Jak działają turbulatory kulowe (ze złożem wypełnionym) w rurkach PTFE w przypadku usług o wysokim-zanieczyszczeniu?

Standardowe turbulatory mają tendencję do zatykania się szlamami lub innymi silnie zanieczyszczającymi cieczami. Rurka wypełniona jest złożem małych ruchomych kulek, które umożliwiają-tryb samooczyszczania, ze wzmocnieniem wymiany ciepła i mechanicznym odkamienianiem.

Zanieczyszczenie rur wymiennika ciepła – problem
Powierzchnie wymiany ciepła są podatne na zabrudzenie w wielu zastosowaniach chemicznych, farmaceutycznych i bioprocesowych. Zanieczyszczanie to osadzanie się substancji, takich jak sole, pozostałości organiczne, produkty uboczne polimeryzacji lub filmy biologiczne. Opór cieplny znacznie wzrasta wraz z tworzeniem się warstwy zanieczyszczeń i często konieczne są przestoje w celu czyszczenia. Konwencjonalne metody wzmacniania, takie jak skręcone taśmy lub zwoje drutu, chociaż są pomocne w przypadku czystych płynów, zwykle pogłębiają problem, ponieważ tworzą szczeliny, w których osadzają się i rozmnażają.

W przypadku rurek PTFE, które zostały wybrane ze względu na odporność na korozję i obojętność chemiczną, osadzanie się zanieczyszczeń może być szczególnie trudne, ponieważ hydrofobowa powierzchnia PTFE o niskim-tarciu zmniejsza przyczepność, ale jej nie zapobiega. W przypadku silnie zanieczyszczonych instalacji potrzebne jest bardziej agresywne,-samoczyszczące rozwiązanie.

Jak działa zapakowane łóżko z kulkami
Turbulator kulowy to upakowane złoże małych, luźnych kulek wypełniających rurkę. Zwykle kulki są wykonane z samego PTFE lub z materiałów ceramicznych, takich jak tlenek glinu lub tlenek cyrkonu, które są w pełni kompatybilne chemicznie z płynem procesowym. Średnice wynoszą zwykle 3–8 mm i są przeznaczone do wytworzenia złoża o około 35–40% procentu pustych przestrzeni. Złoże jest luźno upakowane (kulki nie są ze sobą stopione ani sklejone) i utrzymywane w tubie za pomocą sit lub perforowanych zaślepek.

Ciecz procesowa przepływa przez rurę i jest zmuszona przeplatać się przez kręte przestrzenie międzykulkowe. Skutkuje to bardzo dużymi prędkościami lokalnymi i silnymi turbulencjami przy niskich globalnych natężeniach przepływu. Co ważniejsze, same piłki nie są w spoczynku. Są one popychane i obracane pod wpływem ruchu płynu, a czasami uderzają w wewnętrzną ściankę rurki PTFE. Uderzenia mają niską energię i fizycznie usuwają wszelkie osady, które zaczynają się gromadzić, utrzymując ścianę w czystości.

W rurce PTFE z wypełnieniem i turbulatorem kulowym proces wymiany ciepła jest dwojaki. Po pierwsze, chaotyczna ścieżka przepływu zakłóca warstwę bariery termicznej znacznie skuteczniej niż jakikolwiek wkład statyczny. Po drugie, nieustanny kontakt ścian z obracającymi się kulkami zapewnia dodatkową bezpośrednią ścieżkę przewodzenia i przenoszenie pędu, znacznie zwiększając w ten sposób współczynnik przenikania ciepła.

Charakterystyka wydajności Przenikanie ciepła a strata ciśnienia
Turbulatory kulowe mogą mieć bardzo wysokie współczynniki przenikania ciepła, często od 2 do 4 razy większe niż w przypadku pustej rury w tych samych warunkach przepływu. Zwiększenie liczby Nusselta jest porównywalne do efektu mocno skręconej taśmy, ale ma ważną dodatkową zaletę polegającą na ciągłym czyszczeniu ścian.

Spadek ciśnienia to poważny-kompromis. Ubite złoże powoduje duże opory przepływu. Spadek ciśnienia jest zazwyczaj od 5 do 15 razy większy niż w pustej rurze, w zależności od średnicy kulki, gęstości upakowania i prędkości przepływu. Dlatego też technikę tę stosuje się wyłącznie w przypadku usług, w których zanieczyszczenie stanowi główne ograniczenie dostępności instalacji. W takich okolicznościach dodatkowa energia pompowania jest uzasadniona eliminacją nieplanowanych przestojów związanych z czyszczeniem, zmniejszeniem nakładów pracy konserwacyjnej i stałą wydajnością cieplną na długich dystansach.

Korzyści wynikające z wielomiesięcznej pracy bez czyszczenia rur w zastosowaniach specjalistycznych, takich jak ogrzewanie lepkich zawiesin polimerów lub odzyskiwanie ciepła z roztworów krystalizujących lub przetwarzanie bulionów biologicznych zawierających dużą zawartość resztek komórkowych, rekompensuje wyższe zużycie energii. Turbulatory kulowe są rzadko stosowane w obsłudze czystych płynów, ponieważ prostsze ulepszenia z niższymi spadkami ciśnienia są tańsze.

Odporność na fluidyzację i retencja w złożu
Kulki muszą pozostać w rurze i nie mogą zostać wypchnięte przez przepływ. Przy niskich prędkościach przepływu złoże jest lekko upakowane i porusza się jedynie lokalnie. Jednak gdy prędkość wzrasta, siła oporu działająca na kulki może spowodować, że całe złoże rozszerzy się i zacznie ulegać fluidyzacji lub będzie działać jak złoże fluidalne z kulkami zawieszonymi w przepływie.

Całkowita fluidyzacja jest zwykle niepożądana w rurze wymiennika ciepła, ponieważ wtedy kulki rzadziej będą uderzać w ścianki i mogą zostać wydmuchane z końca rury. Zatem złoże jest zazwyczaj ograniczone na odpływie sitem oporowym. Ponadto długość rury jest taka, że ​​całkowity spadek ciśnienia w złożu utrzymuje prędkość powierzchniową poniżej minimalnej prędkości fluidyzacji (Umf). W przypadku kulek PTFE znajdujących się w wodzie-podobnej do cieczy Umf osiąga się przy prędkościach 0,5–1,0 m/s, w zależności od rozmiaru i gęstości kulki. W przypadku kulek ceramicznych (większa gęstość) Umf pojawia się przy wyższych prędkościach. Umf znajduje się tuż poniżej miejsca, w którym zwykle pracują projektanci, gdzie kulki są w stanie „spiętym, ale wzburzonym” – wirują i ocierają się o siebie oraz o ścianę, ale nie są zawieszone.

Wybór materiału na kulki
Oczywistą odpowiedzią są oczywiście kulki PTFE do rurek PTFE, zapewniające tę samą obojętność chemiczną i-nieprzywierające właściwości. Mają gęstość około 2,2 g/cm3, znacznie wyższą niż woda lub rozpuszczalniki organiczne, dlatego pozostają osadzone w probówce. Kulki PTFE są na tyle miękkie, że nie uszkodzą ścianki tuby nawet po milionach zderzeń.

Kulki ceramiczne (np.. 99.5% tlenku glinu, gęstość ~3,9 g/cm3) są stosowane tam, gdzie wymagana jest większa masa kulki, aby zwiększyć siłę uderzenia w przypadku twardych osadów lub gdy temperatura procesu przekracza granicę 110 stopni dla PTFE (ceramika może pracować w temperaturze do 300 stopni). Ceramika jest również bardziej wytrzymała, co zapewnia bardziej energiczne działanie czyszczące. Należy jednak uważać, aby substancja ceramiczna nie ścierała ścianki rurki PTFE przez dłuższy czas. W praktyce zwykle stosuje się kulki PTFE w przypadku większości zastosowań chemicznych i kulki ceramiczne w przypadku wysokich temperatur lub szczególnie uporczywych zanieczyszczeń.

Projektowanie dla praktyki
Projektując złoże wypełnione turbulatorem kulowym dla rurki PTFE, optymalizowane są następujące parametry:

Średnica kulki: 3-5 mm dla małych rurek (10-20 mm ID); 6-8 mm dla większych rur (25-40 mm ID). Mniejsze kulki mają więcej punktów styku ze ścianą, ale mają większy spadek ciśnienia.

Długość łóżka: typowo 10-30 średnic rur. Dłuższe łóżka oznaczają większy transfer ciepła, ale strata ciśnienia odpowiednio wzrasta.

Frakcja pusta: ~ 0,35-0,40 dla jednorodnych kul w przypadkowym, ciasnym upakowaniu. Można to regulować, mieszając kulki o różnych rozmiarach, ale jest to rzadko wykonywane.

Metoda mocowania: Perforowane krążki z PTFE lub PFA na obu końcach, średnica otworu mniejsza niż średnica kulki. Tarcza wejściowa zapobiega wyrzucaniu kulek w wyniku skoków przepływu.

Działanie szorujące jest szczególnie skuteczne w usuwaniu miękkich, galaretowatych lub krystalicznych osadów. Turbulatory kulowe nie są tak skuteczne w przypadku twardych, zapieczonych-koksu lub zgorzeliny, ponieważ uderzenia o niskiej-energii nie są w stanie usunąć ściśle przylegających osadów. Niemniej jednak takie przypadki wymagają okresowego czyszczenia chemicznego.

Porównanie innych technik ulepszania usług zanieczyszczania
Metoda Poprawa wymiany ciepła Zwiększenie spadku ciśnienia Łagodzenie zanieczyszczeń
Pusta rura, gładka Zła linia bazowa
Wkładka ze skręconą taśmą 100-150% 200-600% Brak (często pogarsza)
Rura falista 20–60% 30–100% Niewielkie (zmniejszenie przyczepności)
Turbulator kulowy (z wypełnieniem) 100-300% 500-1500%Doskonały (ciągłe oczyszczanie)
Wniosek
Turbulatory kulowe to niszowa, ale bardzo wydajna opcja poprawy wymiany ciepła w instalacjach silnie zanieczyszczających. Te luźno upakowane złoża małych kulek PTFE lub ceramicznych w rurkach PTFE są instalowane w strumieniu procesowym. Tworząc złożone, turbulentne wzorce przepływu i ciągłe przemywanie ścianki rury delikatnymi uderzeniami, utrzymują powierzchnie wymiany ciepła w czystości i umożliwiają długie okresy nieprzerwanej pracy. Kara za duży spadek ciśnienia ogranicza ich użycie do sytuacji, w których zanieczyszczenie normalnie spowodowałoby powtarzające się przestoje. Różne metody ulepszania odpowiadają różnym problemom operacyjnym, jednak w przypadku procesów o dużym zanieczyszczeniu i wysokiej wartości, złoże wypełnione turbulatorem kulowym zapewnia niezrównane połączenie wydajności termicznej i-niezawodności samooczyszczania.