Как работят сферичните турбулатори (опаковани легла) в PTFE тръби за услуги с високо-замърсяване?

Стандартните турбулатори са склонни да се задръстват от суспензии или други силно замърсяващи течности. Тръбата е пълна с легло от малки подвижни сфери, което предлага режим на само-почистване, с подобряване на преноса на топлина и механично отстраняване на котления камък.

Замърсяване на топлообменните тръби – проблемът
Повърхностите за пренос на топлина са склонни към замърсяване в много химически, фармацевтични и биопроцесорни приложения. Обрастването е отлагането на вещества като соли, органични остатъци, странични продукти от полимеризация или биологични филми. Термичното съпротивление нараства значително с образуването на слой замърсяване и често са необходими спирания за почистване. Конвенционалните методи за увеличаване, като усукани ленти или телени намотки, макар и полезни за чисти течности, са склонни да влошат проблема, защото създават пукнатини за отлагания, които да се прикрепят и размножават.

За PTFE тръби, които са избрани за устойчивост на корозия и химическа инертност, замърсяването може да бъде особено трудно, тъй като хидрофобната повърхност на PTFE с ниско-триене намалява, но не предотвратява адхезията. За силно замърсените услуги е необходимо по-агресивно само-почистващо се решение.

Как работи опаковано легло от топки
Сферичният турбулатор е опаковано легло от малки свободни сфери, изпълващи тръбата. Обикновено топките са направени от самия PTFE или с керамични материали като алуминиев оксид или цирконий, които са напълно химически съвместими с технологичния флуид. Диаметрите обикновено са 3–8 mm, предназначени да произведат легло с около 35–40% процент празноти. Леглото е хлабаво опаковано (топките не са слепени или залепени заедно) и се държи в тръбата от екрани или перфорирани крайни капачки.

Процесната течност протича през тръбата и е принудена да се тъче през изкривените интерстициални пространства между топките. Това води до много високи локални скорости и силна турбуленция при ниски глобални дебити. По-важното е, че самите топки не са в покой. Те се блъскат и въртят от движението на течността и понякога се блъскат във вътрешната стена на PTFE тръбата. Ударите са с ниска енергия и физически почистват всеки депозит, който започва да се натрупва, поддържайки стената чиста.

В конструкцията на PTFE тръба с натъпкан слой със сферичен турбулатор процесът на топлопредаване е двоен. Първо, хаотичният път на потока разрушава слоя термична бариера много по-ефективно от всяка статична вложка. Второ, непрекъснатият контакт на стената с въртящите се топки осигурява допълнителен директен проводящ път и трансфер на импулс, като по този начин значително повишава коефициента на топлопреминаване.

Експлоатационни характеристики Пренос на топлина спрямо загуба на налягане
Сферичните турбулатори могат да имат много високи коефициенти на топлопреминаване, често 2 до 4 пъти тези на празна тръба при същите обстоятелства на потока. Увеличаването на числото на Нуселт е сравнимо с това на плътно усукана лента, но с важната допълнителна полза от непрекъснатото почистване на стените.

Падането на налягането е важен компромис-. Опакованото легло причинява голямо съпротивление на потока. Намаляването на налягането обикновено е 5 до 15 пъти по-голямо от това на празна тръба в зависимост от диаметъра на топката, плътността на опаковката и скоростта на потока. Следователно техниката се използва само за онези услуги, при които замърсяването е основното ограничение за наличността на инсталацията. При такива обстоятелства добавената енергия за изпомпване е оправдана от премахването на непланирани спирания за почистване, намален труд по поддръжката и постоянна топлинна производителност при дълги периоди на работа.

Предимството от месеци работа без почистване на тръби в специализирани приложения като нагряване на вискозни полимерни суспензии или възстановяване на топлина от кристализиращи разтвори или обработка на биологични бульони, съдържащи високо съдържание на клетъчни остатъци, компенсира по-високата консумация на енергия. Сферичните турбулатори рядко се използват при обслужване с чиста течност, тъй като по-простите надстройки с по-ниски падове на налягане са по-евтини.

Устойчивост на флуидизация и задържане на леглото
Топките трябва да останат в тръбата, а не да бъдат изтласкани от потока. При ниски скорости на потока леглото е леко натъпкано и не се движи освен локално. Но когато скоростта се увеличи, силата на съпротивление върху топките може да накара цялото легло да се разшири и да започне да се флуидизира или да действа като кипящ слой с топките, окачени в потока.

Пълната флуидизация обикновено е нежелателна в топлообменна тръба, тъй като тогава топките ще се удрят в стените по-рядко и могат да бъдат издухани от края на тръбата. По този начин леглото обикновено е ограничено от задържащ екран при изтичането. Освен това, дължината на тръбата е такава, че общото намаляване на налягането в слоя поддържа повърхностната скорост под минималната скорост на флуидизация (Umf). За PTFE топки във вода-подобни течности Umf се постига при скорости от 0,5-1,0 m/s в зависимост от размера и плътността на топката. За керамични топки (по-голяма плътност) Umf се появява при по-високи скорости. Umf е точно под мястото, където обикновено работят дизайнерите, където топките са в "опаковани, но развълнувани" състояние - въртят се и се търкат една в друга и в стената, но не са окачени.

Избор на материал за топките
Очевидният отговор, разбира се, са PTFE топки за PTFE тръби, за да се запази същата химическа инертност и незалепващи качества. Те имат плътност от около 2,2 g/cm3, много по-висока от водата или органичните разтворители, и така остават утаени в тръбата. PTFE топките са толкова меки, че няма да повредят стената на тръбата дори след милиони сблъсъци.

Керамични топки (напр. . 99.5% алуминиев оксид, плътност ~3,9 g/cm3) се използват, когато е необходимо по-високо тегло на топката, за да се увеличи силата на удара за твърди отлагания или когато температурата на процеса надвишава ограничението от 110 градуса за PTFE (керамиката работи до 300 градуса). Керамиката също е по-здрава, осигурявайки по-енергично почистващо действие. Но трябва да се внимава керамичното вещество да не изтрива стената на PTFE тръбата за дълги периоди от време. На практика използването на PTFE топки за повечето химически услуги и керамични топки за висока температура или особено упорити замърсявания е обичайно.

Проектиране за практика
При проектирането на натъпкано легло със сферичен турбулатор за PTFE тръба са оптимизирани следните параметри:

Диаметър на топката: 3-5 mm за малки тръби (10-20 mm ID); 6-8 mm за по-големи тръби (25-40 mm ID). По-малките топки имат повече контактни точки със стената, но имат по-голям спад на налягането.

Дължина на леглото: 10-30 диаметъра на тръбата обикновено. По-дългите легла означават повече пренос на топлина, но загубата на налягане се увеличава съответно.

Празна фракция: ~ 0,35-0,40 за хомогенни сфери в произволна плътна опаковка. Това може да се регулира чрез смесване на различни по размер топки, но рядко се прави.

Метод на задържане: Перфорирани дискове от PTFE или PFA в двата края, диаметър на отвора по-малък от диаметъра на топката. Входящият диск предотвратява изхвърлянето на топките от удари на потока.

Изтриващото действие е особено ефективно при елиминиране на меки, желатинови или кристални замърсявания. Топчестите турбулатори не са толкова ефективни за твърди, изпечени-върху кокс или котлен камък, тъй като ударите с ниска-енергия не могат да изместят плътно прилепналите отлагания. Такива случаи обаче изискват периодично химическо почистване.

Сравнение на други техники за подобряване в услугите за замърсяване
Метод Подобряване на преноса на топлина Увеличаване на спада на налягането Намаляване на замърсяването
Празна тръба, гладка. Лоша базова линия Основна линия
Вложка от усукана лента 100-150% 200-600% Няма (често влошава)
Гофрирана тръба 20–60% 30–100% Незначително (намаляване на адхезията)
Ball Turbulator (опаковано легло) 100-300% 500-1500% Отлично (текущо почистване)
Заключение
Сферичните турбулатори са ниша, но много ефективна опция за подобряване на преноса на топлина при услуги със силно замърсяване. Тези свободно опаковани легла от малки PTFE или керамични топчета в PTFE тръби се монтират в потока на процеса. Чрез установяване на сложни, турбулентни модели на потока и непрекъснато измиване на стената на тръбата чрез леки удари, те поддържат топлообменните повърхности чисти и позволяват дълги периоди на непрекъсната работа. Големият спад на налягането ограничава използването им до ситуации, при които замърсяването обикновено би причинило повтарящи се спирания. Различните методи за подобрение отговарят на различни оперативни проблеми, но за силно замърсяване, процеси с висока стойност, леглото с турбулатор на сачми осигурява несравнима комбинация от топлинни характеристики и надеждност на само{4}}самопочистване.