PTFE 熱交換器チューブのスパイラル スプリング タービュレータの性能は何ですか?

PTFE チューブ内に配置されたスプリング{0}}形状のこの基本的なワイヤ コイルは、熱伝達を大幅に強化するのに役立ちます。しっかりとしたツイストテープとは対照的に、コイルはチューブ壁で流れを遮断しますが、中心は妨げません。これにより、パフォーマンスのバランスが異なります。この受動的熱伝達増強技術は、ポリマー自体の限られた熱伝導率 (約 0.25 W/m・K) によって全体の熱伝達係数が制限される PTFE 熱交換器に特に役立ちます。スパイラルスプリングタービュレーター PTFE の熱交換器アセンブリは、チューブ側の境界層を破壊し、熱効率を大幅に向上させます。

スパイラルスプリングタービュレータの形状を理解する
スパイラル スプリング タービュレータは、PTFE チューブの内径にぴったりとフィットする螺旋状に巻かれたワイヤ コイルです。コイルは 3 つの幾何学的パラメータによって定義されます。

ワイヤー直径 (d_w) – 通常、チューブのサイズに応じて 1 ～ 3 mm

コイルピッチ (p) – 隣接する巻線間の軸方向の間隔

コイル外径（D c）：挿入用チューブ内径（D i）より若干小さい

タービュレータの効率は、ワイヤ直径とチューブ直径の比 (dw /D i ) およびピッチと直径の比 (p/D i ) によって決まります。一般的な設計基準では、dw / D i が 0.1 ～ 0.2、p / D i が 1 ～ 3 の場合に最適なパフォーマンスが達成されることが示唆されています。

コイルは、処理される流体に応じてさまざまな材料で作られます。腐食性の水流または酸性の流れの場合は、PTFE- でコーティングされた金属ワイヤまたは固体 PTFE モノフィラメント コイルをお勧めします。金属汚染が問題にならない研磨性の低い流体の場合は、高合金ワイヤ (例: ステンレス鋼 316L、ハステロイ C-276) を使用できます。全フッ素ポリマー システムでは、PFA または PTFE スプリングが完全な耐薬品性を提供します。

境界層分離のメカニズム
層流または低レイノルズ数{{0}{1}}の流れの下にある滑らかなチューブでは、チューブの壁に固定境界層（層流副層）が形成されます。この薄い層が熱伝達に対する主な抵抗となります。このサブレイヤーは伝導のみによって通過する必要があり、非効率的です。

境界-層の移動は渦巻スプリング タービュレーターです。流体がチューブ内を流れると、コイルが回転するたびに局所的な流れの分離、渦、半径方向の混合が発生します。重要なのは、コイルがチューブの中心をブロックしないことです - コアの流れは本質的に妨げられません。これは、しっかりとねじれたテープの代わりに渦巻きバネを使用しており、流体全体が渦を描くように流れ、テープの中心付近にデッド ゾーンが生じることがよくあります。

バネの主な効果はチューブ壁の近くで発生します。熱抵抗が最大になると、コイルは成長する境界層を周期的に破壊し、乱流混合が増加します。実験による比較では、適切に設計されたスプリング コイルは、同じ流れの状況下で滑らかなチューブと比較して、チューブ-側のヌッセルト数 (Nu) を 2 ～ 3 倍高めることができることが証明されています。

測定された性能: ヌッセルト数と圧力損失
熱伝達の強化と圧力損失との間のトレードオフは常に見られます。-スパイラル スプリング タービュレータに関する査読済みの研究で記載されている一般的な範囲は、レイノルズ数で 500 ～ 10,000 です。{2}

パラメータ スパイラルスプリングコイル付き滑らかなチューブ
ヌッセルト数 (Nu) ベースライン (1×) 2 ～ 3× 増強
摩擦係数 (f) ベースライン (1x) 3 ～ 6 倍の増加
増強係数はコイルの形状に大きく依存します。ピッチが狭い (p/D_i が低い) と、流れの中断が頻繁になり、Nu が高くなりますが、圧力降下も高くなります。一方、コイルをより緩和すると、圧力ペナルティが最小限に抑えられ、それでも大幅な改善が得られます。

コイル設計は調整可能なソリューションです。特定の用途に対して、許容圧力降下のプロセス制限を満たすようにピッチとワイヤ直径を選択できます。クリーンな流体とポンピング力が十分な場合には、コイルをしっかりと締めることで最大の熱伝達が得られます。粘性またはせん断に敏感な流体の場合、コイルを緩めると、より穏やかな混合動作が得られます。

ソリッドツイストテープのメリット
スパイラル スプリング タービュレーターには、ソリッド ツイスト テープ インサートに比べて、いくつかの実用的な利点があります。

汚れ傾向の減少 - スプリングは完全に囲まれた停滞ゾーンを生成しません。つまり、浮遊粒子や沈殿固体が堆積する可能性が低くなります。特に水平チューブ内の固体テープは、汚れが始まるテープの「影」に低流量領域を形成する可能性があります。-スプリングの開放構造により、流体の継続的なパージが可能です。

簡単な取り付けと取り外し - スプリング コイルをチューブに簡単に挿入し、端をクランプすることができます。改造用途の場合、既存の PTFE 熱交換器チューブを永久的な改造をせずにスプリングに改造できます。お手入れは簡単で、コイルを引き出して掃除し、元に戻すだけです。

材料コストの削減 - 特に長いチューブの場合、ソリッド テープと比較してワイヤ コイルの材料が大幅に少なくなります。高価な合金やフッ素ポリマーが必要な場合、コストの差は大きくなります。

PTFE チューブの拡張互換性 - PTFE チューブは高い熱膨張係数を持っています。周囲温度でフィットする固いテープは、動作温度ではきつくなりすぎてチューブが損傷する可能性があります。スプリング コイルは柔軟性があり、過度の半径方向の力を発生させることなく寸法の変化を受け入れることができます。

効果を高めるための実用的なポイントの最小レイノルズ数
The turbulator is best effective in the transitional flow zone (Re ≈ 500-4000) and in low turbulence laminar flow (Re < 500). At very high turbulent Reynolds numbers (>10,000) 自然の乱流はすでに効果的に境界層を破壊しており、コイルの増分効果は余分な圧力降下に比べて減少します。したがって、スパイラル スプリング タービュレータは、粘性流体、低流速ストリーム、またはもともと低流量を特徴とするコンパクトな形状で動作する PTFE 熱交換器に最適です。

実験では、レイノルズ数が増加するにつれて強調係数が減少することがわかります。 Re$\\約$ 200未満では、コイルは穏やかな二次流れを生成することで熱伝達を強化する可能性がありますが、その効果は層流-から-への乱流移行ゾーンほど顕著ではありません。

改造用途と商用利用可能性
市販の渦巻きばねタービュレーターは、熱交換器コンポーネントの多くのメーカーから入手できます。一般的な PTFE チューブ直径 (内径 6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、および 20 mm) が標準設計として利用可能です。特定のプロセスのニーズを満たすために、特別なワイヤ幅とピッチを製造できます。

一般的な修理状況は、既存の PTFE シェル-および-チューブ熱交換器が、チューブ-側の熱伝達係数が低いためにうまく動作しないことです。熱交換器全体を再構築する代わりに、各チューブにタービュレーターを配置します。インストールは通常、計画されたメンテナンス停止中に行われます。全体的な熱伝達係数 (U) が増加すると、スループットが向上するか、温熱施設の消費量が減少するか、新しい設計に必要な面積が減少します。

結論: 簡単で効果的な取り付け補助具
スパイラル スプリング タービュレータは設置が簡単で、特にクリーン サービスにおいて PTFE チューブの熱伝達を改善する効果的な選択肢です。このインサートは、3 ～ 6 倍の妥当な圧力損失ペナルティでチューブ側のヌッセルト数を 2 ～ 3 倍に高めることにより、低伝導率 PTFE 熱交換器の熱性能に革命をもたらします。-スパイラル スプリング タービュレータ PTFE 熱交換器の配置はオープンで汚れがなく、柔軟な素材 (PTFE、PFA、または合金ワイヤ) を使用しているため、腐食性、高純度、改修用途に適しています。-

ツイストテープ、ワイヤーメッシュ、スタティックミキサーなど、さまざまな目的に応じてさまざまな形状のタービュレーターが用意されています。渦巻きばねは特殊なニッチな特性を持ち、適度な改良が施され、汚れが少なく、取り付けが簡単です。スパイラル スプリング タービュレータは、耐薬品性を維持しながら熱伝達を最適化する受動的でメンテナンスの少ない方法を探しているプロセス エンジニアにとって、十分な検討に値します。-