مشكلة الطبقة الحدودية
لا يحدث انتقال الحرارة من جدار أنبوب PTFE إلى سائل العملية المحيط عند الجدار نفسه. ويحدث عبر طبقة السائل الراكدة-الطبقة الحدودية-التي تلتصق بسطح الأنبوب. يجب أن تمر الحرارة عبر هذه الطبقة الساكنة قبل أن تصل إلى السائل السائب حيث يحمله الحمل الحراري بعيدًا.
بالنسبة للمبادلات الحرارية PTFE، تعد إدارة الطبقة الحدودية أمرًا بالغ الأهمية. يضيف جدار أنبوب الفلوروبوليمر بالفعل مقاومة موصلة. تؤدي إضافة مقاومة طبقة حدودية سميكة في الأعلى إلى تقليل معامل نقل الحرارة الإجمالي. الحل هو سرعة السوائل تعمل السرعة الأعلى على ترقق الطبقة الحدودية، مما يقلل المقاومة الحرارية ويحسن نقل الحرارة.
ومع ذلك، لا يمكن أن تزيد السرعة بلا حدود. ترتفع تكاليف الضخ مع مربع السرعة. السرعة المفرطة يمكن أن تسبب اهتزاز الأنبوب وتآكله. تتمثل المهمة الهندسية في تحديد نطاق السرعة الذي يقلل من مقاومة الطبقة الحدودية دون خلق مشاكل أخرى.
العلاقة بين السرعة وسمك الطبقة الحدودية
يعتمد سمك الطبقة الحدودية على الأنبوب في التدفق المتقاطع على رقم رينولدز. أسفل Re=2,000، يكون التدفق طبقيًا وتكون الطبقة الحدودية سميكة-عادةً من 1-3 ملم. ويهيمن التوصيل من خلال هذا الفيلم الراكد على نقل الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض معاملات نقل الحرارة.
فوق Re=4,000، يتحول التدفق إلى اضطراب. تصبح الطبقة الحدودية أرق بكثير-عادةً من 0.1 إلى 0.5 ملم. تخترق الدوامات المضطربة بالقرب من الجدار، مما يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة بشكل كبير. يمكن أن يكون معامل نقل الحرارة في التدفق المضطرب أعلى بمقدار 3-5 مرات منه في التدفق الصفحي.
بالنسبة لأنبوب 10 مم OD PTFE في حمام الطلاء الحمضي عند 60 درجة، يحدث الانتقال من الطبقة الصفائحية إلى الطبقة الحدودية المضطربة بسرعة تدفق متقاطع تبلغ حوالي 0.4-0.5 م/ث. وتحت هذا، تكون الطبقة الحدودية سميكة وعازلة. وفوق ذلك، ترقق الطبقة الحدودية ويتحسن نقل الحرارة بشكل ملحوظ.
الجدول 1: خصائص الطبقة الحدودية مقابل سرعة الموائع لأنبوب PTFE مقاس 10 مم في حمض مائي عند 60 درجة
| سرعة الموائع (م/ث) | رقم رينولدز | نظام التدفق | تقريبا. سمك الطبقة الحدودية (مم) | معامل انتقال الحرارة النسبي |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | رقائقي | 2.0-3.0 | 1.0 (خط الأساس) |
| 0.2 | 2,200 | انتقالية | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | انتقالية | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | مضطرب | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | مضطرب | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | مضطرب | 0.1-0.2 | 4.8 |
حسابات أنبوب OD بقطر 10 مم في سائل بكثافة 1100 كجم/م3 ولزوجة 1.2 سنتي بواز، نموذجية لمحاليل الطلاء الحمضي. معامل انتقال الحرارة نسبة إلى خط الأساس الصفحي.
توصيات السرعة العملية
تظهر البيانات تناقص العوائد فوق 0.8 م/ث. يتحسن معامل نقل الحرارة بنسبة 17% فقط عندما تزيد السرعة من 0.8 إلى 1.2 م/ث، بينما تزيد طاقة الضخ بنسبة تزيد عن 200%. يقع الحل الاقتصادي الأمثل لمعظم تصميمات أغلفة PTFE-و-الأنابيب بين 0.5 و0.8 م/ث لسرعة التدفق المتقاطع.
يتطلب تحقيق هذه السرعة في الحمام الغاطس إما إعادة تدوير الضخ من خلال غلاف خارجي-و-مبادل أنبوبي أو التقليب الميكانيكي داخل الخزان. عادةً ما ينتج رش الهواء، الشائع في خزانات الطلاء، سرعات موضعية تبلغ 0.3-0.5 م/ث، وهي كافية لتفتيت الطبقات الحدودية الأكثر سمكًا ولكن أقل من المستوى الأمثل لنقل الحرارة. يمكن للمحرضين الميكانيكيين أو الفوهات الموصلة أن تزيد السرعات المحلية إلى النطاق الموصى به.
بالنسبة إلى غلاف PTFE الخارجي-و-المبادلات الأنبوبية ذات التدفق المضخوخ، يتم تحقيق سرعة التصميم من خلال تحديد حجم قطر الغلاف والتباعد بين الحاجز لإنتاج سرعة التدفق المتقاطع المستهدف بمعدل التدفق الحجمي التصميمي.
PTFE-اعتبارات محددة
أنابيب PTFE مرنة. عند سرعات التدفق المتقاطع العالية، يمكن أن تهتز الأنابيب إذا كانت الامتدادات غير المدعومة طويلة جدًا. تعمل لوحات الدعم المتباعدة على فترات تبلغ 150-200 مم لأنابيب OD مقاس 10 مم على منع التعب الناتج عن الاهتزاز مع السماح بفائدة الطبقة الحدودية من التدفق المضطرب.
يوفر السطح الأملس لأنابيب PTFE ميزة ثانوية. بالنسبة لعدد رينولدز معين، يحتوي الأنبوب الأملس على طبقة حدودية أرق قليلاً من الأنبوب الخشن. تحافظ السلاسة الأولية لـ PTFE ومقاومته لتراكم الحجم على هذه الميزة طوال عمر الجهاز.
ملخص
يتم التحكم في سماكة الطبقة الحدودية على أنابيب المبادل الحراري PTFE بواسطة سرعة السائل. يتوافق الانتقال من التدفق الصفحي إلى التدفق المضطرب عند Re ≈ 4000 مع حوالي 0.4-0.5 م/ث لظروف الحمام الحمضي النموذجي. يقلل التدفق المضطرب من مقاومة الطبقة الحدودية بعامل 3-5.
نطاق السرعة الموصى به والذي يتراوح بين 0.5-0.8 م/ث يوازن بين تحسين نقل الحرارة وتكاليف الضخ. يمكن تحقيق هذه السرعة من خلال إعادة التدوير بالضخ، أو التحريض الميكانيكي، أو أنظمة التوصيل. يجب أن يستوعب تباعد دعم أنبوب PTFE السرعة المحددة لمنع الاهتزاز.
يتوفر التحليل الهندسي لتحسين سرعة مائع المبادل الحراري PTFE عند تقديم خصائص مائع العملية وتكوين التدفق وقدرة الضخ المتاحة ومتطلبات أداء نقل الحرارة.
