ツイストテープインサートのピッチ比は PTFE チューブ内の熱伝達にどのような影響を与えますか?

PTFE チューブ内に配置されたツイストテープが旋回流を生成し、熱伝達を高めます。この渦の程度とその結果として生じるパフォーマンスのトレードオフは、ねじれのピッチ比 (ねじれの強さとして表されます) によって直接制御されます。

ツイストテープインサートのピッチ比とは何ですか?
ピッチ比は、テープの幅に対する 360 度完全に 1 回ねじるのに必要な長さ (ピッチ長) の比です。たとえば、テープ自体の幅と同じ距離を完全に 1 回転するテープのピッチ比は 1 です。テープがその幅の 5 倍の長さを完全に巻いている場合、ピッチ比は 5 です。低いピッチ比=は非常にきつく、激しいねじれです。高いピッチ比=より緩く、よりソフトなツイスト。

実際には、PTFE チューブ用のツイスト テープ インサートは、腐食性の高いプロセス流体との完全な化学的適合性を確保するために、PTFE または PFA (パーフルオロアルコキシ アルカン) で構成されています。これにより、強力な酸、溶剤、または超高純度の媒体を使用しても、金属汚染や電気腐食の問題が発生しないことが保証されます。

渦巻きと熱伝達に対するピッチ比の影響
ねじれたテープが入ったチューブを流体が通過すると、テープが流れを押してらせん状のパターンをたどります。この渦によって遠心力が発生し、重い流体がチューブの壁に向かって移動するため、熱境界層が効果的に薄くなります。これは、より大きな対流熱伝達係数またはより高いヌッセルト数に対応します。

ピッチの比は、渦の強さに直接影響します。より強い接線速度成分は、よりきついねじれ (より低いピッチ比、例: . 2) によって引き起こされます。通常、インサートを使用した場合のヌッセルト数と素管のヌッセルト数の比として表される熱伝達の向上は、最大 150% 以上になる可能性があります。ただし、この高速回転は流体摩擦の大幅な増加にもつながり、圧力損失が大幅に増加し、空のチューブと比較して 200 ～ 600% の範囲になることがよくあります。

一方、ツイストを緩めると (ピッチ比が高く、. 5 や 6 など)、より穏やかな渦が生じます。熱伝達の向上は比較的控えめで、-通常は素管の値より 50-80% ですが、圧力損失のペナルティは比例して小さくなり、多くの場合は 100 ～ 200% 高いだけです。

テープの撚りピッチ比と PTFE の熱伝達性能は非線形の関係にあります。-ピッチ比が 6 から 2 に減少すると、熱伝達と摩擦の両方が不釣り合いに大幅に増加します。したがって、最適なピッチ比は設定された数値ではなく、許容ポンピングパワーと必要な熱負荷に完全に依存します。

PTFE チューブの実際的な設計上の推奨事項
PTFE チューブの場合、圧力降下が制限要因にならない場合は、ピッチ比 3 ～ 5 が選択されることがよくあります。この範囲は、熱伝達率が約 80 ～ 120% 増加し、圧力損失が 200 ～ 350% 増加するという適切な妥協点を示しています。一般に、これらの値は、特にチューブの長さが中程度の場合 (シェルアンドチューブまたは浸漬コイル熱交換器など)、ほとんどの化学プロセス用途で許容可能です。

PTFE チューブ自体の熱伝導率は比較的低い (ca. 0.25 W/mK) ことに注意してください。一般に、主な熱抵抗は管壁または内部の流体膜にあります。適切なピッチ比のツイストテープインサートを使用すると、内部フィルム抵抗を大幅に低減できるため、制御抵抗を熱交換器の反対側に移すことができます。これにより、全体の設計がよりバランスが取れ、コスト効率が高くなります。

重力供給システムや低圧ガスヒーターなど、圧力降下が高度に制限されている用途では、6 対 8 の高いピッチ比を選択できます。{2}}これにより、層流を制限し、半径方向の混合を増加させるのに十分な渦が発生しますが、摩擦によるペナルティはまだ許容可能です。

あるいは、圧力損失に関係なく最大の熱伝達が必要な場合（たとえば、高粘度加熱やポンピングコストが無視できる場合）には、ピッチ比 2 ～ 3 を選択することもできます。このような場合、熱伝達係数は 150% も増加する可能性があります。設計者は、ポンプまたはブロワーがより高い圧力ヘッドを提供できることを確認する必要があります。

さらなるエンジニアリング上の考慮事項
熱入口の長さは、PTFE チューブ内のツイスト テープ インサートによってさらに短縮され、低いレイノルズ数 (Re < 2000) であっても完全に発達した乱流のような挙動が得られます。{0}これは、実際の乱流が非現実的な流速を必要とする、遅い流れや小さな直径のチューブで特に役立ちます。

製造公差を考慮する必要があります。 PTFE 物質はより柔軟であるため、強く撚られたテープ (ピッチ比が低い) を作成することがより困難になります。非常に低いピッチ比 (約 2.5 以下) の場合は、剛性が高く、温度が上昇してもねじれ形状をより良く保持できるため、PFA が一般的に好まれます。

ピッチ比は清掃と維持にも影響します。ピッチ比が非常に低い（ねじれが厳しい）テープは、粒子が集まりやすく、洗浄のために取り除くのがより困難になる傾向があります。ほとんどの場合、ピッチ比が 4 以上であれば、廃棄物が通過したり、洗浄ピグが挿入されたりするのに十分な開いた軸方向ルートが得られます。

まとめ
ツイスト テープ インサートのピッチ比は、PTFE チューブにおける圧力損失のトレードオフに対する熱伝達を制御する主な設計手段です。{0}}強力な渦巻きと高い熱伝達の強化は、摩擦損失が大幅に増加する代わりに、ピッチ比を低くして (ねじれを強くして) 得られます。-ピッチ比が高い（ツイストが緩い）と、よりソフトでエネルギー効率の高いブーストが得られます。- 3 ～ 5 のピッチ比は、ほとんどの腐食性流体取り扱い用途に優れたバランスを提供します。ピッチ比を含むインサート形状の最適化は、化学的適合性や材料の完全性を損なうことなく熱交換器の性能を向上させる上で依然として重要な要素です。