Một băng xoắn tiêu chuẩn bên trong ống PTFE tạo ra một vòng xoáy liên tục. Một thiết kế mới đưa khái niệm này đi xa hơn: nó định kỳ đảo ngược hướng xoắn, buộc chất lỏng xoáy vào tường, đổ nhào và sau đó bắt đầu xoáy theo hướng ngược lại. Sự gián đoạn lặp đi lặp lại này tạo ra sự-trộn lại mạnh mẽ và tăng cường đáng kể hiệu suất truyền nhiệt đối lưu so với các vật liệu chèn thông thường.
Sự mới nổibăng xoắn hai chiều chèn ống PTFEkhái niệm này đại diện cho bước tiếp theo trong việc tăng cường nhiệt thụ động, đặc biệt trong các ứng dụng mà khả năng tương thích hóa học và tính đơn giản khi trang bị thêm là rất quan trọng.
Từ xoáy liên tục đến xoáy đảo chiều luân phiên
Việc chèn băng xoắn truyền thống tạo ra dòng xoắn ốc ổn định bên trong ống. Vòng xoáy này làm giảm độ dày lớp ranh giới nhiệt và cải thiện sự truyền nhiệt bằng cách giữ chất lỏng ấm hơn cách xa thành và thay thế nó bằng chất lỏng lõi mát hơn.
Tuy nhiên, hiệu ứng này tương đối ổn định và có thể dự đoán được. Sau khi được phát triển đầy đủ, vòng xoáy đạt đến cấu trúc gần như ổn định-giúp hạn chế việc tăng cường trộn thêm.
Băng xoắn hai chiều-sửa đổi hành vi này bằng cách tạo ra các đoạn xoắn theo chiều kim đồng hồ và ngược{1}}theo chiều kim đồng hồ xen kẽ. Tại mỗi điểm chuyển tiếp, dòng chảy buộc phải thay đổi đột ngột hướng động lượng góc.
Vật lý dòng chảy của sự đảo chiều xoáy
Sự gián đoạn động lượng góc đột ngột
Mỗi lần thay đổi từ xoắn theo chiều kim đồng hồ sang xoắn ngược{0}}theo chiều kim đồng hồ, dòng xoáy bị giảm tốc độ đột ngột và buộc phải sắp xếp lại. Chất lỏng không thể chuyển đổi trơn tru giữa các hướng quay ngược nhau, dẫn đến nhiễu loạn cục bộ dữ dội.
Chất lỏng buộc phải thực hiện một thói quen thể dục bên trong ống, liên tục tăng tốc, giảm tốc và định hướng lại cấu trúc chuyển động bên trong của nó.
Cơ chế này tạo ra:
Vùng phân hủy xoáy mạnh
Sự mất ổn định của lớp cắt cục bộ
Sự gián đoạn lớp ranh giới nhanh chóng
Lặp đi lặp lại việc trộn chất lỏng lõi và gần{0}}thành
Chu kỳ cải cách lớp ranh giới
Cơ chế tăng cường quan trọng là sự phá hủy và tái cấu trúc định kỳ của lớp ranh giới nhiệt. Thay vì tạo ra một lớp cách điện ổn định trên thành ống, mỗi vòng xoắn đảo chiều sẽ chà sạch và đặt lại điều kiện dòng chảy.
Việc tái tạo lớp biên này nhiều lần dẫn đến hệ số truyền nhiệt trung bình cao hơn đáng kể so với thiết kế băng xoắn một hướng.
Ưu điểm về hiệu suất thủy lực-thủy lực
Tăng cường truyền nhiệt ở mức giảm áp suất vừa phải
cácbăng xoắn hai chiều chèn ống PTFEcấu hình thường tạo ra mức giảm áp suất cao hơn ống trơn do tắc nghẽn dòng chảy liên tục và thay đổi hướng. Tuy nhiên, mức tăng truyền nhiệt lớn hơn không tương xứng so với mức tăng công suất bơm.
Điều này dẫn đến hiệu suất thủy lực-nhiệt tổng thể được cải thiện, thường được biểu thị dưới dạng truyền nhiệt trên một đơn vị giảm áp suất hoặc năng lượng bơm.
Trong nhiều ứng dụng, sự cân bằng-này có lợi vì:
Hạn chế truyền nhiệt chi phối hiệu suất hệ thống
Công suất bơm đã có sẵn trong các hệ thống hiện có
Tắc nghẽn nhiệt hạn chế thông lượng quy trình
Hiệu suất trong chế độ dòng chảy chuyển tiếp
Băng xoắn hai chiều đặc biệt hiệu quả trong phạm vi số Reynolds chuyển tiếp, trong đó dòng chảy không phân lớp hoàn toàn cũng như không hoàn toàn hỗn loạn.
Trong chế độ này:
Sự pha trộn tự nhiên yếu
Các lớp ranh giới vẫn ổn định một phần
Băng xoắn tiêu chuẩn có thể không làm mất ổn định hoàn toàn dòng chảy
Cấu trúc xoáy xen kẽ tạo ra sự nhiễu loạn đủ để buộc chuyển đổi lặp đi lặp lại thành nhiễu loạn cục bộ, cải thiện hiệu suất trong đó các thiết kế thông thường kém hiệu quả hơn.
Thông số thiết kế và tối ưu hóa
Độ dài đoạn xoắn và độ dài đoạn
Hai thông số hình học cơ bản chi phối hiệu suất:
Bước xoắn (độ quay trên một đơn vị chiều dài)
Độ dài của mỗi đoạn định hướng
Các đoạn ngắn hơn làm tăng tần suất đảo chiều xoáy, tăng cường trộn nhưng cũng làm tăng độ sụt áp. Các đoạn dài hơn làm giảm tổn thất áp suất nhưng làm suy yếu hiệu ứng -trộn lại.
Do đó, tối ưu hóa đòi hỏi phải cân bằng:
Yêu cầu tăng cường nhiệt
Giới hạn công suất bơm
Hạn chế về vật liệu ống
Độ nhạy bẩn
Khả năng tương thích vật liệu với ống PTFE
Miếng đệm băng xoắn PTFE thường được sử dụng trong môi trường có tính ăn mòn hóa học do tính chất trơ của chúng. Khả năng tương thích với axit, clorua và môi trường oxy hóa khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng trang bị thêm trong:
Bộ trao đổi nhiệt xử lý hóa chất
Hệ thống kiểm soát nhiệt độ mạ điện
Vòng gia nhiệt chất lỏng đặc biệt
Vì cả ống và vật chèn đều có thể được làm từ fluoropolymer- nên rủi ro tương tác hóa học được giảm thiểu.
Tiềm năng trang bị thêm trong các bộ trao đổi nhiệt hiện có
Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của công nghệ băng xoắn hai chiều-là tính phù hợp cho các ứng dụng trang bị thêm. Các bộ trao đổi nhiệt ống PTFE hiện tại thường có thể được nâng cấp mà không cần sửa đổi cấu trúc lớn.
Các lợi ích tiềm năng bao gồm:
Tăng công suất nhiệt mà không tăng dấu chân
Cải thiện kiểm soát nhiệt độ đầu ra
Tăng cường độ ổn định của quy trình
Giảm nhu cầu về diện tích bề mặt trao đổi nhiệt bổ sung
Trong các hệ thống bị hạn chế về nhiệt, điều này có thể giúp nâng cấp hiệu suất-hiệu quả về mặt chi phí mà không cần thay thế toàn bộ bộ trao đổi nhiệt.
Tóm tắt về trao đổi kỹ thuật{0}}
Trong khi độ sụt áp tăng lên so với ống trơn, hiệu suất tổng thể của hệ thống thường được cải thiện do:
Trộn mạnh hơn và thường xuyên hơn
Giảm khả năng chịu nhiệt
Cải thiện hệ số truyền nhiệt của tường
Sử dụng tốt hơn diện tích bề mặt hiện có
Điều này làm cho công nghệ này đặc biệt hấp dẫn trong các hệ thống công nghiệp-hạn chế về năng lượng hoặc không gian-hạn chế.
Phần kết luận
Băng xoắn hai chiều thể hiện sự phát triển đơn giản nhưng hiệu quả cao trong việc tăng cường truyền nhiệt thụ động. Bằng cách tạo ra hướng xoáy xen kẽ trong các ống PTFE, dòng chảy liên tục bị gián đoạn, các lớp ranh giới liên tục được xây dựng lại và quá trình trộn nhiệt được tăng cường đáng kể.
cácbăng xoắn hai chiều chèn ống PTFECách tiếp cận này cho thấy những thay đổi hình học tương đối đơn giản có thể tạo ra mức tăng đáng kể về hiệu suất nhiệt như thế nào, ngay cả khi độ giảm áp suất tăng vừa phải. Trong nhiều hệ thống, sự cân bằng này mang lại hiệu quả tổng thể vượt trội so với các phương pháp nâng cao thông thường.
Khi các hệ thống nhiệt tiếp tục đòi hỏi hiệu suất cao hơn từ thiết bị nhỏ gọn, thiết kế bộ trao đổi nhiệt trong tương lai có thể ngày càng dựa vào các chiến lược cố tình làm mất ổn định cấu trúc dòng chảy. Đôi khi, cách tốt nhất để cải thiện bộ trao đổi nhiệt là buộc chất lỏng thành các nút thắt và để sự hỗn loạn có kiểm soát thực hiện công việc.
