पीटीएफई एक्सचेंजर्स में टर्ब्युलेटर इंसर्ट की सापेक्ष प्रभावशीलता पर ट्यूब व्यास का क्या प्रभाव पड़ता है?

एक टर्ब्युलेटर इंसर्ट जो छोटे व्यास वाले पीटीएफई ट्यूब में गर्मी हस्तांतरण को काफी बढ़ाता है, बड़े व्यास वाले ट्यूब में काफी कम प्रभावी हो सकता है। व्यास के साथ अशांत मिश्रण क्षेत्र और ट्यूब क्रॉस सेक्शन का अनुपात घटता जाता है। फ्लोरोपॉलीमर ट्यूब वाले हीट एक्सचेंजर्स के लिए निष्क्रिय वृद्धि उपकरणों का चयन करते समय स्केलिंग प्रभाव को आमतौर पर नजरअंदाज कर दिया जाता है। टर्बुलेटर्स के सापेक्ष प्रदर्शन पर ट्यूब व्यास के प्रभाव का ज्ञान लागत प्रभावी और थर्मल रूप से कुशल पीटीएफई हीट एक्सचेंजर्स के डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण है।

मिक्सिंग पेनेट्रेशन में ट्यूब व्यास का महत्व
टर्ब्यूलेटर आवेषण (मुड़ टेप, सर्पिल स्प्रिंग्स, तार जाल, स्थिर मिक्सर) ट्यूब की दीवार पर सीमा परत को तोड़ते हैं और माध्यमिक प्रवाह (भंवर, भंवर, या रेडियल वेग घटक) बनाते हैं। ट्यूब के केंद्र की दिशा में इन प्रवाह गड़बड़ी का प्रवेश अधिकतर दो कारकों पर निर्भर करता है: डालने की ज्यामिति और ट्यूब का व्यास।

एक छोटा टर्ब्यूलेटर एक छोटे व्यास ट्यूब (उदाहरण के लिए, 6 मिमी आंतरिक व्यास) के क्रॉस-अनुभागीय प्रवाह क्षेत्र की एक महत्वपूर्ण मात्रा को प्रभावित कर सकता है। सम्मिलन के हाशिये से निकलने वाले भंवर ट्यूब की केंद्र रेखा तक पहुंच सकते हैं, जिससे समग्र वेग प्रोफ़ाइल को लैमिनर या संक्रमणकालीन से अच्छी तरह मिश्रित अशांत प्रवाह में बदल दिया जाता है। परिणामस्वरूप, दीवार के करीब केंद्रित थर्मल प्रतिरोध काफी हद तक कम हो जाता है और नुसेल्ट संख्या दोगुनी या तिगुनी हो सकती है।

एक बड़े व्यास वाले ट्यूब (उदाहरण के लिए . 25 मिमी आईडी) में समान टर्ब्यूलेटर केवल दीवार के पास कुंडलाकार क्षेत्र में स्थानीयकृत मिश्रण की ओर ले जाता है। कोर प्रवाह अनिवार्य रूप से अपरिवर्तित रहता है और लैमिनर या हल्का संक्रमणकालीन होता है। यह निकटवर्ती दीवार क्षेत्र में गर्मी संचरण की वृद्धि को सीमित करता है जबकि केंद्रीय द्रव बेहतर मिश्रण क्षेत्र के आसपास बहता है। समग्र ट्यूब साइड हीट ट्रांसफर गुणांक बस थोड़ा बढ़ जाता है। ट्यूब व्यास टर्ब्यूलेटर प्रभावकारिता पीटीएफई एक्सचेंजर संबंध ऐसा प्रतीत होता है: व्यास जितना बड़ा होगा, उतना अधिक सम्मिलित प्रभाव पतला होगा।

एक ज्यामितीय परिप्रेक्ष्य को आसान बना दिया गया
मान लीजिए कि एक इंसर्ट जो ट्यूब की दीवार से रेडियल दूरी $\\delta$ तक प्रभावी मिश्रण को प्रेरित करता है। वह क्रॉस-सेक्शन जहां मिश्रण को बढ़ाया जाता है वह लगभग है:

छोटे व्यास D के लिए: मिश्रण क्षेत्र अंश=1 - ( (D-2\\delta)/D)^2

बड़े व्यास के लिए: जैसे-जैसे D बढ़ता है, मिश्रित प्रवाह का अंश 1/D² के साथ गिरता है (एक निश्चित δ के लिए)

क्योंकि δ डालने की ज्यामिति से बाधित होता है (उदाहरण के लिए, एक मुड़े हुए टेप किनारे की ऊंचाई, एक स्प्रिंग का तार व्यास, आदि), एक मिश्रण सुविधा जो दीवार से 2 मिमी प्रवाह को बाधित करती है, लगभग पूरे 6 मिमी ट्यूब को प्रभावित करेगी, लेकिन 20 मिमी ट्यूब में सिर्फ एक पतली बाहरी रिंग को प्रभावित करेगी।

पीटीएफई हीट एक्सचेंजर के डिजाइन के लिए व्यावहारिक निहितार्थ
छोटे ट्यूब आकार पीटीएफई शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स के लिए विशिष्ट होते हैं, आमतौर पर 6 मिमी, 8 मिमी, 10 मिमी या 12 मिमी आंतरिक व्यास। यह कोई दुर्घटना नहीं है. छोटे व्यास सतह क्षेत्र को आयतन अनुपात में बढ़ाते हैं, पीटीएफई की कम तापीय चालकता को संतुलित करते हैं और एक्सचेंजर की कॉम्पैक्टनेस को बनाए रखते हैं। समान मामूली व्यास ट्यूबों को टर्ब्यूलेटर डालने के लिए स्वाभाविक रूप से अनुकूल बनाते हैं।

एक सामान्य अवलोकन यह है कि लगभग 15 मिमी तक के ट्यूब के आंतरिक व्यास के लिए, मानक टर्ब्यूलेटर डिज़ाइन (जैसे पिच के साथ सर्पिल स्प्रिंग्स {{3} से - व्यास अनुपात 1 - 2 या 3-5 के ट्विस्ट अनुपात के साथ मुड़े हुए टेप) एक महत्वपूर्ण गर्मी हस्तांतरण वृद्धि (Nu/Nu_smooth=2-3) ​​की ओर ले जाते हैं। 20 मिमी से ऊपर के इंसर्ट के लिए, वही इंसर्ट केवल 1.2-1.5 के वृद्धि कारक प्रदान करता है जब तक कि इंसर्ट की ज्यामिति को आक्रामक तरीके से स्केल नहीं किया जाता है, उदाहरण के लिए, एक बड़ा तार व्यास, सख्त पिच, या एक मल्टी-स्टार्ट स्प्रिंग।

ट्यूब व्यास रेंज के लिए व्यावहारिक वृद्धि कारक
Inner Diameter of TubeTypical Enhancement (Nu/Nu_smooth) Pressure drop increase 6-10 mm 2.5-3.5 4-8× 12-15 mm 2.0-2.5 3-6× 16-20 mm 1.5-2.0 2-5× >20 मिमी 1.2-1.5 (स्केल इंसर्ट आवश्यक) 1.5-3× (या अधिक)
ये मान संक्रमणकालीन चरण (Re ~ 1000-5000) में अच्छी तरह से मेल खाने वाली सम्मिलित ज्यामिति और रेनॉल्ड्स संख्या के लिए हैं। उच्च रेनॉल्ड्स संख्या पर व्यास प्रभाव कम होता है क्योंकि प्राकृतिक अशांति वैसे भी प्रभावी होती है।

रेनॉल्ड्स संख्या की भूमिका: जब छोटी ट्यूब अभी भी विफल हो जाती हैं
यदि प्रवाह दर बहुत कम है तो एक छोटे व्यास की ट्यूब को भी टर्ब्युलेटर से कोई लाभ नहीं मिलेगा। बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या (रे <100) पर चिपचिपा बल हावी हो जाता है और ट्यूब क्रॉस सेक्शन में फैलने से पहले डालने से उत्पन्न किसी भी गड़बड़ी को तुरंत शांत कर दिया जाता है। मिश्रण अभी भी स्थानीयकृत है और नुसेल्ट संख्या चिकनी ट्यूबों के लिए लैमिनर मान के करीब पहुंचती है। व्यवहार में, टर्ब्युलेटर संक्रमणकालीन प्रवाह व्यवस्था ($Re sim 400-5000$) में अच्छी तरह से काम करते हैं। इस सीमा के नीचे वृद्धिशील लाभ व्यास से स्वतंत्र है।

डिजाइनरों को यह भी पता होना चाहिए कि किसी दिए गए द्रव्यमान प्रवाह दर के लिए, छोटी ट्यूबों में स्वाभाविक रूप से उच्च रेनॉल्ड्स संख्या होती है क्योंकि वेग क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र से विपरीत रूप से संबंधित होता है। यह सहक्रियात्मक प्रभाव छोटे ट्यूब व्यास + टर्ब्यूलेटर के संयोजन के लिए अभी भी अधिक अनुकूल है। छोटी ट्यूब में पहले से ही अधिक रेनॉल्ड्स संख्या होती है और टर्ब्यूलेटर अशांति में संक्रमण को बढ़ाता है।

दबाव ड्रॉप के ट्रेडऑफ़ और परिणाम
बड़ी दीवार के घर्षण के कारण समान प्रवाह दर के लिए छोटी ट्यूबों में बड़ी ट्यूबों की तुलना में अधिक बेसलाइन दबाव ड्रॉप होता है। टर्ब्युलेटर जोड़ने से यह दबाव ड्रॉप 3{5}}6 गुना बढ़ जाता है। एक छोटे व्यास की ट्यूब में कुल दबाव ड्रॉप निषेधात्मक हो सकता है, विशेष रूप से चिपचिपे तरल पदार्थ या विस्तारित ट्यूब की लंबाई के साथ। दूसरी ओर एक बड़े व्यास वाले ट्यूब में बेसलाइन दबाव में कम गिरावट होगी, यहां तक ​​कि 3 के कारक की वृद्धि के साथ भी पूर्ण गिरावट स्वीकार्य हो सकती है। इसके परिणामस्वरूप छोटी ट्यूबों के लिए बढ़ी हुई पंपिंग लागत की कीमत पर बढ़ी हुई गर्मी हस्तांतरण और हल्के हाइड्रोलिक प्रदर्शन के साथ बड़ी ट्यूबों में कम गर्मी हस्तांतरण वृद्धि के बीच एक डिजाइन व्यापार-बंद होता है।

पीटीएफई एक्सचेंजर्स के लिए, जो आम तौर पर कम दबाव ड्रॉप सिस्टम (उदाहरण के लिए, वायुमंडलीय दबाव धातु पॉलिशिंग स्नान) में संक्षारक तरल पदार्थ के लिए उपयोग किए जाते हैं, डिजाइनर को इन कारकों का वजन करना चाहिए। एक लोकप्रिय तरीका महत्वपूर्ण दबाव दंड के बिना संतोषजनक वृद्धि प्राप्त करने के लिए अपेक्षाकृत ढीले टर्ब्यूलेटर (उदाहरण के लिए, लंबी पिच स्प्रिंग) के साथ एक उचित छोटी ट्यूब (उदाहरण के लिए, 10 मिमी आईडी) का चयन करना है।

टर्ब्युलेटर चुनने के लिए व्यावहारिक सुझाव
ट्यूब व्यास के महत्वपूर्ण प्रभाव को ध्यान में रखते हुए, पीटीएफई एक्सचेंजर्स में टर्ब्यूलेटर आवेषण के विनिर्देश के बारे में निम्नलिखित सिफारिशें की जा सकती हैं:

10 मिमी आईडी से कम ट्यूबों के लिए: एक एकल सर्पिल स्प्रिंग या मुड़ा हुआ टेप काफी अच्छा काम करता है। ट्यूब व्यास टर्ब्यूलेटर और पीटीएफई एक्सचेंजर की प्रभावकारिता के बीच पर्याप्त सकारात्मक सहसंबंध है। विशेष रूप से लंबी ट्यूब लंबाई के लिए दबाव ड्रॉप का सटीक अनुमान लगाया जाना चाहिए।

12-15 मिमी आईडी ट्यूबों के लिए: कुछ हद तक कम वृद्धि के साथ, मानक आवेषण काम करते हैं। यदि दबाव में वृद्धि को सहन किया जा सकता है, तो कड़ी पिच या बड़े तार व्यास का उपयोग करके प्रदर्शन को पुनः प्राप्त किया जा सकता है।

16 मिमी आईडी से अधिक ट्यूबों के लिए: मानक आवेषण की अनुशंसा नहीं की जाती है। विकल्प कई आवेषण हैं (उदाहरण के लिए, दो समानांतर स्प्रिंग्स, एक बहु - स्टार्ट ट्विस्टेड टेप या एक तार जाल पैक ट्यूब) या विभिन्न बढ़ाने वाली तकनीक (ट्यूब रफनिंग या बाहरी फ्लूटेड ट्यूब) का उपयोग। कई परिस्थितियों में, छोटे व्यास वाले ट्यूबों के बंडल का उपयोग आक्रामक इंसर्ट वाले बड़े व्यास वाले ट्यूबों की तुलना में अधिक सस्ता हो सकता है।

निष्कर्ष: ट्यूब आकार को बढ़ाने की रणनीति से मिलान करना
टर्ब्युलेटर इंसर्ट छोटे व्यास वाले पीटीएफई ट्यूबों में बहुत अच्छी तरह से काम करते हैं जैसा कि आमतौर पर पीटीएफई एक्सचेंजर सिस्टम में उपयोग किया जाता है। 6{2}}12 मिमी के भीतरी व्यास वाले ट्यूबों में, स्प्रिंग्स या टेप द्वारा उत्पादित मिश्रण प्रवाह क्रॉस - अनुभाग के एक बड़े हिस्से में प्रवेश करता है, जिसके परिणामस्वरूप न्यूसेल्ट संख्या में चिकनी-ट्यूब मूल्य से दो से तीन गुना वृद्धि होती है। 15 मिमी से ऊपर के व्यास के साथ सापेक्ष प्रभावकारिता तेजी से घट जाती है, क्योंकि कोर प्रवाह मिश्रित नहीं होता है और समान प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए अधिक आक्रामक इंसर्ट या कई इंसर्ट की आवश्यकता होती है।

ट्यूब आकार का चयन बढ़ाने के दृष्टिकोण से संबंधित है। नई पीटीएफई हीट एक्सचेंजर परियोजनाओं के लिए, डिजाइनर को वांछित थर्मल ड्यूटी और अनुमेय दबाव ड्रॉप के साथ शुरुआत करनी चाहिए। मुख्य चर के रूप में ट्यूब व्यास पर विचार। संक्षारक, स्वच्छ तरल पदार्थों को अक्सर टर्ब्युलेटर के साथ छोटी ट्यूबों के साथ सबसे अच्छा संभाला जाता है, जो सबसे कॉम्पैक्ट और किफायती विकल्प होता है। मौजूदा एक्सचेंजर को रेट्रोफिटिंग के लिए व्यास तय किया गया है, उपलब्ध वृद्धि कारक को उपरोक्त व्यास पर निर्भर दिशानिर्देशों का उपयोग करके अनुमानित किया जा सकता है और सम्मिलित ज्यामिति को विशिष्ट ट्यूब आकार के अनुरूप बनाया जा सकता है। ट्यूब की चौड़ाई, टर्ब्युलेटर प्रभावशीलता और पीटीएफई एक्सचेंजर के बीच संबंध को समझने से यह आश्वासन मिलता है कि टर्ब्युलेटर अनावश्यक रूप से डिज़ाइन या अचानक दबाव में कमी के बिना अपना इच्छित लाभ प्रदान कर रहे हैं।