Vai viļņota vai spirālveida PFA caurules forma uzlabo siltuma sadali zemas-plūsmas, augstas-viskozitātes eļļas vannās?

Augstas -viskozitātes eļļas vannu, piemēram, polimēru ražošanai, termiskai apstrādei un ķīmisko reaktoru apvalku pārklāšanai, termiskā pārvaldība ir pastāvīgs izaicinājums: eļļa plūst lēni (tikai dabiskā konvekcija vai zemas -plūsmas recirkulācija) un pretojas sajaukšanai. Šādā atmosfērā taisnas PFA caurules sildītājs rada ierobežotu uzkarsētas eļļas strūklu, kas paceļas vertikāli, atstājot ievērojamu daudzumu vannas zemākā temperatūrā. Temperatūras starpība starp sildītāja virsmu un beztaras eļļu dažkārt ir lielāka par 30-40 grādiem, kā rezultātā notiek paātrināta PFA noārdīšanās karstajās zonās. Teorētiski viļņota vai spirālveida izliekta PFA caurule nodrošina labāku siltuma sadali caur sekundārajām plūsmām un siltuma barjeras slāņa pārtraukšanu. Tas, cik lielā mērā šīs formas izmaiņas nodrošina ievērojamu uzlabojumu, ir atkarīgs no eļļas viskozitātes darba temperatūrā, tvertnes ģeometrijas un pieļaujamā spiediena krituma piespiedu plūsmas sistēmās.

Spirālveida ģeometrijas plūsmas modeļa maiņa
Šķidrums, kas plūst spirālveida PFA caurulē (tīta kā atspere) vai sinusoidālā caurulē (viļņaini līkumi vienā plaknē) un ap to, tiek pakļauts centrbēdzes spēkiem. Siltuma pārneses metode klusā eļļas vannā ir dabiskā konvekcija. Taisnas vertikālas caurules gadījumā dabiskā konvekcijas plūsma ir tikai aksiāla, un uz augšu paceļas tikai viena sakarsētas eļļas kolonna. No otras puses, spirālveida caurulei ir izliektas virsmas, kas izliek augošo eļļu uz āru, kad tā paceļas. Daļiņu attēla ātruma mērījumi 1000 cP silikona eļļā pie 120 grādiem liecina, ka spirālveida PFA caurule (spole ar diametru 100 mm, augstums 200 mm) rada rotējošu toroidālu plūsmas modeli ap sildītāju. Uzkarsētā eļļa paceļas spirālveida veidā un pēc tam nolaižas lejup pa tvertnes sienām, radot liela mēroga cirkulācijas šūnu, kas aizņem 70–80% no tvertnes tilpuma. Šī cirkulācija samazina maksimālo temperatūras starpību tvertnē no 25–30 grādiem (taisnai caurulei) līdz 10–15 grādiem (spirālei) ar tādu pašu jaudas ievadi.

Uzlabojums palielinās līdz ar Dīna skaitli, bezizmēra lielumu, kas mēra sekundārās plūsmas stiprumu izliektās caurulēs. Eļļas viskozitātei, kas darba temperatūrā pārsniedz 10 000 cP, deāna skaitlis ir mazāks par 5 un sekundārā plūsma ir minimāla. Šajās ļoti viskozajās eļļās spirālveida forma nenodrošina siltuma sadales priekšrocības salīdzinājumā ar taisnu cauruli, jo šķidruma impulss nerada šķērsplūsmas cirkulāciju. Praktiskā augstākās viskozitātes robeža spirālveida ieguvumam ir aptuveni 8000–10 000 cP. Viskozitātei ir jābūt mazākai par 1000 cP, lai sekundārā plūsma būtu pietiekami spēcīga, lai apdraudētu PFA apvalka integritāti lokālas erozijas dēļ pie līkumu ārējā rādiusa.

Virsmas temperatūras vienmērīgums un robežslāņa pārrāvums
Viļņveida caurules forma (sinusoidāla ar 30-50 mm amplitūdu un 100-150 mm viļņa garumu) mijiedarbojas ar termisko robežslāni savādāk nekā spirāle. Eļļai plūstot pa viļņaino virsmu (dabiskā konvekcija vai kontrolēta plūsma), izliektās un ieliektās daļas rada spiediena gradientus, kas izraisa plūsmas atdalīšanu un atkārtotu pievienošanu. Katrs vilnis rada nelielu recirkulācijas zonu izliektā pīķa lejup pa straumi, kuras diametrs ir 3–5. Šīs recirkulācijas zonas transportē dzesētāja eļļu no lielapjoma plūsmas uz sildītāja virsmu un samazina lokālā robežslāņa biezumu par 30-50%, salīdzinot ar taisnās caurules korpusu. Termopāra eksperimenti ar viļņainu PFA sildītāju 5000 cP eļļā pie 150 grādiem atklāj, ka virsmas temperatūra mainās par ±4–6 grādiem visā garumā, salīdzinot ar ±12–18 grādiem taisnam sildītājam ar tādu pašu kopējo virsmas laukumu. Uzlabotā temperatūras vienmērība tieši uzlabo PFA kalpošanas laiku, samazinot maksimālo virsmas temperatūru. Maksimālā virsmas temperatūra tiek samazināta par aptuveni 10 grādiem, lai samazinātu PFA sadalīšanās ātrumu par 40–50% (pēc Arrēnija kinētikas).

Viļņotums uzliek praktisku ierobežojumu: caurules minimālajam lieces rādiusam jābūt vairāk nekā 8–10 reizes lielākam par caurules diametru, lai novērstu pārmērīgu sprieguma koncentrāciju PFA. PFA caurulēm ar diametru 12 mm ir iespējama viļņota forma ar lieces rādiusu 60 mm. Stingrāks rādiuss (30 mm) rada lokālu PFA sienas retināšanu ārējā līkumā, kas samazina mehānisko izturību par 20–30% un palielina caurlaidības risku. Viļņveida vai spirālveida PFA sildītāju ražotājiem ir jāizmanto serdeņa locīšana ar kontrolētu siltumu, lai siena nesabruktu. Izliektu PFA sildītāju lauka defekti parasti rodas neierobežotos līkumos, kuru rādiuss ir mazāks par 6x caurules diametru.

Formas izvēles rokasgrāmata lietojumprogrammām
Viskozitāte Darba temperatūra un eļļas veids Plūsmas stāvoklis Vēlamā caurules forma Paredzams temperatūras vienmērīguma uzlabojumsGalvenais ierobežojums
Vieglā eļļa (100–500 cP), 80–120 grādi, tikai dabiskā konvekcija, spirālveida (spirāles diametrs 8–10 reizes caurules OD) Samazina tvertnes ΔT no 25 grādiem līdz 10–12 grādiem Sekundārā plūsma sagrauj PFA virs 200 grādiem
Dabiskā konvekcija 120–150 grādi Vidēja eļļa (500–2000 cP) Viļņota (amplitūda 4–6 × caurules OD) samazina virsmas karstos punktus par 8–12 grādiem; Viļņu atstatums ir izšķirošs; pārāk stingri samazina ieguvumu
Vidēja eļļa (500-2000 cp) Zema piespiedu plūsma (Re 100-500) Spirālveida ar platāku spoles soli Palieliniet siltuma pārneses koeficientu par 30 līdz 50 procentiem Spiediena samazinājums 2-3x taisna caurule
Smagā eļļa (2000–8000 cP), 150–180 grādi Dabiskā konvekcija Spurota taisna caurule vai pagarināta virsma Spirālveida/viļņaina priekšrocība ir neliela (Dīns<5)Change of shape not justified
Smagā eļļa (10,000+ cP)Taisna caurule; jāapsver daudz īsu sildītāju. Nav būtisku uzlabojumu no formēšanas Viskozitāte pilnībā slāpē sekundārās plūsmas
Jebkāda viskozitāte, tvertne ar mehānisko maisītājuIzraisa augstu turbulenci Taisna caurule (dominējošs maisījums) Formēšana maksā naudu un nedod nekādu vērtību.
Tvertne ar nelielu šķērsgriezumu-(ierobežota telpa)Dabiskā konvekcija Spirālveida (mazs vertikāls profils)Formas uzlabošana ir svarīgāka par vietas ietaupījumu. Novērtējiet taisnu vairāku sildītāju viendabīguma uzlabošanos
Secinājums: formai ir nozīme tikai vidējas viskozitātes režīmā
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ šķidruma augstā viskozitāte kavē sekundāro plūsmu, un izliektās caurules nav labākas par taisnām caurulēm. Spirālveida caurules samazina tvertnes temperatūras gradientus par 40 līdz 60 procentiem, un viļņotas caurules samazina virsmas karstos punktus par 30 līdz 50 procentiem diapazonā no 1000 līdz 5000 cP, lai nodrošinātu vislabāko veiktspēju. Uzlabotā viendabīgums tieši palielina PFA sildītāja kalpošanas laiku, pazeminot maksimālo virsmas temperatūru. Inženieriem, kuri apsver sildītāju specifikāciju vidējas viskozitātes eļļas vannām, pirms ražošanas uzsākšanas ir ieteicams pieprasīt formas caurules skaitļošanas šķidruma dinamikas (CFD) modelēšanu savā īpašajā tvertnes ģeometrijā. Ieguvumi ir ļoti atkarīgi no tvertnes izmēru attiecības un sildītāja novietojuma attiecībā pret sienām. Ja temperatūra pārsniedz 8000 cP, aplūkojiet vairākus taisnus sildītājus un piespiedu recirkulāciju, nevis sarežģītu formu, jo spirālveida PFA caurules izmaksas, kas parasti ir par 30–50% vairāk nekā taisnas, netiek atgūtas palielinātā vienveidībā.