タービュレーターのインサート形状は PTFE 熱交換器チューブの熱性能にどのような影響を与えますか?

滑らかな PTFE チューブ内の内部熱伝達は、層流傾向があるため不十分です。しかし、チューブ内に成形デバイスであるタービュレーターを挿入すると、流れのパターンに劇的な影響を及ぼし、乱流と熱伝達率が増大する可能性があります。タービュレーターインサートの形状は、熱交換プロセスを成功させるための重要な要素であり、圧力損失だけでなく熱性能にも影響を与えます。

タービュレーターインサートの代表的な形状
PTFE 熱交換器では、多くの場合、チューブ側の乱流を増加させて熱伝達を高めるために、多くの種類のタービュレーター インサートが使用されます。使用される最も一般的な 3 つの形状は、ツイスト テープ、ワイヤ コイル、ディンプルまたは波形インサートです。

テープが引き裂かれた
ツイストテープは、チューブの内側に配置された螺旋状の材料のストリップで、渦流を誘発し、流体をチューブ壁に向かって動かします。この形状は、乱流を促進する層流を大幅に破壊し、熱伝達係数を高めます。 PTFE 熱交換器の熱伝達を高めるために実際に使用されている最も効率的なタービュレーター設計の 1 つは、ツイスト テープです。それらが生成する渦流は流体の混合を促進し、チューブ表面全体への熱の分散を高めます。

ワイヤーコイリング
PTFE チューブ内の乱流を強化するもう 1 つの一般的なアプローチは、スプリングのようなインサートまたはワイヤー コイルを使用することです。{0}流体がチューブを通過すると、これらのコイルが境界層をトリップします。混沌とした動きが層流を遮断します。ワイヤコイルは流体を不規則に動かし、それによって熱伝達率を高めます。興味深いことに、ワイヤー コイルは、流れに大きな障害を与えることなく、バランスの取れた方法で乱流を増加させます。

ディンプルまたは波形インサート
ディンプルまたは波形のインサートは、流れの流れに小さな局所的な渦を生成します。これらの渦は、インサート表面を横切る流体の流れに乱流をもたらし、熱伝達率を高めます。ディンプル付きインサートは、ツイストテープやワイヤコイルよりも侵襲性が低くなりますが、圧力降下を低く維持することが重要な用途では特に有益です。実際には、ポンピングパワーへの影響を最小限に抑えながら熱伝達を適度に増大させることが求められる場合、ディンプルまたは波形インサートを備えたシステムが頻繁に適用されます。

熱伝達と圧力損失のパフォーマンスのトレードオフ-
各タービュレータ インサートの形状により、熱伝達性能の尺度である無次元量であるチューブ側のヌッセルト数が増加します。{0}ただし、これらの形状により、熱交換器全体の圧力損失が増加し、ポンプ費用の増加につながる可能性があります。タービュレーターインサートの形状の最適な選択は、熱伝達の増加と許容される圧力降下のバランスによって決まります。

一般に、テープをねじると、熱伝達が最大に増加しますが、圧力損失も大幅に増加します。ワイヤーコイルは、熱伝達と圧力損失の点で中間点を提供し、したがって性能とエネルギー効率が向上します。ディンプル付きインサートは圧力降下が最も低くなりますが、他の 2 つの代替品と比較して熱伝達の向上は低くなります。

最適なタービュレーターインサートの選択は、実行する熱伝達タスクとシステムの許容ポンピングパワーによって異なります。高流量システムやエネルギー消費が主な問題である場合には、ワイヤーコイルやディンプルなどのより穏やかなタービュレーターインサート設計が理想的です。

タービュレータタイプ比較表
熱伝達促進における圧力損失に及ぼすタービュレーターの種類の影響
ツイストテープ 高 高 ワイヤーコイル 中程度 中程度
ディンプルインサート 中低 結論
タービュレーターインサートは、PTFE 熱交換器チューブの熱性能を向上させるための、コスト効率が高く実用的なアップグレードです。これらのインサートは、チューブ-側の乱流を増やすことで熱伝達率を高めます。これは、PTFE のような熱伝導率の低い材料に特に役立ちます。タービュレータインサートの形状は、圧力降下を許容範囲内に保ちながら、望ましい熱伝達の向上を達成するために慎重に選択する必要があります。熱伝達の強化は、引き続き熱処理の重要な革新分野です。新しいタービュレータの設計と材料の開発により、さらに高い性能の向上がもたらされる可能性があります。