Kokią įtaką išjungimo{0}}centro įdėklas turi susuktų juostų turbuliatorių veikimui?

Vamzdžio centre uždedama įprasta susukta juosta. Tačiau dėl ne-centro išdėstymo susidaro asimetrinis srauto laukas su stipresne antrine cirkuliacija, todėl to paties įdėklo šilumos perdavimo pranašumas gali būti didesnis. Šis nedidelis geometrinis modifikavimas, kurio paprastai trūksta įprasto šilumokaičio konstrukcijoje, gali užtikrinti didesnį šiluminį našumą nekeičiant juostos sukimo santykio ar medžiagos. PTFE šilumokaičiams, apdorojantiems korozinius arba subtilius skysčius, kai pasyvus pagerinimas yra pirmenybė teikiama aktyviems požiūriams, ne{4}}centro įrengimas siūlo mažą kainą, nereikia atnaujinti.

Ne{0}}Centrinės juostos asimetrinis srauto laukas
Jei susuktos juostos turbuliatorius yra tiesiai ant centrinės vamzdžio ašies, srautas yra padalintas į du simetriškus spiralinius kanalus. Judėjimas yra vienodo sūkurio, o greičio profilis yra radialiai simetriškas. Tai žinoma ir plačiai naudojama sąranka.

Juostos perkėlimas iš centro iš esmės paveikia geometriją. Vamzdžio skerspjūvis-dabar yra padalintas į du skirtingo dydžio srauto kanalus – didesnį tarpą vienoje juostos pusėje ir mažesnį tarpą kitoje pusėje. Kadangi skerspjūvio plotas- yra didesnis, šiuo kanalu tekantis skystis judės mažesniu greičiu (esant tam tikram tūriniam srautui). Priešingai, skystis mažesniame kanale pagreitėja. Dėl greičio skirtumo ir juostos spiralinio posūkio susidaro galingos antrinės cirkuliacijos - skerspjūvio sūkuriai, kurių nėra centre.

Rezultatas yra stipresnis maišymo modelis. Ne-centre susukta juosta sukuria pagrindinį sūkurį (aplink juostos ašį) ir antrinį sūkurį, besisukantį plokštumoje, statmenoje srauto krypčiai. Šis papildomas maišymas sėkmingiau trikdo šiluminį ribinį sluoksnį nei centre, ypač šalia vamzdžio sienelės, kur yra mažiausias tarpas.

Kiekybinis našumo patobulinimas
Eksperimentiniais tyrimais buvo tiesiogiai lyginamas ne centre susuktos juostos PTFE šilumos perdavimo efektyvumas su centre esančiomis juostomis esant identiškiems srauto parametrams (Re=500-5000 tipiniuose tyrimuose). Pagrindiniai atradimai apima:

Nusselt skaičiaus padidinimas: vamzdžio pusės Nusselt skaičius padidinamas papildomai 10-20 %, kai padėtis yra ne centre, palyginti su centre esančia juosta, kad būtų toks pat sukimo santykis ir Reinoldso skaičius.

Slėgio kritimo elgsena: trinties faktoriaus padidėjimas dėl ne{0}}centro padėties yra panašus arba šiek tiek didesnis (daugiausia 5–10 % didesnis už centre esančios juostos vertę). Slėgio bauda nedidinama proporcingai šilumos perdavimo padidėjimui, todėl padidėja šiluminės hidraulinės charakteristikos indeksas (Nu/f).

Mechanizmo patvarumas: patobulinimai pastebimi naudojant įvairius sukimo santykius (y=2–6) ir vamzdžio skersmenis, nors kiekis priklauso nuo geometrijos.

Šie laimėjimai toli gražu nėra nedideli. PTFE šilumokaičio atveju, kai vamzdžio -šoninės plėvelės koeficientas paprastai yra ribojantis viso veikimo veiksnys, papildomi 15 % Nuselto skaičiaus gali reikšti reikšmingą būtino šilumos perdavimo ploto sumažėjimą arba pralaidumo padidėjimą.

Poslinkio atstumo ir vamzdžio spindulio efektas
Šilumos perdavimo padidėjimo mastas labai priklauso nuo juostos poslinkio nuo centro. Optimalus poslinkio atstumas dažnai yra 20–30 % vamzdžio spindulio (ty $\\delta/R \\apytiksliai 0,2–0,3 $, kur $\\delta$ yra atstumas nuo vamzdžio centro iki juostos ašies). Šiame diapazone antrinė cirkuliacija yra pakankamai stipri, kad suteiktų papildomą maišymą, bet ne tokia galinga, kad juosta liestųsi su vamzdžio sienele arba sukeltų stiprų srauto stagnaciją.

"Mažiau nei 10 % spindulio poslinkiai mažai skiriasi nuo centrinės padėties - srauto asimetrija yra per silpna, kad susidarytų dideli antriniai sūkuriai. Didesni nei 40 % spindulio poslinkiai rizikuoja kontaktuoti tarp juostos ir vamzdžio sienelės (ypač, kai atsižvelgiama į šiluminį plėtimąsi ir gamybos tolerancijas) ir gali susidaryti per didelis vietinis įtempimas.

PTFE vamzdžiams, kurie dažnai gaminami su šiek tiek skirtingu vidiniu skersmeniu, praktiškai galima pasiekti maždaug 25 % vardinio spindulio poslinkį sumontavus ekscentrinę atraminę konstrukciją ties vamzdžio įleidimo ir išleidimo anga arba įkišus juostą su tyčia sulenktu priekiniu segmentu.

Priklausomybė nuo Reinoldso skaičiaus: labiausiai pastebima esant vidutiniams Reinoldso skaičiams
Ne{0}}centro išdėstymo efektas daugiausia susijęs su tarpiniais Reinoldso skaičiais, paprastai pereinamojoje ir žemesnės turbulencijos srityje (Re\\apie 800–4000). Šiuo režimu srautas nėra visiškai turbulentinis, o natūralus maišymasis yra silpnas. Asimetrinė juosta gali generuoti antrines sroves, kurios gali dirbtinai nukreipti srautą į chaotiškesnę būseną ir labai pagerinti šilumos perdavimą.

Esant labai mažam Reinoldso skaičiui (Re < 300), antrinius sūkurius slopina klampus slopinimas, neatsižvelgiant į juostos asimetriją. Centrinės juostos pranašumas sumažėja ir abi konfigūracijos veikia panašiai kaip laminarinis srautas su nedideliu sūkuriu.

Natūrali turbulencija jau suteikia didelį radialinį maišymąsi esant dideliam Reinoldso skaičiui (Re > 8000). Papildoma ne-centro paskirties vietos nauda sumažėja iki 5-10 % ar mažiau. Daugumoje PTFE šilumokaičių, kur srautai yra vidutinio sunkumo dėl slėgio kritimo apribojimų fluoropolimerų sistemose, vidutinis Re diapazonas yra būtent tas diapazonas, kuriame įranga veikia, todėl išdėstymas ne centre yra gana svarbus.

Praktinės problemos: asimetrinės jėgos, vibracija
Vienas iš praktinių sunkumų, su kuriais susiduriama montuojant ne{0}}centre susuktą juostą, yra susidarančios asimetrinės skysčio jėgos. Greitesnis srautas per mažą tarpą ir lėtesnis srautas per didelį tarpą sukelia grynojo slėgio disbalansą juostoje. Ši asimetrija sukelia šonines jėgas, kurios linkusios prispausti juostą prie vamzdžio sienelės. Be to, srauto greitis taip pat gali sukelti juostos kėlimo arba tempimo jėgas horizontaliame vamzdyje.

Dėl šių nevienodų jėgų juosta laikui bėgant gali vis labiau nuslysti nuo{0}}centro arba paliesti vamzdžio sienelę. Kontaktas ne tik pablogina šilumos perdavimą (blokuoja srautą ir sukelia karštus taškus), bet gali pažeisti vidinį PTFE vamzdžio paviršių arba nusidėvėti juostos dangą. Metalinės juostos, įdėtos į PTFE vamzdžius, taip pat kenčia nuo trūkinėjimo ir vibracijos. Juosta gali atsimušti pirmyn ir atgal į vamzdžio sieneles, sukeldama triukšmą ir galimą nuovargio gedimą.

Štai keletas švelninimo strategijų:

Keli atramos taškai - Reguliariai (pvz., kas 10–20 vamzdžių skersmenų) centralizuojant žiedus arba tarpiklius užtikrinamas numatytas poslinkis, neleidžiant pernelyg judėti į šoną.

Juostos medžiagos pasirinkimas - Kietesnė juosta (pvz., storesnis metalas arba PTFE užpildytas kompozitas) atlaikys deformaciją esant asimetriniam įtempimui.

Numatytas griovelis arba raktas - Vamzdis gali būti pagamintas su vidiniu išilginiu grioveliu, kuris užfiksuoja juostos kraštą ir todėl tiksliai fiksuoja poslinkio vietą. Tai labiau būdinga metaliniams vamzdeliams, bet gali būti pritaikyta PTFE naudojant atitinkamus ekstruzijos įrankius.

Mažesnis srauto greitis - Leidžiant vidutinį Reinoldso skaičių (kur įtaka vis tiek yra didžiausia), sumažinamas asimetrinių jėgų dydis.

Praktiškai vibracijos ir perjungimo problemos yra toleruojamos esant švariems skysčiams ir nedideliam srautui. Laboratoriniai ir bandomųjų įrenginių tyrimai parodė ilgalaikį stabilų veikimą su ne{1}}centrinėmis juostomis, pritvirtintomis tik galuose.

Palyginimas su kitomis įterpimo geometrijomis
Yra ir kitų būdų, kaip gauti asimetrinį maišymą, nei ne{0}}centre. Buvo ištirtos ekscentrinės susuktos juostos, pusiau susuktos juostos ir tikslingai sulenktos ašies juostos-į-vamzdyje mazgai. Necentrinė standartinė juosta turi vieną aiškų pranašumą. Nebūtina keisti pačios juostos – tiesiog tai, kaip juosta įdedama į vamzdelį. Taigi dabartinės susuktos juostos gali būti pakartotinai naudojamos ne{7}}centrinėje vietoje be jokių papildomų gamybos išlaidų.

Ši konstrukcija yra naudinga, kai šilumokaitis jau veikia ir reikalingas nedidelis našumo padidėjimas. Juostą buvo galima specialiai ištraukti į vieną pusę ir laikyti asimetriškomis galo jungiamosiomis detalėmis. Tačiau reikia atidžiai apsvarstyti aukščiau nurodytus vibracijos ir palaikymo sunkumus.

PTFE šilumokaičių projektavimas: praktiniai svarstymai
PTFE apvalkalų ir vamzdžių šilumokaičių dizaineriams gali būti pateikti šie pasiūlymai:

Pakankamai didelio skersmens vamzdžiams (didesnis arba lygus 12 mm ID) su jau nurodyta įprasta susukta juosta, ne{1}}centrinis išdėstymas gali būti laikomas laipsnišku patobulinimu -, ypač kai veikiantis Reinoldso skaičius yra 800–4000 diapazone.

Naudokite maždaug 25 procentų vamzdžio spindulio poslinkį. Šis balansavimas maksimaliai padidina antrinį srautą su toleruojama jėgos asimetrija.

Pridėkite centralizavimo žiedus 10–15 vamzdžių skersmenų intervalais, kad išlaikytumėte poslinkį ir išvengtumėte kontakto su siena. Žiedai yra pagaminti iš PTFE arba PFA cheminiam suderinamumui užtikrinti.

Įvertinkite vibracijos riziką: didelio greičio dujų ar mažo klampumo skysčio srautams gali būti naudinga daugiau atramų arba mažesnė poslinkio dalis (pvz., . 15% spindulys).

Išvada: nebrangus laipsniškas atnaujinimas
Mažai{0}}kaištų laipsniškas šilumos perdavimo pagerinimas gali būti pasiektas susuktą juostą tyčia pastatant nuo-centro, todėl Nusselto skaičius papildomai padidėja 10–20 % ir slėgis mažėja nedaug arba jo nebebus, palyginti su centre esančia juosta. Asimetriškas srauto padalijimas tarpininkauja sukuriant antrines cirkuliacijas, kurios padidina maišymąsi šiluminiame ribiniame sluoksnyje. Optimali poslinkio vertė yra 20–30 % vamzdžio spindulio, o poveikis yra reikšmingiausias esant tarpiniams Reinoldso skaičiams (Re ≈ 800–4000).

Maži formos svyravimai gali padidinti našumą. Necentrinis susuktos juostos PTFE šilumos perdavimo metodas suteikia tiesioginį PTFE šilumokaičių atnaujinimą, kai atsparumas korozijai lemia medžiagos pasirinkimą, o pasyvus tobulinimas yra vienintelė įmanoma kryptis. Dizaineriai turi pakeisti-nedidelę vibraciją ir palaikymo poreikius bei šilumos pranašumus.