트위스트 테이프 터뷸레이터의 성능에 대한 오프센터 인서트 배치의 영향은 무엇입니까?

기존의 꼬인 테이프가 튜브 중앙에 배치됩니다. 그러나 중심에서 벗어난 배치는 더 강한 2차 순환과 함께 비대칭 유동장을 초래하여 동일한 인서트에 대해 더 높은 열 전달 이점을 가져올 수 있습니다. 기존 열교환기 설계에서는 일반적으로 누락되는 이러한 적당한 기하학적 수정은 테이프의 비틀림 비율이나 재질을 수정하지 않고도 더 큰 열 성능을 제공할 수 있습니다. 능동적인 접근 방식보다 수동적인 강화가 선호되는 부식성 또는 섬세한 유체를 처리하는 PTFE 열교환기의 경우, 오프센터 설치는 유지 관리 업그레이드가 필요 없는 저렴한 비용을 제공합니다.

중심에서 벗어난 테이프의 비대칭 유동장-
트위스트 테이프 터뷸레이터가 튜브의 중심 축에 직접 있는 경우 흐름은 두 개의 대칭 나선형 채널로 분할됩니다. 운동은 균일한 소용돌이 형태이며 속도 분포는 방사상 대칭입니다. 이는 널리 알려져 있고 널리 사용되는 설정입니다.

테이프를 중심에서 벗어나면 근본적인 방식으로 형상에 영향을 미칩니다. 튜브 단면은 이제 서로 다른 크기의 두 흐름 채널로 분리됩니다. 테이프 한쪽에는 더 큰 간격이 있고 다른 쪽에는 더 작은 간격이 있습니다. 단면적이-더 크므로 이 채널을 통해 흐르는 유체는 (주어진 체적 유량에 대해) 더 낮은 속도로 이동합니다. 반대로 작은 채널의 유체는 가속됩니다. 속도의 차이와 테이프의 나선형 비틀림은 중앙 설정에는 존재하지 않는 강력한 2차 순환 - 단면 소용돌이를 생성합니다.

결과적으로 더 강력한 혼합 패턴이 생성됩니다. 중심에서 벗어난 -꼬인 테이프는 주요 소용돌이(테이프 축 주위)를 생성하고 흐름 방향에 수직인 평면에서 회전하는 2차 소용돌이를 생성합니다. 이러한 추가 혼합은 특히 가장 작은 간격이 존재하는 튜브 벽 근처에서 중심 위치보다 열 경계층을 교란시키는 데 더 성공적입니다.

정량화된 성능 개선
실험 조사에서는 동일한 흐름 설정(일반적인 연구에서 Re=500-5000) 하에서 중심을 벗어난 테이프 토폴로지와 중심을 벗어난 트위스트 테이프 PTFE 열 전달 성능을 직접 비교했습니다. 주요 발견은 다음과 같습니다:

너셀트 수 증대: 동일한 비틀림 비율과 레이놀즈 수에 대해 중앙에 위치한 테이프에 비해 중심에서 벗어난 위치 지정을 위해 튜브 측면의 너셀트 수가 추가로 10-20% 증가합니다.

압력 강하 동작: 중앙에서 벗어난 위치에서 마찰 계수의 증가는-비슷하거나 다소 높습니다(중앙에 있는 테이프 값보다 최대 5~10% 더 높음).- 압력 패널티는 열 전달 이득에 비례하여 증가하지 않으므로 열-수력 성능 지수(Nu/f)가 증가합니다.

메커니즘 지속성: 크기는 형상에 따라 다르지만 다양한 범위의 비틀림 비율(y{0}}-6) 및 튜브 직경에 대한 향상이 나타납니다.

이러한 이득은 결코 사소한 것이 아닙니다. 일반적으로 튜브-측 필름 계수가 전체 성능을 제한하는 요인인 PTFE 열교환기의 경우 Nusselt 수가 추가로 15% 증가하면 필요한 열 전달 영역이 크게 감소하거나 처리량이 증가할 수 있습니다.

오프셋 거리 및 튜브 반경 효과
열 전달 향상 정도는 중앙으로부터의 테이프 변위에 따라 크게 달라집니다. 최적의 오프셋 거리는 종종 튜브 반경의 20-30%입니다(예: $\\delta/R \\about 0.2-0.3$, 여기서 $\\delta$는 튜브 중심에서 테이프 축까지의 거리입니다). 이 범위에서 2차 순환은 추가 혼합을 제공할 만큼 강력하지만 테이프가 튜브 벽과 접촉하거나 심각한 흐름 정체를 유발할 정도로 강력하지는 않습니다.

"반경의 10% 미만 오프셋은 중심 상황과 크게 다르지 않습니다. - 흐름의 비대칭성은 큰 2차 소용돌이를 생성하기에는 너무 약합니다. 반경의 40%를 초과하는 오프셋은 테이프와 튜브 벽 사이의 접촉 위험이 있으며(특히 열팽창 및 제조 공차를 고려할 때) 매우 좁은 간격은 국부적인 오염이나 과도한 전단 응력으로 이어질 수 있습니다.

내부 직경이 다소 다양하게 생산되는 PTFE 튜브의 경우, 튜브 입구와 출구에 편심 지지 구조를 설치하거나 의도적으로 구부러진 앞쪽 부분이 있는 테이프를 삽입하면 공칭 반경의 약 25%에 해당하는 실질적인 오프셋을 얻을 수 있습니다.

레이놀즈 수 의존성: 중간 레이놀즈 수에서 가장 두드러짐
중심을 벗어난 배치 효과는 주로 중간 레이놀즈 수, 일반적으로 천이 및 낮은 난류 영역(Re\\about 800-4000)과 관련이 있습니다. 이 방식에서는 흐름이 완전히 난류가 아니며 자연적인 혼합이 약합니다. 비대칭 테이프는 2차 전류를 생성하여 인위적으로 흐름을 더 혼란스러운 상태로 만들고 열 전달을 크게 향상시킬 수 있습니다.

매우 낮은 레이놀즈 수(Re < 300)에서는 테이프 비대칭에 관계없이 점성 감쇠에 의해 2차 와류가 억제됩니다. 중심 테이프에 비해 이점이 줄어들고 두 구성 모두 약간의 소용돌이가 있는 층류와 유사하게 작동합니다.

자연적인 난류는 이미 높은 레이놀즈 수(Re > 8000)에서 상당한 방사형 혼합을 제공합니다. 중심에서 벗어난 배치로 인한 이점은-5-10% 이하로 떨어집니다. 불소중합체 시스템의 압력 강하 제한으로 인해 유속이 보통인 경향이 있는 대부분의 PTFE 열 교환기 응용 분야에서 보통의 Re 범위는 정확히 장비가 작동하는 범위이므로 중심에서 벗어난 배치가 상당히 적합합니다.

실제 문제: 비대칭 힘, 진동
꼬인 테이프를 중심에서 벗어나 설치할 때 직면하게 되는 실질적인 어려움 중 하나는 비대칭 유체 힘이 생성된다는 것입니다. 작은 틈을 통한 더 빠른 흐름과 큰 틈을 통한 느린 흐름은 테이프 전체에 순 압력 불균형을 초래합니다. 이러한 비대칭성은 테이프를 튜브 벽에 밀어 붙이는 경향이 있는 측면 힘을 발생시킵니다. 또한 유속으로 인해 수평 튜브의 테이프에 양력이나 항력이 발생할 수도 있습니다.

이러한 고르지 못한 힘으로 인해 테이프가 점점 중앙에서 벗어나게 될 수 있으며-시간이 지남에 따라 튜브 벽에 닿을 수도 있습니다. 접촉은 열 전달을 손상시킬 뿐만 아니라(흐름을 차단하고 핫스팟을 유발함) PTFE 튜브의 내부 표면을 손상시키거나 테이프 덮개를 마모시킬 수 있습니다. PTFE 튜브에 넣은 금속 테이프도 마멸과 진동으로 인해 어려움을 겪습니다. 테이프가 튜브 벽에 대해 앞뒤로 튕겨져 소음이 발생하고 피로 파괴가 발생할 수 있습니다.

다음은 몇 가지 완화 전략입니다.

다중 지지점 - 일정한 간격(예: 튜브 직경 10-20마다)으로 링 또는 스페이서를 중앙 집중화하면 과도한 측면 이동을 허용하지 않고 의도한 오프셋이 유지됩니다.

테이프 재료 선택 - 더 단단한 테이프(예: 두꺼운 금속 또는 PTFE로 채워진 복합 재료)는 비대칭 응력 하에서 변형을 견딜 수 있습니다.

의도적인 홈 또는 키 - 튜브는 테이프의 가장자리를 포착하여 오프셋 위치를 정확하게 고정하는 내부 세로 홈으로 제작될 수 있습니다. 이는 금속 튜브에서 더 일반적이지만 적절한 압출 도구를 사용하여 PTFE에 적용할 수 있습니다.

낮은 유속 - 적당한 레이놀즈 수(어쨌든 영향이 가장 강한 곳)를 허용하면 비대칭 힘의 크기가 최소화됩니다.

실제로 진동 및 변속 문제는 깨끗한 유체와 적당한 유속에서는 허용됩니다. 실험실 및 파일럿 플랜트 조사에 따르면 중심에서 벗어난 테이프를 끝 부분에만 고정하여 장기간 안정적으로 작동하는 것으로 나타났습니다.

다른 삽입 형상과의 비교
중앙에서 벗어난 위치에 배치하는 것 외에 비대칭 믹싱을 얻는 다른 방법이 있습니다.- 편심 꼬인 테이프, 반 꼬인 테이프 및 의도적으로 구부러진 축 테이프-인-튜브 어셈블리가 모두 연구되었습니다. 중심에서 벗어난 표준 테이프에는 한 가지 분명한 장점이 있습니다. 테이프 자체를 수정할 필요는 없으며 단순히 테이프를 튜브에 배치하는 방식만 변경하면 됩니다. 따라서 현재의 꼬인 테이프는 제조에 추가 비용을 들이지 않고도 중심에서 벗어난 배열로 재사용할 수 있습니다.

이 설계는 열 교환기가 이미 작동 중이고 약간의 성능 향상이 필요할 때 유리합니다. 테이프를 의도적으로 한쪽으로 잡아당겨 비대칭 엔드 피팅으로 고정할 수 있습니다. 그러나 위에서 언급한 진동 및 지지의 어려움은 신중하게 고려해야 합니다.

PTFE 열교환기 설계: 실제 고려 사항
PTFE 쉘 및 튜브 열교환기 설계자는 다음과 같은 제안을 할 수 있습니다.

기존의 꼬인 테이프가 이미 지정된 비교적 큰 직경의 튜브(ID 12mm 이상)의 경우, -중심에서 벗어난 배치는 특히 작동 레이놀즈 수가 800-4000 범위에 있을 때 점진적인 개선으로 간주될 수 있습니다-.

튜브 반경의 약 25% 오프셋을 사용합니다. 이러한 균형 조정은 허용 가능한 힘 비대칭으로 2차 흐름을 최대화합니다.

튜브 직경 10-15 간격으로 중앙 링을 추가하여 오프셋을 유지하고 벽 접촉을 방지합니다. 화학적 호환성을 위해 링은 PTFE 또는 PFA로 제공됩니다.

진동 위험 평가: 고속 가스 또는 저점도 액체 흐름의 경우 더 많은 지지대 또는 더 작은 오프셋 비율(예: . 15% 반경)이 유리할 수 있습니다.

결론: 저렴한 증분 업그레이드
꼬인 테이프를 의도적으로 중앙에서 벗어나게 배치하면 -저렴하고 점진적인 열 전달 향상을 얻을 수 있으며, 그 결과 중앙에 있는 테이프에 비해 추가 압력 강하가 거의 또는 전혀 없이 Nusselt 수가 추가로 10~20% 증가합니다. 비대칭 흐름 분할은 열 경계층의 혼합을 증가시키는 2차 순환을 설정하는 효과를 중재합니다. 최적의 오프셋 값은 튜브 반경의 20-30%이며, 그 효과는 중간 레이놀즈 수(Re ≒ 800-4000)에서 가장 두드러집니다.

모양을 조금만 변경하면 더 많은 성능을 확보할 수 있습니다. 중심에서 벗어난 꼬인 테이프 PTFE 열 전달 방법은 내식성이 재료 선택을 결정하고 수동적 개선이 유일한 가능한 방향인 PTFE 열교환기에 대한 간단한 업그레이드를 제공합니다. 설계자는-약한 진동 및 지원 요구 사항과 열 이점을 절충해야 합니다.