Какъв е ефектът от вътрешното замърсяване на тръбата върху коефициента на топлопреминаване-отстрани на тръбата на PTFE обменник?

Когато тънък филм от котлен камък за първи път започне да се образува вътре в гладка PTFE тръба, коефициентът на топлопреминаване може да се държи по донякъде парадоксален начин. За много кратко време топлинната ефективност може дори да се увеличи незначително. Първоначалният слой замърсяване е леко грапав и разрушава нормално гладкия граничен слой по протежение на стената на тръбата, предизвиквайки допълнителна турбуленция и увеличавайки смесването на течността. Тази кратка полза обаче е краткотрайна. Тъй като дебелината на отлаганията се увеличава, изолационният ефект на замърсяващия слой доминира над всяко предимство от турбулентността и ефективността на топлообменника започва да намалява стабилно.

Връзката между конвективния коефициент на ефекта на замърсяване на тръбата и ефективността на PTFE обменника следователно не е просто линейно разграждане. Обрастването се развива с времето, първоначално като подобрител на грапавостта и в крайна сметка като доминираща термична бариера.

Какво се случва вътре в тефлонова тръба?
Термичните характеристики на PTFE топлообменника се определят от поредица от съпротивления, както следва.

Топлината трябва да премине през:

Граничният слой на течността-от страната на тръбата

Всяко замърсяване, отложено

PTFE тръбна стена

Течният граничен слой от страната на черупката

Целият коефициент на топлопреминаване на топлообменника се базира на общото термично съпротивление, обикновено наричано U-стойност.

С увеличаване на замърсяването в системата се добавя допълнителен термин за устойчивост.

Това съпротивление може да е много слабо в началото. Но ефектът от грапавостта на повърхността може да бъде значителен за кратко.

Защо малко замърсяване може да подобри преноса на топлина
Самата PTFE тръба е доста гладка. Ниската грапавост на повърхността минимизира спада на налягането, както и адхезията на отлаганията, но гладките повърхности също могат да поддържат доста стабилен ламинарен граничен слой при някои обстоятелства на потока.

Текстурата на вътрешната повърхност се променя, когато се образува много тънък слой замърсяване.

Микроскопичните грапавини започват да се появяват в потока течност и предизвикват малки смущения близо до стената. Тези смущения включват

Добавете местно смущение

Разрушете термичния граничен слой

Подобрено радиално смесване на течности

Подобрете преноса на топлина между стената и течността

Замърсяването временно заблуждава сензорите, тъй като топлообменникът може да показва преходно плато или дори леко повишаване на привидната топлинна ефективност.

Това въздействие е най-видимо, когато:

Първоначално потокът е ламинарен

Числата на Рейнолдс са близо до прехода

Оригиналната повърхност на PTFE е много гладка.

Дебелината на замърсяването все още е много малка

Това влияние на грапавостта на ранен етап често е по-слабо изразено при груби метални тръби, тъй като структурата на основната повърхност вече е турбулентна.

Ефектът на грапавостта върху конвективния топлопренос
Влиянието на грапавостта на повърхността върху предаването на топлина е пряко свързано с поведението на флуидното триене.

При анализа на турбулентния поток грапавостта влияе върху:

Коефициентът на триене

Стабилност на граничния слой

Прехвърляне на инерция.

Подобряване на топлообмена

Същите фактори, които подобряват фрикционното смесване, влияят и на конвективния топлопренос.

Тази връзка се отразява в приликите между фактора на триене и фактора на топлопреминаване в класическата транспортна теория.

Следователно малко грапава повърхност може да повиши коефициента на конвективен топлопренос -от страната на тръбата при някои работни ситуации.

Този положителен ефект обаче е само временен, тъй като електрическото съпротивление на замърсяващия слой продължава да расте с времето.

Когато замърсяването се разраства
Изолационните качества на удебеляващия се отлагателен слой стават все по-критични.

Като цяло, самият депозит има ниска топлопроводимост в сравнение с флуида и обменните материали. Така че топлината трябва да премине през още един изолационен слой, преди да има достъп до насипния флуид.

В крайна сметка всяка полза от турбуленцията е засенчена от топлинното наказание на допълнителната дебелина.

Резултатите са:

Намалена обща U стойност

По-ниска скорост на топлообмен

По-висок температурен подход

По-бавна термична реакция

По-голяма нестабилност на процеса

В този момент топлообменникът влиза в добре известната дългосрочна тенденция на влошаване на замърсяването, наблюдавана в индустриалните системи.

Устойчивост на замърсяване като преходен процес
Натрупването на замърсяване рядко протича с постоянна скорост.

В много системи устойчивостта на замърсяване следва асимптотична крива:

Бързо първоначално изграждане-

По-бавно изграждане-в дългосрочен план

стабилизиране към равновесие в крайна сметка

Тези ранни промени често са най-големите относителни промени в грапавостта на повърхността и смущението на потока.

След това отлаганията се сгъстяват и уплътняват и по-нататъшният растеж се възпрепятства от силите на срязване и механизмите за частично отделяне.

Това асимптотично поведение на устойчивостта на замърсяване може да обясни защо един топлообменник може да изглежда стабилен в началото, но при дълги периоди на работа постепенно губи топлинна ефективност.

Защо PTFE топлообменниците имат необичайно поведение при замърсяване
PTFE топлообменниците имат някои свойства, които влияят върху динамиката на замърсяването по различен начин в сравнение с металните системи.

Първоначалната повърхност е изключително гладка
В сравнение с много метални материали за топлообменник, чистите PTFE повърхности са много гладки.

Тази ниска базова грапавост води до доста съществена промяна в ефективната текстура на повърхността от малки количества мащаб.

Това прави ефекта на подобряване на грапавостта в ранен{0}}етап по-очевиден.

Ниски повърхностни енергии
Незалепващите свойства на PTFE издържат на силно залепване на отлагания.

Някои замърсяващи слоеве остават по-меки или по-малко механично стабилни от отлаганията, образувани върху метални тръби.

Намалена топлопроводимост
PTFE вече има по-добра устойчивост на стените от метали като неръждаема стомана или титан.

По този начин допълнителната устойчивост на замърсяване е относително по-важна в цялата мрежа за термично съпротивление.

Намаляването на производителността може да бъде особено очевидно, след като замърсяването е много гъсто.

Дългосрочната низходяща тенденция на U стойност
Краткосрочният-ефект на грапавост е положителен, докато дългосрочното-ефект на замърсяване винаги има отрицателна посока.

с депозити, които все още се натрупват:

Намаляване на диаметъра на тръбата

Промени в разпределението на потока

повишено намаляване на налягането

Термичното съпротивление се повишава.

Ефективността на топлообменника пада

При по-високи етапи на замърсяване, контролирането на процеса може да бъде проблематично, тъй като скоростите на пренос на топлина вече не са достатъчни за операцията.

Тогава обменникът може да се нуждае от:

Химическо почистване

Механично почистване

Смяна на тръби

Оптимизиране на потоците

Настройка на химията на процеса

Без намеса хроничното замърсяване може в крайна сметка да доведе до необратим спад на производителността.

Значението на редовното почистване
„Обрастването е постепенен процес, така че редовното наблюдение е от ключово значение.

Често проследяваните индикатори включват:

Намаляване на U-стойността

Повишен спад на налягането

Намалена производителност на температурата на изхода

Удължени периоди на отопление в процеси

Като цяло е по-добре да извършвате почистване по превантивен график, вместо да чакате да се натрупат тежки замърсявания.

За PTFE топлообменници чистите повърхности на тръбите помагат да се поддържат и двете:

Стационарен конвективен топлопренос

Хидравлика с ниско съпротивление

Целта е не само да се почистят дебелите отлагания, но и да се избегне преходът от леко подобряване на грапавостта към значителна топлоизолация.

Замърсяване: Динамичен термичен феномен
Връзката между конвективния коефициент на PTFE обменника и ефекта на замърсяване на тръбата показва, че замърсяването е по същество динамично, а не статично.

Турбулентността и предаването на топлина могат да бъдат засилени моментално в началните етапи. Но с течение на времето изолационните свойства на депозита доминират в поведението на системата.

Тази двойственост усложнява анализа на замърсяването повече от просто предположение за непрекъснат линеен спад.

Краткосрочните-измервания често могат да бъдат подвеждащи, когато топлообменникът е в преходна фаза-на подобряване на грапавостта.

Дългосрочните топлинни тенденции обаче показват постоянна тенденция на нарастване на неустойката поради натрупване на отлагания.

Заключение.
Замърсяването на вътрешната тръба в PTFE топлообменник има сложен и зависим от времето ефект върху ефективността на конвективния топлопренос. Първоначално, много малко замърсяване може за кратко да подобри коефициента на конвективен топлопренос от-страни на тръбата чрез грапавост на иначе гладката PTFE повърхност и донякъде увеличаване на турбулентността.

Това първоначално подобрение е краткотрайно-. Дебелината на замърсяването се увеличава, отлаганията стават по-забележимо термично съпротивление и общата U-стойност прогресивно намалява. Точно както грапавостта временно увеличава турбулентността, тя в крайна сметка се превръща в изолираща бариера за движението на топлината.

Поведението на PTFE обменника с конвективен коефициент на замърсяване на тръбата показва, че замърсяването не е проста двоична ситуация, а по-скоро текущ термичен процес. Малко груб мащаб може да подведе оператора за известно време, но устойчивата ефективност на топлообменника в крайна сметка зависи от чистите вътрешни повърхности на тръбите. Това, което започва като удобна грапавост, се превръща в изолиращо одеяло.