Как влияет внутреннее загрязнение труб на-коэффициент боковой конвективной теплопередачи теплообменника из ПТФЭ?

Когда тонкая пленка накипи впервые начинает образовываться внутри гладкой трубки из ПТФЭ, коэффициент теплопередачи может вести себя несколько парадоксальным образом. В течение очень короткого времени тепловые характеристики могут даже незначительно увеличиться. Первоначальный слой загрязнения слегка шероховатый и разрушает обычно гладкий пограничный слой вдоль стенки трубы, создавая дополнительную турбулентность и увеличивая перемешивание жидкости. Однако эта краткая выгода недолговечна. По мере увеличения толщины отложений изолирующий эффект слоя загрязнения преобладает над любым преимуществом турбулентности, и эффективность теплопередачи теплообменника начинает неуклонно снижаться.

Таким образом, взаимосвязь между коэффициентом конвекции эффекта загрязнения трубок и производительностью теплообменника из ПТФЭ не является простой линейной деградацией. Загрязнение развивается со временем, сначала как усиление шероховатости, а в конечном итоге как доминирующий тепловой барьер.

Что происходит внутри трубки из тефлона®?
Тепловые характеристики теплообменника из ПТФЭ определяются рядом сопротивлений следующим образом.

Тепло должно проходить:

Пограничный слой жидкости со стороны трубки-

Любое загрязнение отложилось

Стенка трубы из ПТФЭ

Пограничный слой жидкости со стороны оболочки

Весь коэффициент теплопередачи теплообменника основан на общем термическом сопротивлении, обычно называемом значением U-.

По мере увеличения загрязнения в систему добавляется дополнительный элемент сопротивления.

Поначалу это сопротивление может быть очень незначительным. Но кратковременно влияние шероховатости поверхности может быть значительным.

Почему небольшое загрязнение может улучшить теплопередачу
Сама трубка из ПТФЭ довольно гладкая. Низкая шероховатость поверхности сводит к минимуму падение давления, а также прилипание отложений, однако гладкие поверхности также могут поддерживать довольно стабильный ламинарный пограничный слой в некоторых условиях потока.

Текстура внутренней поверхности изменяется, когда образуется очень тонкий слой загрязнения.

Микроскопические неровности начинают появляться в потоке жидкости и вызывать небольшие возмущения вблизи стенки. Эти нарушения включают в себя

Добавить локальное возмущение

Разрушить тепловой пограничный слой

Улучшенное радиальное перемешивание жидкости

Улучшите теплообмен между стенкой и жидкостью

Загрязнение временно сбивает датчики с толку, поскольку теплообменник может сигнализировать о переходном плато или даже о небольшом повышении видимых тепловых характеристик.

Это влияние наиболее заметно, когда:

Сначала поток ламинарный.

Числа Рейнольдса близки к переходу

Исходная поверхность ПТФЭ очень гладкая.

Толщина загрязнения все еще очень мала

Влияние шероховатости на ранней стадии часто менее выражено на шероховатых металлических трубах, поскольку базовая текстура поверхности уже турбулентна.

Влияние шероховатости на конвективную теплопередачу
Влияние шероховатости поверхности на теплопередачу напрямую связано с поведением трения жидкости.

При анализе турбулентного течения шероховатость влияет:

Коэффициент трения

Устойчивость пограничного слоя

Передача импульса.

Улучшение теплопередачи

Те же факторы, которые усиливают фрикционное перемешивание, влияют и на конвективный теплообмен.

Эта взаимосвязь отражается в сходстве между коэффициентом трения и коэффициентом теплопередачи в классической теории переноса.

Поэтому небольшая шероховатость поверхности может повысить коэффициент конвекционной теплопередачи со стороны трубы-в некоторых рабочих ситуациях.

Однако этот положительный эффект носит временный характер, поскольку электрическое сопротивление слоя загрязнения со временем продолжает расти.

Когда загрязнение становится безудержным
Изоляционные свойства утолщающегося отложения загрязнения становятся все более важными.

В целом, сам осадок имеет низкую теплопроводность по сравнению с материалами жидкости и теплообменника. Таким образом, тепло должно пройти еще один изолирующий слой, прежде чем оно сможет получить доступ к объемной жидкости.

В конечном итоге любые преимущества турбулентности затмеваются потерями тепла из-за дополнительной толщины.

Результаты:

Уменьшенное общее значение U

Более низкая скорость теплопередачи

Подход с большей температурой

Термический отклик медленнее

Большая нестабильность процесса

В этот момент теплообменник вступает в хорошо известную долгосрочную тенденцию к ухудшению загрязнения, наблюдаемую в промышленных системах.

Устойчивость к загрязнению как переходный процесс
Нарастание загрязнения редко происходит с постоянной скоростью.

Во многих системах сопротивление загрязнению следует асимптотической кривой:

Быстрое начальное создание-развертывания

Медленное наращивание-в долгосрочной перспективе

стабилизация к равновесию в конечном итоге

Эти ранние изменения часто представляют собой самые большие относительные изменения шероховатости поверхности и нарушений потока.

Затем отложение утолщается и уплотняется, а дальнейший рост тормозится сдвиговыми силами и механизмами частичного отделения.

Такое асимптотическое поведение сопротивления загрязнению может объяснить, почему теплообменник поначалу может выглядеть стабильным, но в течение длительных периодов эксплуатации постепенно теряет тепловую эффективность.

Почему теплообменники из ПТФЭ имеют необычное поведение при загрязнении
ПТФЭ теплообменники обладают некоторыми свойствами, которые влияют на динамику загрязнения иначе, чем металлические системы.

Начальные крайности поверхности гладкие
По сравнению со многими металлическими материалами теплообменников поверхность из первичного ПТФЭ очень гладкая.

Эта низкая базовая шероховатость приводит к довольно существенному сдвигу эффективной текстуры поверхности из-за небольшого количества окалины.

Это делает эффект повышения шероховатости на ранней-этапе более очевидным.

Низкая поверхностная энергия
Антипригарные свойства ПТФЭ препятствуют сильному прилипанию отложений.

Некоторые слои загрязнения остаются более мягкими или менее механически стабильными, чем отложения, образующиеся на металлических трубках.

Пониженная теплопроводность
ПТФЭ уже имеет лучшую устойчивость к стенкам, чем такие металлы, как нержавеющая сталь или титан.

Таким образом, дополнительная устойчивость к загрязнению является относительно более важной во всей сети термического сопротивления.

Снижение производительности может быть особенно очевидным, если загрязнение очень сильное.

Долгосрочная тенденция снижения стоимости U
Краткосрочный-эффект шероховатости является положительным, тогда как долгосрочный-эффект загрязнения всегда имеет отрицательное направление.

депозиты все еще поступают:

Уменьшение диаметра трубки

Изменения в распределении потока

снижение давления увеличилось

Термическое сопротивление возрастает.

КПД теплообменника падает

На более высоких стадиях загрязнения контролировать процесс может быть проблематично, так как скоростей теплоотдачи уже недостаточно для работы.

Тогда обменнику может понадобиться:

Химическая очистка

Механическая очистка

Замена трубок

Оптимизация потоков

Настройка химического процесса

Без вмешательства хроническое загрязнение может в конечном итоге привести к необратимому снижению производительности.

Значение регулярной уборки
«Загрязнение — это постепенный процесс, поэтому регулярный мониторинг имеет решающее значение.

Обычно отслеживаемые индикаторы включают в себя:

Понижение значения U-

Повышенное падение давления

Снижение температуры на выходе

Увеличенные периоды нагрева в процессах

В общем, чистку лучше проводить профилактически, а не дожидаться накопления сильных загрязнений.

Для теплообменников из ПТФЭ чистые поверхности трубок помогают поддерживать как:

Стационарный конвективный теплообмен

Гидравлика низкого сопротивления

Целью является не только очистка толстых отложений, но и предотвращение перехода от незначительного улучшения шероховатости к значительной теплоизоляции.

Загрязнение: динамическое тепловое явление
Связь между коэффициентом конвекции теплообменника из ПТФЭ и эффектом загрязнения трубок показывает, что загрязнение по существу является динамическим, а не статичным.

На начальных стадиях турбулентность и теплопередача могут быть кратковременно усилены. Но с течением времени изоляционные свойства осадка начинают доминировать в поведении системы.

Эта двойственность усложняет анализ загрязнения больше, чем простое предположение о непрерывном линейном снижении.

Краткосрочные-изменения часто могут вводить в заблуждение, когда обменник находится на переходном этапе-повышения качества работы.

Однако долгосрочные температурные тенденции демонстрируют устойчивую тенденцию к увеличению штрафов из-за накопления отложений.

Заключение.
Загрязнение внутренних трубок теплообменника из ПТФЭ оказывает сложное и зависящее от времени влияние на эффективность конвективной теплопередачи. Первоначально очень небольшое загрязнение может на короткое время улучшить коэффициент конвективной теплопередачи со стороны трубы- за счет придания шероховатости гладкой в ​​остальном поверхности ПТФЭ и некоторого увеличения турбулентности.

Это первоначальное улучшение недолговечно-. Толщина загрязнения увеличивается, отложения становятся более заметными по термическому сопротивлению, а общее значение U- постепенно уменьшается. Подобно тому, как шероховатость временно увеличивает турбулентность, она в конечном итоге становится изолирующим барьером для движения тепла.

Поведение коэффициента конвективного коэффициента загрязнения трубок теплообменника из ПТФЭ указывает на то, что загрязнение – это не простая бинарная ситуация, а, скорее, непрерывный тепловой процесс. Небольшая грубая окалина может на какое-то время ввести оператора в заблуждение, но устойчивая эффективность теплообменника в конечном итоге зависит от чистоты внутренних поверхностей трубок. То, что начинается как удобная шероховатость, превращается в изоляционное одеяло.