Как работают шаровые турбулизаторы (насадочные слои) в трубах из ПТФЭ при работе с сильным-загрязнением?

Стандартные турбулизаторы имеют тенденцию засоряться шламами или другими сильно загрязняющими жидкостями. Трубка заполнена слоем небольших подвижных сфер, который обеспечивает режим само-очистки с усилением теплопередачи и механическим удалением накипи.

Загрязнение трубок теплообменника – проблема
Поверхности теплопередачи склонны к загрязнению во многих химических, фармацевтических и биотехнологических процессах. Загрязнение – это отложение таких веществ, как соли, органические остатки, побочные продукты полимеризации или биологические пленки. Термическое сопротивление значительно возрастает с образованием слоя загрязнения, и часто требуются остановки для очистки. Обычные методы увеличения, такие как скрученные ленты или проволочные катушки, хотя и полезны для чистых жидкостей, имеют тенденцию усугублять проблему, поскольку они создают щели для отложений, которые могут прикрепляться и размножаться.

Для трубок из ПТФЭ, которые были выбраны из-за коррозионной стойкости и химической инертности, загрязнение может быть особенно трудным, поскольку гидрофобная поверхность ПТФЭ с низким-трением уменьшает, но не предотвращает адгезию. Для сильно загрязненных сервисов требуется более агрессивное самоочищающееся решение.

Как работает набитая кровать из шариков
Шаровой турбулятор представляет собой набитый слой маленьких рыхлых сфер, заполняющих трубку. Обычно шарики изготавливаются из самого ПТФЭ или из керамических материалов, таких как оксид алюминия или диоксид циркония, которые полностью химически совместимы с технологической жидкостью. Диаметр обычно составляет 3–8 мм, что позволяет получить слой с процентом пустот около 35–40%. Слой набит неплотно (шарики не сплавлены и не склеены) и удерживается в трубке сетками или перфорированными торцевыми крышками.

Технологическая жидкость проходит через трубку и вынуждена проходить через извилистые промежутки между шариками. Это приводит к очень высоким локальным скоростям и сильной турбулентности при низких глобальных скоростях потока. Что еще более важно, сами шары не находятся в состоянии покоя. Они толкаются и вращаются под действием движения жидкости и иногда ударяются о внутреннюю стенку трубки из ПТФЭ. Удары имеют низкую энергию и физически удаляют любые отложения, которые начинают накапливаться, сохраняя стену чистой.

В конструкции трубы из ПТФЭ с насадочным слоем и шаровым турбулизатором процесс теплопередачи имеет двойной характер. Во-первых, хаотический путь потока разрушает слой теплового барьера гораздо эффективнее, чем любая статическая вставка. Во-вторых, постоянный контакт стенки с вращающимися шариками обеспечивает дополнительный прямой путь проводимости и передачу импульса, тем самым существенно увеличивая коэффициент теплопередачи.

Эксплуатационные характеристики Теплопередача в зависимости от потери давления
Шаровые турбулизаторы могут иметь очень высокие коэффициенты теплопередачи, часто в 2–4 раза превышающие коэффициенты пустой трубки при тех же условиях потока. Увеличение числа Нуссельта сравнимо с увеличением числа туго скрученной ленты, но с важным дополнительным преимуществом постоянной очистки стен.

Падение давления – это серьезный компромисс-. Уплотненный слой вызывает большое сопротивление потоку. Снижение давления обычно в 5–15 раз больше, чем в пустой трубке, в зависимости от диаметра шарика, плотности упаковки и скорости потока. Следовательно, этот метод используется только для тех услуг, где загрязнение является основным ограничением работоспособности установки. В таких обстоятельствах добавленная энергия перекачки оправдана отсутствием незапланированных остановок для очистки, сокращением трудозатрат на техническое обслуживание и стабильными тепловыми характеристиками в течение длительного времени.

Преимущество нескольких месяцев работы без очистки трубок в специализированных приложениях, таких как нагрев вязких полимерных суспензий или рекуперация тепла от кристаллизующихся растворов или обработка биологических бульонов с высоким содержанием клеточного мусора, компенсирует более высокое потребление энергии. Шаровые турбулизаторы редко используются при работе с чистыми жидкостями, поскольку более простые модификации с меньшими перепадами давления обходятся дешевле.

Устойчивость к псевдоожижению и удержание слоя
Шарики должны оставаться в трубке, а не выталкиваться потоком. При низких скоростях потока слой слегка утрамбован и перемещается только локально. Но когда скорость увеличивается, сила сопротивления шариков может привести к расширению всего слоя и началу псевдоожижения или к действию псевдоожиженного слоя с шариками, подвешенными в потоке.

Полное псевдоожижение обычно нежелательно в трубке теплообменника, так как тогда шарики будут реже ударяться о стенки и могут вылететь из конца трубки. Таким образом, слой обычно ограничен удерживающим экраном на выходе. Кроме того, длина трубы такова, что общее снижение давления по всему слою удерживает скорость поверхности ниже минимальной скорости псевдоожижения (Umf). Для шариков из ПТФЭ в водо-подобных жидкостях Umf достигается при скоростях 0,5–1,0 м/с в зависимости от размера и плотности шарика. Для керамических шариков (большей плотности) Umf появляется при более высоких скоростях. UMF находится чуть ниже того места, где обычно работают дизайнеры, где шарики находятся в «упакованном, но взволнованном» состоянии — вращаются и трутся друг о друга и о стену, но не подвешены.

Выбор материала для шаров
Очевидный ответ, конечно, — шарики из ПТФЭ для трубок из ПТФЭ, обеспечивающие ту же химическую инертность и антипригарные свойства-. Они имеют плотность около 2,2 г/см3, что намного выше, чем у воды или органических растворителей, и поэтому остаются в трубке. Шарики из ПТФЭ настолько мягкие, что не повреждают стенки трубы даже после миллионов столкновений.

Керамические шарики (например, . 99.5% глинозема, плотность ~3,9 г/см3) используются там, где требуется более высокий вес шарика для увеличения силы удара при твердых отложениях или когда температура процесса превышает предел ПТФЭ в 110 градусов (керамика работает при температуре до 300 градусов). Керамика также более прочная, что обеспечивает более энергичное очищающее действие. Однако необходимо следить за тем, чтобы керамическое вещество не истирало стенки трубки из ПТФЭ в течение длительного периода времени. На практике обычно используются шарики из ПТФЭ для большинства химических процессов и керамические шарики для высокотемпературных или особо стойких загрязнений.

Проектирование для практики
В конструкции насадочного слоя шарового турбулизатора для фторопластовой трубки оптимизированы следующие параметры:

Диаметр шарика: 3–5 мм для небольших пробирок (внутренний диаметр 10–20 мм); 6–8 мм для трубок большего размера (внутренний диаметр 25–40 мм). Меньшие шары имеют больше точек контакта со стенкой, но имеют больший перепад давления.

Длина слоя: обычно 10-30 диаметров трубы. Более длинные слои означают большую передачу тепла, но соответственно увеличивается потеря давления.

Пустотность: ~ 0,35-0,40 для однородных сфер в случайной плотной упаковке. Это можно отрегулировать, смешивая шарики разного размера, но это делается редко.

Метод фиксации: Перфорированные диски из ПТФЭ или ПФА на обоих концах, диаметр отверстий меньше диаметра шарика. Входной диск предотвращает выброс шариков из-за скачков потока.

Очищающее действие особенно эффективно при удалении мягких, желеобразных или кристаллических отложений. Шаровые турбулизаторы не так эффективны для твердых, запеченных-кокса или окалины, поскольку удары с низкой-энергией не могут удалить плотно прилипшие отложения. Такие экземпляры тем не менее требуют периодической химической чистки.

Сравнение других методов улучшения услуг по борьбе с обрастанием
Метод Улучшение теплопередачиУвеличение перепада давленияУменьшение загрязнения
Пустая труба, гладкаяПлохая базовая линия Базовая линия
Вставка из витой ленты 100–150 % 200–600 % Нет (часто ухудшает ситуацию)
Гофрированная трубка 20–60 % 30–100 % Незначительная (снижение адгезии)
Шаровой турбулятор (набивной слой) 100–300 % 500–1500 % Отлично (постоянная очистка)
Заключение
Шаровые турбулизаторы — это нишевый, но очень эффективный вариант улучшения теплопередачи в системах с сильным загрязнением. Эти неплотно упакованные слои небольших ПТФЭ или керамических шариков в ПТФЭ трубках устанавливаются в технологический поток. Создавая сложную турбулентную структуру потока и постоянно промывая стенки трубы мягкими ударами, они сохраняют поверхности теплопередачи чистыми и обеспечивают длительную бесперебойную работу. Большой штраф за падение давления ограничивает их использование ситуациями, когда загрязнение обычно приводит к повторным отключениям. Различные методы улучшения подходят для разных эксплуатационных задач, однако для процессов с высоким уровнем загрязнения и дорогостоящими процессами насадочный слой шарикового турбулизатора обеспечивает непревзойденное сочетание тепловых характеристик и надежности само-очистки.