الفولاذ المقاوم للصدأ 316، مناسب بشكل مناسب ليتوافق مع جدار الأنبوب. يمكن زيادة معامل نقل الحرارة الإجمالي من 150 وات/م²·ك إلى 190 وات/م²·ك (27%). لا يسبب السائل-تآكلًا للفولاذ المقاوم للصدأ عند درجة حرارة 60 درجة ولا ينتج عنه ترشيح كبير للمعادن. تسمح زيادة الأداء بمبادل حراري منخفض أو معدل تدفق أقل لنفس المهمة.

في نفس التطبيق، ولكن في محلول ملحي حمضي قليلًا (درجة الحموضة 4، 1000 جزء في المليون من الكلوريد) سيكون الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عرضة للتآكل. ستكون التكلفة مرتفعة للغاية، وتتطلب شريط Hastelloy C-276. هناك خيار آخر وهو استخدام الأداء الأرخص لشريط PTFE الذي يتجنب مشكلة التآكل تمامًا.

ملخص
من خلال تطبيق الأشرطة المعدنية الملتوية على الأشرطة البلاستيكية، يمكن تحقيق تأثير الزعانف الموصلة، والذي يمكن أن يحسن أداء نقل الحرارة بحوالي 20-30%. ومع ذلك، لا تتحقق هذه الفائدة إلا إذا تم الحفاظ على اتصال حراري جيد بجدار الأنبوب، والأهم من ذلك إذا كان المعدن متوافقًا تمامًا مع سائل العملية. بالنسبة للعمليات الدقيقة مثل تصنيع الأدوية أو المعالجة الكيميائية عالية النقاء، فإن فائدة الحرارة تحجبها أي مخاطر للتآكل أو التلوث المعدني. يجب أن يكون اختيار المواد لأجهزة التعزيز دقيقًا تمامًا كما هو الحال مع المبادل نفسه؛ بالنسبة للعديد من الخدمات الحساسة للتآكل أو النقاء، يظل خمول شريط PTFE أو PFA هو الخيار الأفضل على الرغم من غياب تأثير الزعنفة.