Como a geometria do inserto do turbador afeta o desempenho térmico dos tubos trocadores de calor de PTFE?

A transmissão interna de calor no tubo liso de PTFE é fraca devido à tendência do fluxo laminar. Mas a inserção de um dispositivo moldado, um turbulador, no tubo pode afetar drasticamente o padrão do fluxo, aumentando a turbulência e o coeficiente de transferência de calor. A geometria do inserto do turbulador é um fator importante para o sucesso do processo de troca de calor e influencia o desempenho térmico, bem como a queda de pressão.

Formas Típicas de Inserções Turbuladoras
Os trocadores de calor de PTFE geralmente usam muitos tipos de insertos de turbulência para aumentar a turbulência no lado do tubo e melhorar a transmissão de calor. As três geometrias mais comuns empregadas são fitas torcidas, bobinas de arame e inserções onduladas ou onduladas.

Fitas rasgadas
Fitas torcidas são tiras helicoidais de material colocadas dentro do tubo para induzir um fluxo em espiral que conduz o fluido em direção às paredes do tubo. Esta geometria quebra consideravelmente o fluxo laminar o que favorece a turbulência e aumenta o coeficiente de transferência de calor. Um dos projetos de turbulador mais eficientes e utilizados na prática para aumentar a transferência de calor em trocadores de calor de PTFE é a fita torcida. O fluxo de turbilhão que geram melhora a mistura do fluido, levando a uma maior distribuição do calor sobre a superfície do tubo.

Enrolamento de fio
Outra abordagem frequente para aumentar a turbulência dentro de tubos de PTFE é usar inserções semelhantes a molas ou bobinas de fio. À medida que o fluido passa através do tubo, essas bobinas tropeçam na camada limite. O movimento caótico interrompe o fluxo laminar. As bobinas de arame fazem o fluido se mover de maneira irregular, aumentando assim a taxa de transferência de calor. É interessante notar que as bobinas de fio proporcionam uma maneira equilibrada de aumentar a turbulência sem criar muita obstrução ao fluxo.

Inserção ondulada ou ondulada
Inserções onduladas ou onduladas criam pequenos vórtices localizados no fluxo. Esses vórtices proporcionam turbulência no fluxo do fluido através da superfície da pastilha, aumentando assim o coeficiente de transferência de calor. As pastilhas onduladas são menos invasivas que as fitas torcidas ou bobinas de arame, mas são especialmente benéficas em aplicações onde é importante manter uma baixa queda de pressão. Na prática, sistemas com inserções onduladas ou onduladas são frequentemente aplicados onde se busca um aumento moderado da transferência de calor com um efeito mínimo na potência de bombeamento.

Troca de desempenho-fora da transferência de calor versus queda de pressão
Cada geometria de inserção do turbulador aumenta o número de Nusselt do lado do tubo, uma quantidade adimensional que é uma medida do desempenho da transferência de calor. No entanto, estas geometrias levam a um aumento na queda de pressão através do permutador de calor, o que pode contribuir para o aumento das despesas de bombeamento. A melhor escolha do formato do inserto do turbulador é determinada pelo compromisso entre o aumento da transferência de calor e a queda de pressão permitida.

Geralmente as fitas torcidas proporcionam o maior aumento na transferência de calor, mas também um aumento significativo na perda de pressão. As bobinas de fio fornecem um meio-termo em termos de transferência de calor e queda de pressão e, portanto, desempenho e eficiência energética. As pastilhas onduladas proporcionam a menor queda de pressão, mas proporcionam menor melhoria na transferência de calor em comparação com as outras duas alternativas.

A escolha de um inserto de turbulência ideal dependerá da tarefa de transferência de calor a ser executada e da potência de bombeamento permitida no sistema. Em sistemas de alta vazão ou quando o consumo de energia é o principal problema, um design de inserto de turbulência mais moderado, como bobinas de arame ou cavidades, é ideal.

Tabela de comparação para tipos de turbuladores
O efeito do tipo de turbulador na queda de pressão na melhoria da transferência de calor
Fitas Torcidas Altas Bobinas de Fio Moderado Moderado
Insertos Ondulados Conclusão Média Baixa
As inserções do turbulador são uma atualização prática e econômica para melhorar o desempenho térmico dos tubos trocadores de calor de PTFE. Essas inserções aumentam as taxas de transferência de calor aumentando a turbulência no lado-do tubo. Isto é especialmente útil para um material com baixa condutividade térmica como o PTFE. A geometria do inserto do turbulador deve ser cuidadosamente escolhida para atingir a melhoria desejada na transferência de calor, mantendo ao mesmo tempo a queda de pressão em uma faixa aceitável. A melhoria da transferência de calor continua a ser uma área importante de inovação para o processamento térmico. O desenvolvimento de novos designs e materiais de turbuladores provavelmente trará ganhos de desempenho ainda maiores.