Skelný-hladký povrch PTFE trubice je na dotek kluzký a tento pocit se přímo promítá do dynamiky tekutin uvnitř tepelného výměníku. Když voda nebo chemický roztok spěchá přes vnější stranu těchto trubek, hydraulický odpor je o něco nižší, než by tomu bylo u zdrsněných nebo oxidovaných kovových trubek. I když se rozdíl může na první pohled zdát nepatrný, kumulativní efekt může snížit tlakovou ztrátu-na straně pláště a mírně zlepšit-dlouhodobou účinnost výměníku.
Vztah mezihladkost trubky strana pláště tlaková ztráta PTFE výměníkvýkon je založen na jednom základním principu: hladší povrchy generují menší třecí odpor během proudění tekutiny.
Proč je při proudění výměníkem tepla důležitá drsnost povrchu
Ve výměníku trubek-a{1}} naráží tekutina proudící přes svazek trubek na odpor:
Geometrie trubky
Uspořádání přepážky
Rychlost proudění
Viskozita kapaliny
Povrchové tření podél stěn trubky
Část celkového poklesu tlaku pochází ze ztráty energie, když se proudící tekutina tře o povrchy trubek. V mikroskopickém měřítku vytvářejí drsné povrchy výstupky a štěrbiny, které narušují mezní vrstvu a zvyšují intenzitu turbulence v blízkosti stěny.
Se zvyšující se drsností povrchu se zvyšují i ztráty třením.
PTFE se chová jinak, protože jeho povrch je výjimečně hladký.
Ultra{0}}hladká povaha PTFE trubek
PTFE je přirozeně nepřilnavý-a vysoce leštěný na mikroskopické úrovni. Typické hodnoty drsnosti PTFE trubice jsou často níže:
Ra<0.5 μmR_a<0.5\ \mu mRa<0.5 μm
Tato úroveň drsnosti je výrazně hladší než u mnoha průmyslových kovových trubek, zejména po vystavení korozi, tvorbě kotelního kamene nebo oxidaci.
Leštěný povrch umožňuje tekutině protékat s menším odporem a snižuje odpor uvnitř turbulentní mezní vrstvy.
Přestože boční proudění-skořepiny je silně ovlivněno geometrií svazku a efekty příčného proudění, stav povrchu trubek stále měřitelně přispívá k celkovým hydraulickým ztrátám.
Třecí faktor a Moodyho graf
Vliv drsnosti povrchu se stává zvláště důležitým při turbulentním proudění.
Známý -graf Moodyho faktoru tření ukazuje, že faktor tření se liší u obou:
Reynoldsovo číslo
Relativní drsnost
V turbulentní oblasti vyčnívají hrubší povrchy přes viskózní podvrstvu a vytvářejí další turbulence v blízkosti stěny. To zvyšuje ztrátu energie a zvyšuje pokles tlaku.
Hladké povrchy se chovají jinak.
Když se relativní drsnost blíží nule, faktor tření se posouvá směrem ke spodní hranici hladké křivky-trubice na Moodyho grafu.
PTFE trubice fungují velmi blízko tomuto hladkému-povrchu.
Jak PTFE snižuje-postranní pokles tlaku
Ve výměnících-a-trubkových výměnících proudí-strana pláště přes velké svazky těsně na sebe naskládaných trubek. Celkový pokles tlaku závisí na opakovaných interakcích zrychlení, zpomalení a tření, když tekutina prochází svazkem.
Protože povrchy PTFE vykazují extrémně nízkou drsnost, jsou ztráty třením podél stěn trubky mírně sníženy ve srovnání s ekvivalentními kovovými trubkami s typickými průmyslovými povrchovými úpravami.
Výsledný efekt je obecně spíše skromný než dramatický.
Za podmínek turbulentního proudění se snížení může promítnout do:
O několik procent nižší-pokles tlaku na straně pláště
Mírně zlepšená hydraulická účinnost
Snížená čerpací energie po dlouhou dobu provozu
Zlepšení závisí na několika proměnných:
Průtokový režim
Viskozita kapaliny
Rozteč trubek
Geometrie svazku
Relativní drsnost srovnávacího materiálu
Ačkoli tento efekt nemusí dominovat konstrukci výměníku, zůstává konzistentní hydraulickou výhodou.
Proč je efekt patrnější v turbulentním proudění
V laminárním proudění dominují viskózní síly a drsnost povrchu hraje menší roli, protože vrstvy tekutiny zůstávají relativně uspořádané.
V turbulentním proudění však prvky drsnosti interagují přímo s víry a fluktuacemi mezní vrstvy.
Tato interakce zvyšuje smykové napětí stěny.
Vzhledem k tomu, že průmyslové výměníky pláště- běžně pracují v turbulentních podmínkách, aby se maximalizoval přenos tepla, výhoda hladkosti PTFE se stává významnější v praktickém provozu.
Vyšší rychlost proudění obecně zesiluje význam vlivu relativní drsnosti.
Malá, ale užitečná výhoda čerpání
Hydraulické zlepšení hladkosti PTFE je obvykle spíše inkrementální než transformační, přesto stále nabízí praktickou hodnotu.
Pokles tlaku na spodní straně-skořepiny může umožnit:
Poněkud menší velikost čerpadla
Snížená spotřeba energie čerpadla
Vyšší dosažitelný průtok v rámci stejné křivky čerpadla
Vylepšená provozní flexibilita
Ve velkých nepřetržitých{0}}procesních zařízeních se i malá snížení tlaku mohou nashromáždit v měřitelných dlouhodobých-úsporách energie.
Tato výhoda se stává obzvláště atraktivní v kombinaci s hlavními silnými stránkami PTFE:
Odolnost proti korozi
Chemická inertnost
Odolnost proti znečištění
Hydraulický přínos proto působí spíše jako dodatečný výkonnostní bonus než jako primární kritérium výběru.
Snížená tendence k zanášení na hladkých PTFE površích
Mikroskopická povrchová struktura také ovlivňuje zanášení.
Drsné povrchy obsahují údolí a štěrbiny, kde se částice, biologické filmy nebo vysrážené pevné látky mohou snadněji ukotvit. Jakmile se vytvoří počáteční usazeniny, další znečištění má tendenci se postupně hromadit.
Hladký povrch PTFE redukuje tyto upevňovací body.
V důsledku toho:
Usazeniny ulpívají méně agresivně
Čištění bude jednodušší
Znečišťující vrstvy se mohou vyvíjet pomaleji
Tato vlastnost je zvláště cenná v chemickém provozu, čištění odpadních vod a procesních tocích obsahujících suspendované pevné látky nebo sloučeniny usazeniny.
I když znečištění nelze zcela odstranit, hladší povrchy snižují pravděpodobnost zakořenění usazenin hluboko do povrchu materiálu.
Drsnost povrchu ve srovnání s průmyslovými kovy
Čerstvě leštěná nerezová ocel může dosáhnout relativně hladkých povrchů, ale průmyslové provozní podmínky často mění kovové povrchy v průběhu času:
Koroze
Oxidace
Měřítko
Chemický útok
Eroze
PTFE si zachovává své povrchové vlastnosti s nízkým{0}}třením konzistentněji, protože neoxiduje ani nekoroduje v konvenčním kovovém smyslu.
Tato dlouhodobá-stabilita povrchu pomáhá zachovat hydraulický výkon po celou dobu životnosti výměníku.
Vyvážení hydraulického a tepelného výkonu
Ačkoli PTFE poskytuje výhody hydraulické hladkosti, výběr výměníku musí stále brát v úvahu omezení tepelné vodivosti.
Ve srovnání s kovy má PTFE relativně nízkou tepelnou vodivost. Výsledkem je, že PTFE výměníky jsou typicky vybírány primárně pro odolnost proti korozi spíše než pro maximální účinnost přenosu tepla.
Nižší tření na straně-skořepiny však částečně kompenzuje některé provozní postihy tím, že mírně snižuje nároky na čerpání.
V korozivních aplikacích, kde je PTFE již vyžadován pro chemickou kompatibilitu, se plynulejší hydraulické chování stává další provozní výhodou.
Závěr
Přirozeně hladký povrch PTFE trubek poskytuje malou, ale konzistentní hydraulickou výhodu v plášťových -a{1}}trubkových výměnících tepla. Tím, že PTFE trubice pracuje v blízkosti meze hladkého-povrchu podle Moodyho třecího faktoru, vytváří mírně nižší třecí odpor během turbulentního bočního proudění pláště-ve srovnání s drsnějšími kovovými alternativami.
Výsledné snížení vhladkost trubky strana pláště tlaková ztráta PTFE výměníkprovoz může umožnit nepatrně nižší náklady na čerpání, zlepšenou průtokovou kapacitu a sníženou tendenci k zanášení po dobu životnosti výměníku.
Přestože odolnost proti korozi zůstává hlavním důvodem, proč je zvolen PTFE, přirozená kluznost materiálu také tiše přispívá ke zlepšení hydraulického chování.
Při návrhu tepelného systému ovlivňují vlastnosti materiálu nejen odolnost proti korozi, ale také způsob, jakým se tekutiny pohybují samotným zařízením.
