Как да изберем правилния диаметър на тръбата за PTFE обменник, работещ с влакнеста суспензия?

Хартиена фабрика или текстилна промишленост изпраща отпадъчен поток, пълен с дълги, твърди, жилести влакна. Прекарайте това през конвенционален PTFE топлообменник с тесни 6 mm тръби и имате рецептата за бързо, пълно и досадно запушване. Нишките ще достигнат над входа на тръбата, създавайки заплетена постелка и преносът на топлина ще се срине. Първата и най-важна стъпка в конструкцията на топлообменника е да изберете достатъчно голяма тръба, така че сноп от влакна в най-лошия-случай да може да премине направо, без да се закача. Изборът на PTFE топлообменник с правилния диаметър на тръбата за влакнести суспензии е първата и най-важна стъпка към надеждна, поддържаема охладителна или отоплителна система.

Логиката на дизайна: жертване на топлинната ефективност за осигуряване на потока
Защо обикновено се препоръчват малки диаметри
Основното топлинно предимство на PTFE тръбата е нейното огромно съотношение на площ към обем, което се постига най-добре с малък диаметър. Тесните тръби (4-6 mm вътрешен диаметър, например) събират повече площ за пренос на топлина в даден обем на корпуса, струват по-малко материал и предизвикват турбулентен поток при по-ниски скорости. Това е най-добрият дизайн за чисти течности. Но за влакнеста суспензия тази топлинна логика не се прилага, ако тръбите се запушат. Запушената тръба не пренася топлина.

Златното правило: Диаметърът на тръбата е по-голям от дължината на влакното
The engineer must select a tube with an inner diameter that is much greater than the longest fibres in the slurry. A good safe place to start is a 10mm or 12mm inner diameter (ID) tube. For very long fibres (e.g., >10 mm) може да са необходими диаметри от 15 до 20 mm. Това очевидно ще доведе до по-голям топлообменник за същото топлинно натоварване и по-ниска скорост на корпуса, което може да изисква допълнителни прегради или по-висок общ дебит. Компромисът е очевиден, малко по-голям, по-малко термично ефективен обменник, който действително работи срещу малък, термично ефективен, който винаги е включен.

За да поддържат топлината да тече, бучките влакна трябва да могат да пътуват по голяма открита магистрала; тесен, усукан канал просто ще се превърне в запушен, неизползваем тръбопровод. Все още трябва да има цедка или сито нагоре по течението, за да се отстранят по-големите отломки, но тръбата трябва да може да пропуска всички влакна, които преминават.

Технически аспекти за надеждна работа
Скорост от страната на тръбата
Страничната скорост на тръбата също трябва да се поддържа висока – обикновено над 2 m/s – за да се предотврати утаяването или залепването на влакната по стената на тръбата. При ниски скорости натрупването на влакнести материали на дъното на хоризонталните тръби се причинява от гравитацията, като по този начин постепенно се изгражда легло, което пречи на потока. По-високите скорости (до 3–4 m/s, ограничени от спад на налягането) поддържат влакната в суспензия и спомагат за промиването на всякакви преходни-натрупвания през обменника. Това изискване за скорост също влияе върху избора на диаметър на тръбата, тъй като по-големите тръби изискват по-голям дебит, за да произведат същата скорост, и това може да увеличи мощността, необходима за изпомпване.

Разположение на тръбите и страни-на корпуса
В случай на влакнести суспензии от страната на тръбата, запушването е по-малко необходимо за дизайна на страната на корпуса, но достъпът за почистване все още е важен. Квадратното оформление на тръбата е избрано пред триъгълна стъпка, тъй като осигурява прави безпрепятствени проходи между редовете тръби и позволява механично почистване на страната на корпуса в случай на замърсяване. Но диаметърът на тръбата все още е основната защита срещу запушване. Независимо от това колко перфектна е архитектурата, ако отворът на тръбата е твърде малък, никакво странично препятствие или достъп за почистване няма да предотврати запушването на тръбата.

Други аспекти на дизайна
Геометрия на входа на тръбата: Плавен радиус или разширение на входа предотвратява захващането на влакната в остри ръбове. Тръбите трябва да са изравнени с лицевата страна на тръбния лист, без да излизат устни.

Tube length: A shorter tube (e.g. 1-2 m) is easier to rod out if a blockage occurs. For very long tubes (>3 м) механичното почистване не е практично.

Обратимост Топлообменникът трябва да бъде конструиран за обръщане на потока (т.е. способен да поема потока във всяка посока), така че временните запушвания да могат да бъдат отстранени чрез обратно-промиване.

Практически насоки за избор
Максимална дължина на влакното Минимален препоръчителен ID на тръбата Типична употреба < 3 mm 6-8 mm Фина хартиена маса, текстилни покрития
10 mm 3–6 mm Биологични отпадъци, нормална бяла вода от-промишлеността за производство на хартия
12-15 mm 6-10 mm Едра каша, нарязани отпадъци, случайни хранителни каши > 10 mm 15-20 mm или поръчково съдържание на парцали, дълги синтетични влакна
Числата са за разредена суспензия (< 5% fibres by weight). Larger diameters and lower velocities are necessary at greater concentrations to avoid bridging.

Неизбежният компромис-: размер срещу запушване
Диаметърът на тръбата пряко влияе върху размера и цената на топлообменника. Повърхностната площ на единица дължина е пропорционална на диаметъра, така че за да се получи същата повърхностна площ за дадено топлинно натоварване, тръба с вътрешен диаметър 10 mm се нуждае от около 44% повече тръби (или по-дълги тръби), отколкото тръба с вътрешен диаметър 12 mm. Това изисква увеличаване на диаметъра на корпуса и следователно на материалните и производствените разходи. Въпреки това, разходите за редовен престой за почистване на запушен топлообменник почти винаги са повече от първоначалната капиталова премия за по-голям тип, който не може да се включва. Размерът на дупката обикновено е най-важният аспект на дизайна в твърди-до-солидни битки.

Заключение: Спечелване на войната срещу запушването
The simple bold decision of a large-bore tube wins the war against plugging in a PTFE exchanger handling a fibrous slurry. Tube inlet bridging avoided with inner diameter of 10 mm or more, sufficient tube-side velocity (>2 m/s) и напрежение нагоре по течението. Тази алтернатива е надеждно, поддържаемо и дълготрайно решение за топлопренос, но отстъпва част от ефективността на топлопреноса и увеличава размера на топлообменника. В случай на твърди тела размерът на отвора често е най-същественият елемент на дизайна.