Comment le rapport de pas d'un insert de ruban torsadé affecte-t-il le transfert de chaleur dans les tubes en PTFE ?

Un ruban torsadé placé dans un tube en PTFE génère un flux tourbillonnant qui augmente la transmission de chaleur. Le degré de ce tourbillon et le compromis en termes de performances qui en résulte sont directement contrôlés par le rapport de pas de la torsion, représenté par l'intensité de la torsion.

Quel est le rapport de pas dans les inserts de ruban torsadé ?
Le rapport de pas est le rapport entre la longueur nécessaire pour effectuer une torsion complète à 360 degrés (la longueur du pas) et la largeur de la bande. Par exemple, une bande qui fait un tour complet sur une distance égale à sa propre largeur a un rapport de pas de 1. Si la bande s'enroule complètement sur une longueur cinq fois supérieure à sa largeur, le rapport de pas est de 5. Rapport de pas faible=torsion très serrée et violente. Rapport de pas élevé=torsion plus lâche et plus douce.

En réalité, les inserts de ruban torsadé pour tubes en PTFE sont fabriqués en PTFE ou en PFA (perfluoroalcoxy alcane) pour garantir une compatibilité chimique totale avec les fluides de procédé hautement corrosifs. Cela garantit l’absence de contaminations métalliques ou de problèmes de corrosion galvanique, même avec des acides puissants, des solvants ou des fluides ultra-purs.

Effet du rapport de pas sur le tourbillon et le transfert de chaleur
Lorsque le fluide passe à travers un tube contenant un ruban torsadé, le ruban pousse le flux pour qu'il suive un motif hélicoïdal. Ce tourbillon génère des forces centrifuges qui entraînent le fluide le plus lourd vers la paroi du tube, amincissant ainsi efficacement la couche limite thermique. Cela correspond à un coefficient de transfert de chaleur par convection plus élevé ou à un nombre de Nusselt plus élevé.

Le rapport du pas est directement responsable de la force du tourbillon. La composante de vitesse tangentielle plus forte est causée par une torsion plus serrée (rapport de pas plus faible, par exemple . 2). De telle sorte que l'amélioration du transfert de chaleur, généralement désignée par le rapport entre le nombre de Nusselt avec l'insert et celui d'un tube ordinaire, peut atteindre 150 % ou plus. Cependant, cette rotation rapide entraîne également une friction du fluide considérablement plus élevée, ce qui entraîne une énorme augmentation de la perte de charge, souvent de l'ordre de 200 à 600 % par rapport à un tube vide.

D'un autre côté, une torsion plus lâche (rapport de pas plus élevé, par exemple . 5 ou 6) donnera un tourbillon plus doux. L'amélioration du transfert de chaleur est relativement modeste-généralement 50-80 % par rapport à la valeur du tube ordinaire, mais la pénalité en cas de chute de pression est proportionnellement moindre, souvent seulement 100 à 200 % plus élevée.

Le rapport de pas de bande torsadée et les performances de transfert thermique du PTFE ne sont pas-linéairement liés. La réduction du rapport de pas de 6 à 2 entraîne une augmentation disproportionnée et significative du transfert de chaleur et du frottement. Par conséquent, le rapport de pas optimal n'est pas un chiffre fixe mais dépend entièrement de la puissance de pompage autorisée et de la fonction thermique souhaitée.

Recommandations de conception pratiques pour les tubes en PTFE
Dans le cas des tubes PTFE, un rapport de pas de 3 à 5 est souvent choisi si la perte de charge n'est pas un facteur limitant. Cette gamme représente un bon compromis : une augmentation du coefficient de transfert thermique d'environ 80-120 % avec une augmentation de la perte de charge de 200-350 %. En général, ces valeurs sont tolérables dans la plupart des applications de procédés chimiques, en particulier lorsque la longueur du tube est modérée (par exemple, échangeurs de chaleur à calandre et à tubes ou à serpentin immergé).

Il convient de noter que les tubes PTFE eux-mêmes ont une conductivité thermique relativement faible (ca. 0.25 W/mK). Généralement, la principale résistance thermique se situe dans la paroi du tube ou dans le film fluide intérieur. L'utilisation d'un insert de ruban torsadé avec un rapport de pas adéquat peut réduire considérablement la résistance interne du film et donc déplacer la résistance de contrôle de l'autre côté de l'échangeur thermique. Cela rend la conception complète plus équilibrée et plus rentable.

Un rapport de pas élevé de 6 à 8 peut être sélectionné pour les applications où la chute de pression est fortement contrainte, telles que les systèmes alimentés par gravité-ou les réchauffeurs de gaz à basse-pression. Cela fournit suffisamment de tourbillon pour limiter l'écoulement laminaire et augmenter le mélange radial, mais la pénalité de friction reste tolérable.

Alternativement, un rapport de pas de 2 à 3 peut être sélectionné si un transfert de chaleur maximal est requis quelle que soit la perte de pression (par exemple dans le cas d'un chauffage à haute viscosité ou lorsque les coûts de pompage sont négligeables). Dans de tels cas, le coefficient de transfert de chaleur peut être augmenté jusqu'à 150 %. Le concepteur doit s’assurer que la pompe ou le ventilateur peut fournir une hauteur de pression plus élevée.

Autres considérations techniques
La longueur de l'entrée thermique est encore réduite par des inserts de ruban torsadé dans les tubes en PTFE, ce qui donne un comportement de type turbulent- pleinement développé, même à de faibles nombres de Reynolds (Re < 2 000). Ceci est particulièrement utile dans les écoulements lents ou dans les tubes de petit diamètre où de véritables turbulences nécessiteraient des vitesses d'écoulement peu pratiques.

Il faut tenir compte des tolérances de fabrication. La substance PTFE est plus flexible, ce qui rend plus difficile la fabrication d'un ruban étroitement torsadé (faible rapport de pas). Pour les rapports de pas très faibles (inférieurs à environ 2,5), le PFA est généralement préféré en raison de sa rigidité plus élevée et de sa meilleure rétention de la forme de torsion à des températures croissantes.

Le rapport de pas a également un impact sur le nettoyage et l'entretien. Les rubans avec des rapports de pas très faibles (torsions serrées) ont tendance à collecter plus facilement les particules et sont plus difficiles à retirer pour le nettoyage. Dans la plupart des cas, un rapport de pas de 4 ou plus donne une voie axiale suffisamment ouverte pour que les déchets puissent passer ou pour qu'un racleur de nettoyage puisse être inséré.

Résumé
Le rapport de pas d'un insert de ruban torsadé est le principal levier de conception permettant de contrôler la transmission de chaleur par rapport à la chute de pression-dans les tubes en PTFE. Un fort tourbillon et une amélioration élevée du transfert de chaleur-sont obtenus avec un rapport de pas plus faible (torsion plus serrée) au prix d'une forte augmentation des pertes par frottement. Des rapports de pas plus élevés (torsions plus lâches) entraînent un boost plus doux et plus économe en énergie. Un rapport de pas compris entre 3 et 5 offre un excellent équilibre pour la plupart des applications de manipulation de fluides corrosifs. L'optimisation de la forme des inserts, y compris le rapport de pas, reste un facteur crucial pour améliorer les performances de l'échangeur thermique sans compromettre la compatibilité chimique ou l'intégrité des matériaux.