Masalah Lapisan Batas
Perpindahan panas dari dinding tabung PTFE ke fluida proses di sekitarnya tidak terjadi pada dinding itu sendiri. Hal ini terjadi pada film fluida stagnan-lapisan batas-yang menempel pada permukaan tabung. Panas harus mengalir melalui lapisan yang tidak bergerak ini sebelum mencapai sebagian besar fluida dimana konveksi membawanya pergi.
Untuk penukar panas PTFE, manajemen lapisan batas sangat penting. Dinding tabung fluoropolimer sudah menambah ketahanan konduktif. Menambahkan resistansi lapisan batas yang tebal di bagian atas semakin mengurangi koefisien perpindahan panas secara keseluruhan. Solusinya adalah kecepatan fluida. Kecepatan yang lebih tinggi akan menipiskan lapisan batas, mengurangi ketahanan termal dan meningkatkan perpindahan panas.
Namun, kecepatan tidak bisa bertambah tanpa batas. Biaya pemompaan meningkat seiring dengan kuadrat kecepatan. Kecepatan yang berlebihan dapat menyebabkan getaran dan erosi tabung. Tugas tekniknya adalah mengidentifikasi rentang kecepatan yang meminimalkan hambatan lapisan batas tanpa menimbulkan masalah lain.
Hubungan Antara Kecepatan dan Ketebalan Lapisan Batas
Ketebalan lapisan batas pada tabung dalam aliran silang bergantung pada bilangan Reynolds. Di bawah Re=2,000, alirannya laminar dan lapisan batasnya tebal-biasanya 1-3 milimeter. Perpindahan panas didominasi oleh konduksi melalui film stagnan ini, sehingga menghasilkan koefisien perpindahan panas yang rendah.
Di atas Re=4,000, aliran bertransisi menjadi turbulen. Lapisan batas menjadi lebih tipis-biasanya 0,1-0,5 milimeter. Pusaran turbulen menembus dekat dinding, secara dramatis meningkatkan perpindahan panas. Koefisien perpindahan panas pada aliran turbulen bisa 3-5 kali lebih tinggi dibandingkan aliran laminar.
Untuk tabung PTFE OD 10 mm dalam bak pelapisan asam pada suhu 60 derajat, transisi dari lapisan batas laminar ke turbulen terjadi pada kecepatan aliran silang sekitar 0,4-0,5 m/s. Di bawahnya, lapisan batasnya tebal dan terisolasi. Di atasnya, lapisan batas menipis dan perpindahan panas meningkat secara nyata.
Tabel 1: Karakteristik Lapisan Batas vs. Kecepatan Fluida untuk Tabung PTFE 10mm dalam Asam Berair pada suhu 60 derajat
| Kecepatan Cairan (m/s) | Nomor Reynolds | Rezim Aliran | Kira-kira. Ketebalan Lapisan Batas (mm) | Koefisien Perpindahan Panas Relatif |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 1,100 | Laminasi | 2.0-3.0 | 1.0 (dasar) |
| 0.2 | 2,200 | Transisi | 1.0-2.0 | 1.5 |
| 0.3 | 3,300 | Transisi | 0.5-1.0 | 2.2 |
| 0.5 | 5,500 | Bergolak | 0.3-0.5 | 3.2 |
| 0.8 | 8,800 | Bergolak | 0.15-0.3 | 4.1 |
| 1.2 | 13,200 | Bergolak | 0.1-0.2 | 4.8 |
Perhitungan untuk tabung OD 10 mm dalam fluida dengan massa jenis 1.100 kg/m³ dan viskositas 1,2 cP, tipikal larutan pelapisan asam. Koefisien perpindahan panas relatif terhadap garis dasar laminar.
Rekomendasi Kecepatan Praktis
Data menunjukkan hasil yang semakin berkurang di atas 0,8 m/s. Koefisien perpindahan panas hanya meningkat 17% ketika kecepatan meningkat dari 0,8 menjadi 1,2 m/s, sementara daya pemompaan meningkat lebih dari 200%. Nilai ekonomis optimal untuk sebagian besar desain cangkang-dan-tabung PTFE terletak antara kecepatan aliran silang 0,5 dan 0,8 m/s.
Untuk mencapai kecepatan ini dalam bak pencelupan memerlukan resirkulasi yang dipompa melalui penukar cangkang-dan-eksternal atau pengadukan mekanis di dalam tangki. Pembuangan udara, yang biasa terjadi pada tangki pelapis, biasanya menghasilkan kecepatan lokal sebesar 0,3-0,5 m/s yang cukup untuk memecah lapisan batas paling tebal namun di bawah kecepatan optimal untuk perpindahan panas. Agitator mekanis atau nozel eduktor dapat meningkatkan kecepatan lokal hingga kisaran yang disarankan.
Untuk penukar cangkang-dan-tabung PTFE eksternal dengan aliran yang dipompa, kecepatan desain dicapai dengan mengukur diameter cangkang dan jarak penyekat untuk menghasilkan kecepatan aliran silang target pada laju aliran volumetrik desain.
PTFE-Pertimbangan Khusus
Tabung PTFE fleksibel. Pada kecepatan aliran silang yang tinggi, tabung dapat bergetar jika bentang yang tidak didukung terlalu panjang. Pelat pendukung diberi jarak pada interval 150-200mm untuk pipa OD 10mm mencegah kelelahan akibat getaran sekaligus memungkinkan lapisan batas memanfaatkan aliran turbulen.
Permukaan pipa PTFE yang halus menawarkan keuntungan sekunder. Untuk bilangan Reynolds tertentu, tabung halus memiliki lapisan batas yang sedikit lebih tipis dibandingkan tabung kasar. Kehalusan awal PTFE dan ketahanannya terhadap penumpukan kerak mempertahankan keunggulan ini sepanjang masa pakai peralatan.
Ringkasan
Ketebalan lapisan batas pada tabung penukar panas PTFE dikendalikan oleh kecepatan fluida. Transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen pada Re ≈ 4.000 setara dengan sekitar 0,4-0,5 m/s untuk kondisi penangas asam pada umumnya. Aliran turbulen mengurangi resistensi lapisan batas sebanyak 3-5 kali.
Kisaran kecepatan yang disarankan sebesar 0,5-0,8 m/s menyeimbangkan peningkatan perpindahan panas terhadap biaya pemompaan. Kecepatan ini dapat dicapai melalui resirkulasi yang dipompa, agitasi mekanis, atau sistem eduktor. Jarak penyangga tabung PTFE harus mengakomodasi kecepatan yang dipilih untuk mencegah getaran.
Analisis teknik untuk optimalisasi kecepatan fluida penukar panas PTFE tersedia berdasarkan sifat fluida proses, konfigurasi aliran, kapasitas pemompaan yang tersedia, dan persyaratan kinerja perpindahan panas.
