Jak fungují kuličkové turbulátory (balená lůžka) v PTFE trubicích pro služby s vysokým-zanášením?

Standardní turbulátory mají tendenci se ucpávat kaly nebo jinými silně znečišťujícími kapalinami. Zkumavka je naplněna lůžkem malých pohyblivých kuliček, které nabízí samočisticí-režim s vylepšením přenosu tepla a mechanickým odstraňováním vodního kamene.

Znečištění trubek výměníku tepla – problém
Teplosměnné povrchy jsou náchylné k zanášení v mnoha chemických, farmaceutických a biozpracovatelských aplikacích. Znečištění je ukládání látek, jako jsou soli, organické zbytky, vedlejší produkty polymerace nebo biologické filmy. Tepelný odpor se výrazně zvyšuje s tvorbou znečišťující vrstvy a často je zapotřebí odstávek čištění. Konvenční metody augmentace, jako jsou kroucené pásky nebo drátěné cívky, i když jsou užitečné pro čisté tekutiny, mají tendenci problém zhoršit, protože vytvářejí štěrbiny pro usazování a proliferaci.

U hadiček z PTFE, které byly vybrány pro odolnost proti korozi a chemickou inertnost, může být znečištění obzvláště obtížné, protože hydrofobní povrch PTFE s nízkým{0} třením snižuje, ale nezabraňuje přilnavosti. Pro vysoce znečištěné služby je potřeba agresivnější, samočisticí-řešení.

Jak funguje balené lůžko kuliček
Kulový turbulátor je shluk malých volných kuliček, které vyplňují trubici. Obvykle jsou kuličky vytvořeny ze samotného PTFE nebo z keramických materiálů, jako je oxid hlinitý nebo oxid zirkoničitý, které jsou plně chemicky kompatibilní s procesní kapalinou. Průměry jsou obvykle 3–8 mm, navrženy tak, aby vytvořily lože s přibližně 35–40% procentem dutin. Lůžko je volně zabaleno (kuličky nejsou svařené ani slepené) a drženo v tubusu síty nebo perforovanými koncovkami.

Procesní tekutina prochází trubicí a je nucena proplétat se klikatými intersticiálními prostory mezi kuličkami. To má za následek velmi vysoké místní rychlosti a silné turbulence při nízkých globálních průtokech. Ještě důležitější je, že samotné koule nejsou v klidu. Pohybem tekutiny jsou tlačeny a otáčeny a občas narážejí do vnitřní stěny PTFE trubice. Zásahy jsou nízkoenergetické a fyzicky vyčistí všechny usazeniny, které se začnou hromadit, a udrží zeď čistou.

V provedení trubice z PTFE s baleným ložem s kuličkovým turbulátorem je proces přenosu tepla dvojí. Za prvé, chaotická dráha toku narušuje vrstvu tepelné bariéry mnohem účinněji než jakákoli statická vložka. Za druhé, nepřetržitý kontakt stěny s rotujícími kuličkami poskytuje další přímou vodivou cestu a přenos hybnosti, čímž se podstatně zvyšuje koeficient přenosu tepla.

Výkonové charakteristiky Přenos tepla vs. tlaková ztráta
Kulové turbulátory mohou mít velmi vysoké koeficienty přenosu tepla, často 2 až 4krát vyšší než u prázdné trubky za stejných podmínek proudění. Zvětšení Nusseltova čísla je srovnatelné se zvětšením pevně zkroucené páskové vložky, ale s důležitou přidanou výhodou neustálého čištění stěn.

Pokles tlaku je velkým kompromisem-. Ucpané lože způsobuje velký odpor proudění. Pokles tlaku je typicky 5 až 15krát větší než u prázdné trubice v závislosti na průměru koule, hustotě náplně a rychlosti proudění. Technika se proto používá pouze pro ty služby, kde je znečištění hlavním omezením dostupnosti zařízení. Za takových okolností je přidaná čerpací energie odůvodněna odstraněním neplánovaných odstávek čištění, sníženou prací na údržbě a stabilním tepelným výkonem po dlouhou dobu.

Výhoda měsíce provozu bez čištění trubek ve specializovaných aplikacích, jako je ohřev viskózních polymerních suspenzí nebo rekuperace tepla z krystalizačních roztoků nebo zpracování biologických bujónů obsahujících vysoký obsah buněčných zbytků, kompenzuje vyšší spotřebu energie. Kulové turbulátory jsou zřídka používány v provozu čistých kapalin, protože jednodušší modernizace s nižšími tlakovými ztrátami jsou levnější.

Odolnost vůči fluidizaci a retence lože
Kuličky musí zůstat v trubici, nesmí být vytlačeny proudem. Při nízkých rychlostech proudění je lože lehce ucpané a nepohybuje se jinak než lokálně. Ale když se rychlost zvýší, odporová síla na kuličky může způsobit, že se celé lože roztáhne a začne fluidizovat, nebo se chovat jako fluidní lože s kuličkami zavěšenými v proudu.

Úplná fluidizace je normálně v trubce tepelného výměníku nežádoucí, protože pak budou kuličky narážet na stěny méně často a mohou být vyfouknuty z konce trubky. Lože je tedy obecně ohraničeno zádržnou clonou na odtoku. Dále je délka trubky taková, že celkový pokles tlaku napříč ložem udržuje povrchovou rychlost pod minimální rychlostí fluidizace (Umf). Pro kuličky PTFE ve vodě-jako kapaliny se Umf dosahuje při rychlostech 0,5–1,0 m/s v závislosti na velikosti a hustotě kuličky. U keramických kuliček (větší hustota) se Umf objevuje při vyšších rychlostech. Umf je těsně pod místem, kde běžně pracují designéři, kde jsou koule ve „sbaleném, ale rozrušeném“ stavu – otáčejí se a tírají o sebe ao stěnu, ale nejsou zavěšeny.

Výběr materiálu pro míče
Zřejmou odpovědí jsou samozřejmě kuličky z PTFE pro PTFE trubice, aby byla zachována stejná chemická inertnost a nepřilnavost-. Mají hustotu kolem 2,2 g/cm3, mnohem vyšší než voda nebo organická rozpouštědla, a zůstávají tak usazené v trubici. PTFE kuličky jsou tak měkké, že nepoškodí stěnu trubky ani po milionech kolizí.

Keramické kuličky (např. . 99.5% oxidu hlinitého, hustota ~3,9 g/cm3) se používají tam, kde je vyžadována vyšší hmotnost kuličky pro zvýšení rázové síly pro houževnaté usazeniny, nebo tam, kde procesní teplota překračuje limit 110 stupňů PTFE (keramika pracuje až do 300 stupňů ). Keramika je také houževnatější a poskytuje intenzivnější čisticí účinek. Je však třeba dbát na to, aby keramická látka neobrušovala stěnu PTFE trubice po dlouhou dobu. V praxi je obvyklé použití PTFE kuliček pro většinu chemických provozů a keramických kuliček pro vysoké teploty nebo zvláště houževnaté znečištění.

Navrhování pro praxi
Při návrhu lože s kuličkovým turbulátorem pro trubici z PTFE jsou optimalizovány následující parametry:

Průměr kuličky: 3-5 mm pro malé trubky (10-20 mm ID); 6-8 mm pro větší trubky (25-40 mm ID). Menší kuličky mají více kontaktních bodů se stěnou, ale mají větší tlakovou ztrátu.

Délka lože: Typicky 10-30 průměrů trubek. Delší lůžka znamenají větší přenos tepla, ale odpovídajícím způsobem se zvyšuje ztráta tlaku.

Prázdná frakce: ~ 0,35-0,40 pro homogenní koule v náhodném těsném uspořádání. To lze upravit smícháním kuliček různých velikostí, ale dělá se to jen zřídka.

Způsob uchycení: Perforované kotouče z PTFE nebo PFA na obou koncích, průměr otvoru menší než průměr kuličky. Vstupní kotouč zabraňuje vymrštění kuliček při proudění.

Čisticí účinek je zvláště účinný při odstraňování měkkých, želatinových nebo krystalických usazenin. Kulové turbulátory nejsou tak účinné pro tvrdé, pečené-na koksu nebo kotli, protože nízkoenergetické údery nemohou uvolnit pevně přilnavé usazeniny. Takové případy však vyžadují pravidelné chemické čištění.

Porovnání dalších technik vylepšení v kontaminačních službách
Metoda Zlepšení přenosu teplaZvýšení poklesu tlaku Zmírnění znečištění
Prázdná trubka, hladká Špatná základní linie
Vložka kroucené pásky 100-150% 200-600%Žádná (často se zhoršuje)
Vlnitá trubka 20–60 % 30–100 % Menší (snížení adheze)
Kulový turbulátor (zabalené lůžko) 100-300 % 500-1500 % vynikající (průběžné čištění)
Závěr
Kulové turbulátory jsou specializovanou, ale velmi účinnou možností pro zlepšení přenosu tepla při silně znečištěných službách. Tato volně uložená lůžka malých PTFE nebo keramických kuliček v PTFE trubicích jsou instalována v procesním proudu. Vytvářením složitých, turbulentních proudění a neustálým mytím stěny trubky jemnými nárazy udržují teplosměnné povrchy čisté a umožňují dlouhou dobu nepřerušovaného provozu. Postih velkého poklesu tlaku omezuje jejich použití na situace, kdy by znečištění normálně způsobilo opakované odstávky. Různé metody vylepšení vyhovují různým provozním problémům, avšak pro procesy s vysokým znečištěním a vysokou hodnotou poskytuje lože s kuličkovým turbulátorem jedinečnou kombinaci tepelného výkonu a spolehlivosti samočištění-.