Проблема пограничного слоя
Передача тепла от стенки трубы из ПТФЭ к окружающей технологической жидкости не происходит на самой стенке. Это происходит через застойную пленку жидкости-пограничный слой-, который прилипает к поверхности трубы. Тепло должно проходить через этот неподвижный слой, прежде чем достичь объемной жидкости, откуда его уносит конвекция.
Для теплообменников из ПТФЭ управление пограничным слоем имеет решающее значение. Стенка трубки из фторполимера уже добавляет сопротивление проводимости. Добавление толстого сопротивления пограничного слоя сверху еще больше снижает общий коэффициент теплопередачи. Решение – скорость жидкости. Более высокая скорость утончает пограничный слой, уменьшая термическое сопротивление и улучшая теплопередачу.
Однако скорость не может увеличиваться без ограничений. Затраты на перекачку растут пропорционально квадрату скорости. Чрезмерная скорость может вызвать вибрацию и эрозию трубки. Инженерная задача — определить диапазон скоростей, который минимизирует сопротивление пограничного слоя, не создавая при этом других проблем.
Связь между скоростью и толщиной пограничного слоя
Толщина пограничного слоя на трубке в поперечном потоке зависит от числа Рейнольдса. Ниже Re=2,000 поток является ламинарным, а толщина пограничного слоя-обычно составляет 1–3 миллиметра. В теплопередаче преобладает проводимость через эту застойную пленку, что приводит к низким коэффициентам теплопередачи.
Выше Re=4,000 течение переходит в турбулентное. Пограничный слой становится намного тоньше,-обычно 0,1–0,5 миллиметра. Турбулентные вихри проникают близко к стене, значительно улучшая теплообмен. Коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении может быть в 3-5 раз выше, чем при ламинарном течении.
Для трубки из ПТФЭ с внешним диаметром 10 мм в ванне кислотного покрытия при температуре 60 градусов переход от ламинарного к турбулентному пограничному слою происходит при скорости поперечного потока примерно 0,4-0,5 м/с. Ниже этого пограничный слой толстый и изолирующий. Выше этого пограничный слой утончается и теплообмен заметно улучшается.
Таблица 1: Характеристики пограничного слоя в зависимости от скорости жидкости для трубки из ПТФЭ диаметром 10 мм в водной кислоте при температуре 60 градусов
| Скорость жидкости (м/с) | Число Рейнольдса | Режим течения | Прибл. Толщина пограничного слоя (мм) | Относительный коэффициент теплопередачи |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Ламинарный | 2.0-3.0 | 1,0 (базовый уровень) |
| 0.2 | 2,200 | Переходный | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Переходный | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | турбулентный | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | турбулентный | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | турбулентный | 0.1-0.2 | 4.8 |
Расчеты для трубы с внешним диаметром 10 мм в жидкости плотностью 1100 кг/м³ и вязкостью 1,2 сП, типичной для кислотных растворов. Коэффициент теплопередачи относительно ламинарной базовой линии.
Практические рекомендации по скорости
Данные показывают убывающую отдачу при скорости выше 0,8 м/с. Коэффициент теплопередачи увеличивается всего на 17% при увеличении скорости от 0,8 до 1,2 м/с, а мощность накачки увеличивается более чем на 200%. Экономический оптимум для большинства конструкций кожухов-и-труб из ПТФЭ лежит в пределах скорости поперечного потока от 0,5 до 0,8 м/с.
Для достижения такой скорости в погружной ванне требуется либо рециркуляция с помощью насоса через внешний кожух-и-трубчатый теплообменник, либо механическое перемешивание внутри резервуара. Барботирование воздухом, обычное в гальванических резервуарах, обычно обеспечивает локальную скорость 0,3-0,5 м/с, достаточную для разрушения самых толстых пограничных слоев, но ниже оптимальной для теплопередачи. Механические мешалки или эжекторы могут повысить локальную скорость до рекомендуемого диапазона.
Для внешних теплообменников с кожухом-и-трубками из ПТФЭ с накачиваемым потоком расчетная скорость достигается путем подбора диаметра корпуса и расстояния между перегородками, чтобы обеспечить целевую скорость поперечного потока при расчетном объемном расходе.
ПТФЭ-Особенности
Трубки из ПТФЭ являются гибкими. При высоких скоростях поперечного потока трубы могут вибрировать, если неподдерживаемые пролеты слишком длинные. Опорные пластины, расположенные с интервалом 150-200 мм для трубок с внешним диаметром 10 мм, предотвращают усталость, вызванную вибрацией, одновременно позволяя пограничному слою получить выгоду от турбулентного потока.
Гладкая поверхность трубок из ПТФЭ дает еще одно преимущество. При заданном числе Рейнольдса гладкая трубка имеет немного более тонкий пограничный слой, чем шероховатая трубка. Первоначальная гладкость ПТФЭ и его устойчивость к образованию накипи сохраняют это преимущество на протяжении всего срока службы оборудования.
Краткое содержание
Толщина пограничного слоя на трубках теплообменника из ПТФЭ регулируется скоростью жидкости. Переход от ламинарного течения к турбулентному при Re ≈ 4000 соответствует примерно 0,4–0,5 м/с для типичных условий кислотной ванны. Турбулентный поток снижает сопротивление пограничного слоя в 3-5 раз.
Рекомендуемый диапазон скоростей 0,5–0,8 м/с позволяет сбалансировать улучшение теплопередачи и затраты на перекачку. Эта скорость достижима за счет насосной рециркуляции, механического перемешивания или эдукторных систем. Расстояние между опорами трубок из ПТФЭ должно соответствовать выбранной скорости, чтобы предотвратить вибрацию.
Инженерный анализ оптимизации скорости жидкости теплообменника из ПТФЭ доступен после предоставления свойств технологической жидкости, конфигурации потока, доступной производительности насосов и требований к характеристикам теплопередачи.
