Como a taxa de passo de uma inserção de fita torcida afeta a transferência de calor em tubos de PTFE?

Uma fita torcida colocada dentro de um tubo de PTFE gera um fluxo giratório que aumenta a transmissão de calor. O grau deste turbilhão e a compensação de desempenho resultante são diretamente controlados pela relação de passo da torção – representada como a rigidez da torção.

O que é a relação de passo em inserções de fita torcida?
A proporção do passo é a relação entre o comprimento necessário para fazer uma torção completa de 360 ​​graus (o comprimento do passo) e a largura da fita. Por exemplo, uma fita que dá uma volta completa em uma distância igual à sua própria largura tem uma proporção de pitch de 1. Se a fita enrolar completamente em um comprimento cinco vezes maior que sua largura, a proporção de pitch é 5. Taxa de pitch baixa=torção muito apertada e violenta. Taxa de pitch alta=torção mais solta e suave.

Na realidade, as inserções de fita torcida para tubos de PTFE são construídas em PTFE ou PFA (perfluoroalcóxi alcano) para garantir total compatibilidade química com fluidos de processo altamente corrosivos. Isto garante a ausência de contaminações metálicas ou problemas de corrosão galvânica, mesmo com ácidos potentes, solventes ou meios ultrapuros.

Efeito da relação de pitch no redemoinho e na transferência de calor
À medida que o fluido passa através de um tubo contendo uma fita torcida, a fita empurra o fluxo para seguir um padrão helicoidal. Este redemoinho gera forças centrífugas que conduzem o fluido mais pesado em direção à parede do tubo, afinando efetivamente a camada limite térmica. Isto corresponde a um coeficiente de transferência de calor convectivo maior ou a um número de Nusselt mais alto.

A proporção do tom é diretamente responsável pela força do redemoinho. O componente de velocidade tangencial mais forte é causado por uma torção mais forte (razão de passo mais baixa, por exemplo, . 2). De tal forma que a melhoria da transferência de calor geralmente denotada como a proporção do número de Nusselt com a inserção e o de um tubo simples pode ser de até 150% ou mais. Contudo, esta rotação rápida também leva a um atrito do fluido substancialmente maior, o que leva a um enorme aumento na queda de pressão, muitas vezes na faixa de 200-600% em comparação com um tubo vazio.

Por outro lado, uma torção mais solta (proporção de tom mais alta, por exemplo, . 5 ou 6) proporcionará um redemoinho mais suave. O aprimoramento da transferência de calor é relativamente modesto,-normalmente 50-80% acima do valor do tubo simples, mas a penalidade por queda de pressão é proporcionalmente menor, muitas vezes apenas 100-200% maior.

A proporção do passo da fita torcida e o desempenho da transferência de calor do PTFE não estão{0}}linearmente relacionados. A redução da relação de passo de 6 para 2 resulta num aumento desproporcionalmente significativo da transferência de calor e do atrito. Portanto, a relação ideal de passo não é um valor definido, mas depende totalmente da potência de bombeamento permitida e da carga térmica desejada.

Recomendações práticas de projeto para tubos de PTFE
No caso de tubos de PTFE, uma relação de passo de 3 a 5 é frequentemente escolhida se a queda de pressão não for um fator limitante. Esta gama representa um bom compromisso: um aumento no coeficiente de transferência de calor de cerca de 80-120% com um aumento na queda de pressão de 200-350%. Em geral, esses valores são toleráveis ​​na maioria das aplicações de processos químicos, particularmente quando o comprimento do tubo é moderado (por exemplo, trocadores de calor de casco e tubo ou bobina de imersão).

Deve-se notar que os próprios tubos de PTFE têm uma condutividade térmica relativamente baixa (ca. 0.25 W/mK). Geralmente, a principal resistência ao calor está na parede do tubo ou no filme fluido interno. O uso de uma inserção de fita torcida com uma proporção de passo adequada pode reduzir significativamente a resistência interna do filme e, portanto, mover a resistência de controle para o outro lado do trocador de calor. Isso torna o design completo mais equilibrado e econômico.

Uma proporção de passo alta de 6 a 8 pode ser selecionada para aplicações onde a queda de pressão é altamente restrita, como sistemas alimentados-por gravidade ou aquecedores a gás-de baixa pressão. Isto proporciona turbulência suficiente para restringir o fluxo laminar e aumentar a mistura radial, mas a penalidade de atrito ainda é tolerável.

Alternativamente, uma proporção de passo de 2 a 3 pode ser selecionada se for necessária a transferência máxima de calor, independentemente da perda de pressão (por exemplo, em aquecimento de alta viscosidade ou onde os custos de bombeamento são insignificantes). Nesses casos, o coeficiente de transferência de calor pode ser aumentado em até 150%. O projetista deve garantir que a bomba ou o soprador possam fornecer a pressão mais alta.

Considerações Adicionais de Engenharia
O comprimento da entrada térmica é ainda mais reduzido por inserções de fita torcida em tubos de PTFE, produzindo um comportamento tipo turbulento totalmente desenvolvido, mesmo em números de Reynolds baixos (Re < 2000). Isto é particularmente útil em fluxos lentos ou em tubos de pequeno diâmetro, onde a turbulência genuína exigiria velocidades de fluxo impraticáveis.

Você deve considerar as tolerâncias de fabricação. A substância PTFE é mais flexível, o que torna mais difícil fazer uma fita bem torcida (baixa proporção de passo). Para proporções de passo muito baixas (abaixo de aproximadamente 2,5), o PFA é geralmente preferido devido à sua maior rigidez e melhor retenção da forma de torção em temperaturas crescentes.

A proporção do pitch também afeta a limpeza e a manutenção. Fitas com proporções de passo muito baixas (torções apertadas) tendem a coletar partículas mais facilmente e são mais difíceis de remover para limpeza. Na maioria dos casos, uma proporção de passo de 4 ou superior proporciona uma rota axial aberta suficiente para a passagem de resíduos ou para a inserção de um raspador de limpeza.

Resumo
A proporção de passo de uma inserção de fita torcida é a principal alavanca do projeto para controlar a transmissão de calor contra a queda de pressão-em tubos de PTFE. Um redemoinho forte e uma alta melhoria na transferência-de calor são obtidos com uma relação de passo mais baixa (torção mais apertada) ao preço de um grande aumento nas perdas por atrito. Taxas de afinação mais altas (torções mais soltas) resultam em um impulso mais suave e com maior eficiência energética-. Uma relação de passo entre 3 e 5 proporciona um excelente equilíbrio para a maioria das aplicações de manuseio de fluidos corrosivos. A otimização do formato da pastilha, incluindo a relação de passo, ainda é um fator crucial para melhorar o desempenho do trocador de calor sem comprometer a compatibilidade química ou a integridade do material.