Как выбрать правильный диаметр трубки для теплообменника из ПТФЭ, работающего с волокнистой суспензией?

Бумажная фабрика или текстильная промышленность выбрасывают поток отходов, наполненный длинными, жесткими и волокнистыми волокнами. Пропустите его через обычный теплообменник из ПТФЭ с узкими трубками диаметром 6 мм, и вы получите рецепт быстрой, полной и раздражающей пробки. Пряди будут перекрывать вход в трубку, образуя запутанный коврик, и передача тепла нарушится. Первый и самый важный шаг в конструкции теплообменника — выбрать достаточно большую трубку, чтобы комок волокон из худшего-корпуса мог проходить сквозь нее, не зацепляясь. Выбор трубчатого теплообменника из ПТФЭ подходящего диаметра для волокнистых суспензий является первым и наиболее важным шагом на пути к созданию надежной и ремонтопригодной системы охлаждения или нагрева.

Логика проектирования: жертвование тепловой эффективностью ради обеспечения потока
Почему обычно рекомендуются малые диаметры
Основным термическим преимуществом трубки из ПТФЭ является ее огромное соотношение площади поверхности к объему, которого лучше всего достичь при небольшом диаметре. Узкие трубки (например, внутренний диаметр 4–6 мм) упаковывают большую площадь теплопередачи в заданный объем оболочки, требуют меньше материала и вызывают турбулентный поток на более низких скоростях. Это лучшая конструкция для чистых жидкостей. Но для волокнистой суспензии эта тепловая логика неприменима, если трубки засорены. Засоренная трубка не проводит тепло.

Золотое правило: диаметр трубки больше длины волокна
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 мм) могут потребоваться диаметры от 15 до 20 мм. Это, очевидно, приведет к более крупному теплообменнику с той же тепловой нагрузкой и более низкой скоростью на стороне корпуса, что может потребовать дополнительных перегородок или более высокого общего расхода. Компромисс очевиден: немного больший по размеру и менее термически эффективный теплообменник, который действительно работает, по сравнению с небольшим, термически эффективным теплообменником, который всегда подключен к сети.

Чтобы сохранять тепло, комки волокон должны иметь возможность перемещаться по большому открытому шоссе; узкий, извилистый канал просто станет засоренным и непригодным для использования трубопроводом. На входе по-прежнему должен быть сетчатый фильтр или сито для удаления более крупного мусора, но трубка должна быть способна пропускать любые проходящие волокна.

Технические аспекты надежной работы
Скорость на стороне трубы
Боковую скорость трубки также необходимо поддерживать высокой – обычно выше 2 м/с – чтобы предотвратить оседание или прилипание волокон к стенкам трубки. При низких скоростях скопление волокнистых материалов на дне горизонтальных трубок происходит под действием силы тяжести, в результате чего постепенно образуется слой, препятствующий потоку. Более высокие скорости (до 3–4 м/с, ограниченные перепадом давления) удерживают волокна во взвешенном состоянии и помогают вымывать любые переходные отложения-через теплообменник. Это требование к скорости также влияет на выбор диаметра трубки, поскольку для трубок большего размера требуется большая скорость потока для достижения той же скорости, а это может увеличить мощность, необходимую для откачки.

Расположение трубок и корпус-боковые аспекты
В случае волокнистых суспензий на стороне трубы засорение менее необходимо для конструкции со стороны корпуса, но доступ для очистки по-прежнему важен. Квадратная компоновка труб выбрана вместо треугольной, поскольку она обеспечивает прямые беспрепятственные проходы между рядами труб и позволяет механическую очистку стороны корпуса в случае загрязнения. Но диаметр трубки по-прежнему является основной защитой от засорения. Независимо от того, насколько совершенна конструкция, если отверстие трубки слишком мало, никакие перегородки со стороны корпуса или доступ для очистки не предотвратят закупорку трубки.

Другие аспекты дизайна
Геометрия входа трубки: плавный радиус или расширение на входе предотвращает зацепление волокон за острые края. Трубы должны находиться на одном уровне с поверхностью трубной решетки, без выступающих кромок.

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) механическая чистка нецелесообразна.

Реверсивность Теплообменник должен быть сконструирован с возможностью реверса потока (т. е. иметь возможность направлять поток в любом направлении), чтобы временные блокировки можно было устранять путем обратной-промывки.

Практические рекомендации по выбору
Максимальная длина волокнаМинимальный рекомендуемый внутренний диаметр трубкиТипичное использование < 3 мм 6–8 мм Тонкая бумажная масса, текстильная отделка
10 мм 3–6 мм Биологические отходы, обычная сточная вода бумажной-промышленности
12–15 мм 6–10 мм Грубая целлюлоза, измельченные отходы, иногда пищевые суспензии > 10 мм 15–20 мм или на заказ Ветошь, длинные синтетические волокна
Цифры указаны для разбавленной навозной жижи (< 5% fibres by weight). Larger diameters and lower velocities are necessary at greater concentrations to avoid bridging.

Неизбежный компромисс-: размер или засоренность
Диаметр трубки напрямую влияет на размер и стоимость теплообменника. Площадь поверхности на единицу длины пропорциональна диаметру, поэтому для получения той же площади поверхности при заданном тепловом режиме трубке с внутренним диаметром 10 мм требуется примерно на 44% больше трубок (или более длинных трубок), чем трубке с внутренним диаметром 12 мм. Это требует увеличения диаметра оболочки и, следовательно, материальных и производственных затрат. Однако затраты на регулярный простой для очистки засоренного теплообменника почти всегда превышают первоначальный взнос за более крупный, неподключаемый теплообменник. Размер отверстия, как правило, является наиболее важным аспектом дизайна в сплошных---сражениях.

Вывод: победа в войне с пробками
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 м/с) и растяжение вверх по течению. Эта альтернатива представляет собой надежное, ремонтопригодное и долговечное решение для теплопередачи, но при этом теряется некоторая эффективность теплопередачи и увеличивается размер теплообменника. В случае твердых тел размер отверстия часто является наиболее важным элементом конструкции.