Hvordan påvirker brugen af ​​snoede tapeindsatser lavet af ledende materiale (f.eks. metal) ydeevne vs. PTFE-indsatser?

Det er en simpel PTFE snoet tape, der fremmer varmeoverførsel ved at hvirvle strømmen. Et metalbånd gør det samme, men det overfører også varme fra rørvæggen ind i sig selv og fungerer i det væsentlige som en indre finne. Dette fører til en konvektiv forbedring i forhold til den ledende.

To mekanismer til snoet tapeindsats
Enhver snoet tapeindsats i ethvert materiale producerer en spiralformet strømningskanal inde i røret. Den genererede hvirvel frembringer centrifugalkræfter, der skubber væsken mod rørvæggen, hvilket resulterer i en udtynding af det termiske grænselag og en stigning i den konvektive varmeoverførselskoefficient. Denne hvirvelmekanisme alene kan øge Nusselt-tallet med 100-150% over et tomt rør afhængigt af pitch-forholdet.

En yderligere finneeffekt er til stede, hvis selve tapen er et termisk ledende materiale (f.eks. rustfrit stål, Hastelloy, titanium, kobberlegeringer). Tapen er i direkte kontakt med rørvæggen (normalt fjederpasning eller mild interferenspasning). varme strømmer ind i båndet fra den varme væg, og hele båndlegemet opvarmes. Tapen leverer derefter den lagrede energi til den passerende væske fra begge brede overflader. Dette giver rørtværsnittet-et ekstra varmeoverførselsområde, som en slags indre langsgående finne.

Ydeevne af ledende og ikke-ledende tape
Et snoet tape af et ikke-ledende materiale, såsom en PTFE eller en PFA, kan kun give den konvektive hvirvelforstærkning. PTFE har en meget dårlig varmeledningsevne (ca. . 0.25 W/mK), så der er næsten ingen varmetransmission fra væggen til båndet. Tapen forbliver ved omtrent lokal væsketemperatur og bidrager ikke til nogen finnepåvirkning.

På den anden side kan et metalsnoet bånd have en termisk ledningsevne i størrelsesordenen højere. Rustfrit stål (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) eller kobber (~400 W/m·K). Med en god termisk kontakt mellem båndet og rørvæggen forbedrer den ledende fordel i høj grad den samlede varmeoverførsel. I PTFE-rørarrangementet med ledende snoet tape-indsats giver swirl plus finne-effekten normalt et ekstra varmeoverførselsboost på 20-30 % i forhold til den ikke-ledende tape under de samme strømningsforhold.

For en PTFE-snoet tape stiger Nusselt-tallet med 120 % (2,2 gange værdien i et tomt rør), men et vel-designet metaltape i samme geometri kan øge det med 150-170 % (2,5-2,7 gange). Den faktiske forstærkning afhænger af tapens tykkelse, den termiske kontaktledningsevne og væskeegenskaberne. Den ledende fordel er størst, når filmkoefficienten på rørvæggen allerede er stor, således at finneeffekten ikke er begrænset af væg-tape-grænseflademodstanden.

Bundlinjen: God termisk kontakt
Metaltapen skal være i intim termisk kontakt med PTFE-rørets indervæg for at opnå finneeffekten. Dette gøres generelt ved at gøre tapebredden lidt større end rørets indvendige diameter, så den indsættes med en fjederpasning. Den iboende fleksibilitet af metaltapen (eller beskeden overdimensionering) skubber tapekanterne mod rørvæggen. En for-tilpasning kan dog beskadige PTFE-slangen eller umuliggøre indføring. En pasform, der er for løs, skaber en luftspalte, som er en god termisk isolator og ophæver finneeffekten.

I praksis fremstilles metalsnoede bånd til PTFE-rør almindeligvis med en bredde på 0,95 til 1,00 af rørets ID, ved at bruge den spiralformede form til at give punktkontakter i stedet for fuld liniekontakt. Det reelle kontaktområde er begrænset, og finneeffektiviteten er nedsat. Men selv når kontakten kun er delvis, øges ledningsevnen lidt, da båndet optager varme på kontaktstederne og fører det langs dets længde. Mere sofistikerede designs anvender en tykkere tape eller en foldet kant for at forbedre kontaktområdet.

Korrosions- og forureningsrisiko
En stor risiko for kontrol er galvanisk korrosion og metalforurening. Selv når selve metaltapen er valgt for kompatibilitet med procesvæsken (f.eks. Hastelloy C-276 til aggressive chlorider eller titanium til oxiderende syrer), præsenterer introduktionen af ​​en metalkomponent i et PTFE-rør to potentielle fejlscenarier.

For det første, hvis procesvæsken korroderer metallet ved driftstemperaturen, vil båndet korrodere langsomt. Korrosionsprodukter (metalioner eller partikler) kan sive ind i væsken og forurene produktet. Dette er upassende i farmaceutiske, fødevarer eller ultra-rene kemiske applikationer. Hele pointen med et PTFE-rør er normalt at undgå kontakt med metallet overhovedet. Brugen af ​​et metalbånd er imod dette formål.

For det andet, selvom tapen i sig selv er korrosionsbestandig, kan der stadig skabes et galvanisk par, hvis der er en anden metallisk komponent til stede i systemet (f.eks. en metalrørplade, et pumpehjul eller en nedstrømsventil). Så længe det ikke rører nogen udvendige metalgenstande, er båndet elektrisk isoleret fra dem - PTFE-røret er en elektrisk isolator. Men hvis båndet kommer i kontakt med en metalendefitting, eller hvis den anvendte væske er elektrisk ledende (f.eks. vandig elektrolyt), kan der konstrueres et galvanisk kredsløb gennem væsken. Det mere ædle metal (f.eks. titanium) kan fremme korrosion af det mindre ædle (f.eks. kulstofstål) andre steder i systemet.

Hvornår skal man bruge metal vs. PTFE snoet tape
Afhængigt af applikationens prioriteter er valget mellem en ledende metaltape eller en ikke-ledende PTFE-tape.

Hvornår skal man bruge metal snoet tape:

Procesvæsken er ikke-ætsende for det valgte metal (f.eks. deioniseret vand, milde organiske opløsningsmidler, neutrale saltlage).

Har brug for maksimal varmetransmission pr. længdeenhed, pumpekraften er allerede begrænset.

Væskekompatibilitet er tilladt, og produktkontamination er ikke et problem (f.eks. ikke-farmaceutisk industriel kemi).

God varmekontakt er mulig uden beskadigelse af PTFE-røret.

Vælg PTFE eller PFA snoet tape til:

Procesvæsken er meget ætsende (stærke syrer, baser, halogener, oxidationsmidler).

Undgåelse af kontaminering med metalioner (farmaceutisk API-syntese, halvlederkøling, fødevareforarbejdning).

Arbejdstemperaturen er over korrosionsgrænsen for tilgængelige legeringer, men under 110 grader (PTFE) eller 260 grader (PFA).

Enkelheden og den dokumenterede kemiske inerthed opvejer de 20-30% ydeevneforbedringer af en metaltape.

Til ekstremt ætsende tjenester, på trods af tabet af finneeffekten, bruges PTFE- eller PFA-tape, da den pålidelighed og renhed, de giver, ikke kan-forhandles.

Oversigt over ledende og ikke{0}}ledende bånds ydeevne
Parameter PTFE (Non{0}}Conductive) Tape Metal (Conductive) Tape
Mekanisme af varmeoverførsel Bare hvirvel Swirl + finne stød
Typisk Nu augmentation (over tom tube)100-150% 130-180%
Ekstra forstærkning fra ledningsevne - +20-30 % i forhold til PTFE-tape
Krav til termisk kontakt Ikke relevant (ingen finnepåvirkning) Kritisk - fjederpasning er afgørende
Korrosionsrisiko Ingen (inert over for alle kemikalier op til 110 grader) Afhænger af væske-metalkompatibilitet
Risiko for metalforurening Ingen mulig (korrosion eller slid)
Maksimal temperatur 110 grader (PTFE); 260 grader (PFA) Legeringsafhængig (f.eks. rustfri 400 grader)
Omkostninger Moderat (ekstruderet PTFE) Højere (metalbearbejdet eller stemplet)
Et arbejdseksempel: Opvarmning af en vandig neutral strøm
Antag, at en PTFE-varmeveksler bruges til at opvarme en neutral, kloridfri-strøm af vand fra 20 grader til 60 grader. Hvirvelen alene ville forbedre varmetransmissionen med en PTFE snoet tapeindsats. Finneeffekten kan indføres ved at erstatte den med et snoet bånd i rustfrit stål 316, passende monteret til at møde rørvæggen. Den samlede varmeoverførselskoefficient kan øges fra 150 W/m²·K til 190 W/m²·K (27%). Væsken er ikke-ætsende for rustfrit stål ved 60 grader og producerer ikke betydelig metaludvaskning. Ydeevneforøgelsen tillader en reduceret varmeveksler eller en lavere strømningshastighed for samme drift.

I samme anvendelse, men en let sur saltlage (pH 4, 1000 ppm chlorid) vil rustfrit stål 316 være udsat for grubetæring. Omkostningerne ville være meget høje og kræve en Hastelloy C-276 tape. En anden mulighed er at gå med den billigere ydeevne af PTFE-tapen, der helt undgår korrosionsproblemet.

Oversigt
Ved at påføre metalsnoede bånd på plastikbåndene kan der opnås en ledende finneeffekt, som kan forbedre varmeoverførselsydelsen med omkring 20-30 %. Denne fordel opnås imidlertid kun, hvis god termisk kontakt med rørvæggen opretholdes, og endnu vigtigere, hvis metallet er fuldstændig kompatibelt med procesvæsken. Til ømtålelige operationer som f.eks. farmaceutisk syntese eller kemisk behandling med høj renhed, overskygges varmefordelen af ​​enhver risiko for korrosion eller metalforurening. Materialevalget til forbedringsanordninger bør være lige så omhyggeligt som for selve veksleren; for mange ætsende eller renhedsfølsomme tjenester forbliver inertiteten af ​​en PTFE- eller PFA-tape det overlegne valg på trods af fraværet af finneeffekten.