Kako delujejo kroglični turbulatorji (napolnjene postelje) v PTFE ceveh za visoko{0}}storitve obraščanja?

Standardni turbulatorji se radi zamašijo z gnojevko ali drugimi tekočinami, ki se močno umažejo. Cev je napolnjena s posteljo majhnih premičnih kroglic, ki ponuja samo-čistilni način z izboljšanim prenosom toplote in mehanskim odstranjevanjem vodnega kamna.

Zamašitev cevi izmenjevalnika toplote – težava
Površine za prenos toplote so nagnjene k obraščanju v številnih kemičnih, farmacevtskih in bioprocesnih aplikacijah. Obraščanje je odlaganje snovi, kot so soli, organski ostanki, stranski produkti polimerizacije ali biološki filmi. Toplotna odpornost se znatno poveča z nastankom umazanije, zato so potrebne pogoste zaustavitve čiščenja. Običajne metode povečanja, kot so zviti trakovi ali žične tuljave, čeprav so koristne za čiste tekočine, ponavadi poslabšajo težavo, ker dajejo razpoke za pritrditev in razmnoževanje usedlin.

Za cev iz PTFE, ki je bila izbrana zaradi odpornosti proti koroziji in kemične inertnosti, je lahko onesnaženje še posebej težavno, ker hidrofobna površina PTFE z nizkim-trenjem zmanjša, vendar ne prepreči oprijema. Za močno umazane storitve je potrebna bolj agresivna, samo-čistilna rešitev.

Kako deluje napolnjena postelja kroglic
Kroglični turbulator je nabita postelja majhnih ohlapnih kroglic, ki polnijo cev. Običajno so kroglice izdelane iz samega PTFE ali iz keramičnih materialov, kot sta aluminijev oksid ali cirkonijev oksid, ki so popolnoma kemično združljivi s procesno tekočino. Premeri so običajno 3–8 mm, zasnovani za izdelavo postelje s približno 35–40 % odstotkom praznin. Postelja je ohlapno zapakirana (kroglice niso spojene ali zlepljene skupaj) in jo v cevi držijo mrežice ali perforirane končne kapice.

Procesna tekočina teče skozi cev in je prisiljena tkati skozi vijugaste intersticijske prostore med kroglicami. Posledica tega so zelo visoke lokalne hitrosti in močne turbulence pri nizkih globalnih pretokih. Še pomembneje je, da same žoge ne mirujejo. Gibanje tekočine jih potiska in vrti ter občasno trčijo ob notranjo steno PTFE cevi. Udarci so nizkoenergijski in fizično očistijo vse usedline, ki se začnejo kopičiti, pri čemer ohranjajo steno čisto.

V zasnovi PTFE cevi z nabito posteljo s krogličnim turbulatorjem je proces prenosa toplote dvojen. Prvič, pot kaotičnega toka poruši plast toplotne pregrade veliko učinkoviteje kot kateri koli statični vložek. Drugič, nenehen stik stene z vrtečimi se kroglami zagotavlja dodatno neposredno prevodno pot in prenos zagona, s čimer se znatno poveča koeficient prenosa toplote.

Značilnosti delovanja Prenos toplote proti izgubi tlaka
Kroglični turbulatorji imajo lahko zelo visoke koeficiente prenosa toplote, pogosto 2 do 4-krat večje od koeficientov prazne cevi pri enakih okoliščinah toka. Povečanje Nusseltovega števila je primerljivo s povečanjem tesno zvitega vložka traku, vendar s pomembno dodatno prednostjo stalnega čiščenja sten.

Padec tlaka je pomemben kompromis-. Nabita postelja povzroča velik pretočni upor. Zmanjšanje tlaka je običajno 5- do 15-krat večje kot pri prazni cevi, odvisno od premera krogle, gostote embalaže in hitrosti pretoka. Zato se tehnika uporablja samo za tiste storitve, kjer je obraščanje glavna omejitev razpoložljivosti obrata. V takšnih okoliščinah je dodana energija črpanja upravičena z odpravo nenačrtovanih zaustavitev čiščenja, zmanjšanim vzdrževalnim delom in enakomerno toplotno zmogljivostjo na dolge dolžine.

Prednost mesecev delovanja brez čiščenja cevi v specializiranih aplikacijah, kot je segrevanje viskoznih polimernih gošč ali rekuperacija toplote iz raztopin za kristalizacijo ali obdelava bioloških brozg, ki vsebujejo visoko vsebnost celičnih ostankov, izravnava višjo porabo energije. Kroglični turbulatorji se redko uporabljajo pri čistih tekočinah, saj so enostavnejše nadgradnje z nižjimi padci tlaka cenejše.

Odpornost na fluidizacijo in zadrževanje postelje
Kroglice morajo ostati v cevi, tok jih ne sme potisniti ven. Pri nizkih hitrostih pretoka je struga rahlo nabita in se premika le lokalno. Ko pa se hitrost poveča, lahko sila upora na kroglah povzroči, da se celotna postelja razširi in začne fluidizirati ali deluje kot fluidizirana postelja s kroglami, ki visijo v toku.

Popolna fluidizacija je običajno nezaželena v cevi izmenjevalnika toplote, saj bodo takrat kroglice manj pogosto udarjale ob stene in jih bo lahko izpihnilo s konca cevi. Tako je struga na iztoku običajno omejena z zadrževalnim zaslonom. Poleg tega je dolžina cevi takšna, da celotno znižanje tlaka po plasti ohranja površinsko hitrost pod minimalno fluidizacijsko hitrostjo (Umf). Za PTFE kroglice v vodi-podobnih tekočinah se Umf doseže pri hitrostih 0,5–1,0 m/s, odvisno od velikosti in gostote kroglice. Pri keramičnih kroglicah (večja gostota) se Umf pojavi pri višjih hitrostih. Umf je tik pod mestom, kjer običajno delajo oblikovalci, kjer so žoge v "zapakiranem, a vznemirjenem" stanju - vrtijo se in drgnejo druga ob drugo in ob steno, vendar ne visijo.

Izbira materiala za kroglice
Očiten odgovor so seveda kroglice iz PTFE za cevi iz PTFE, ki ohranjajo enako kemično inertnost in lastnosti proti-oprijemanju. Imajo gostoto okoli 2,2 g/cm3, kar je veliko več kot gostota vode ali organskih topil, in tako ostanejo nastanjeni v cevi. PTFE kroglice so tako mehke, da ne bodo poškodovale stene cevi niti po milijonih trkov.

Keramične kroglice (npr. . 99.5% aluminijevega oksida, gostota ~3,9 g/cm3) se uporabljajo tam, kjer je potrebna večja teža kroglice za povečanje udarne sile za trde obloge ali kjer temperatura postopka presega mejo 110 stopinj PTFE (keramika deluje do 300 stopinj). Keramika je tudi bolj trda in zagotavlja močnejše čistilno delovanje. Vendar je treba paziti, da keramična snov v daljšem časovnem obdobju ne odrgni stene PTFE cevi. V praksi je običajna uporaba PTFE kroglic za večino kemičnih storitev in keramičnih kroglic za visokotemperaturne ali posebej trdovratne umazanije.

Oblikovanje za prakso
Pri zasnovi ležišča s krogličnim turbulatorjem za PTFE cev so optimizirani naslednji parametri:

Premer krogle: 3-5 mm za majhne cevi (10-20 mm ID); 6-8 mm za večje cevi (25-40 mm ID). Manjše krogle imajo več kontaktnih točk s steno, vendar imajo večji padec tlaka.

Dolžina postelje: običajno 10-30 premerov cevi. Daljše postelje pomenijo večji prenos toplote, vendar se ustrezno poveča izguba tlaka.

Delež praznin: ~ 0,35-0,40 za homogene krogle v naključnem tesnem pakiranju. To je mogoče prilagoditi z mešanjem kroglic različnih velikosti, vendar se redko izvaja.

Metoda zadrževanja: perforirani diski iz PTFE ali PFA na obeh koncih, premer luknje je manjši od premera krogle. Vhodni disk preprečuje, da bi kroglice izletele zaradi valov pretoka.

Čistilno delovanje je še posebej učinkovito pri odstranjevanju mehkih, želatinastih ali kristalnih usedlin. Kroglični turbulatorji niso tako učinkoviti za trdo, pečeno-na koksu ali vodni kamen, ker nizko{2}}energijski udarci ne morejo odstraniti tesno sprijetih usedlin. Takšni primeri kljub temu zahtevajo občasno kemično čiščenje.

Primerjava drugih tehnik izboljšanja pri storitvah obraščanja
Metoda Izboljšanje prenosa toplote Povečanje padca tlaka Zmanjšanje obraščanja
Prazna cev, gladka Slaba osnovna črta Osnovna črta
Vložek zvitega traku 100-150 % 200-600 % Nič (pogosto poslabša)
Valovita cev 20–60 % 30–100 % Manj (zmanjša oprijem)
Ball Turbulator (Packed Bed) 100-300 % 500-1500 % Odlično (stalno čiščenje)
Zaključek
Kroglični turbulatorji so nišna, a zelo učinkovita možnost za izboljšanje prenosa toplote pri storitvah z močnim onesnaženjem. Te ohlapno zapakirane postelje majhnih PTFE ali keramičnih kroglic v PTFE ceveh so nameščene v procesnem toku. Z vzpostavljanjem kompleksnih, turbulentnih vzorcev toka in nenehnim pranjem stene cevi z nežnimi udarci ohranjajo površine za prenos toplote čiste in omogočajo dolgotrajno neprekinjeno delovanje. Velika kazen zaradi padca tlaka omejuje njihovo uporabo na situacije, kjer bi umazanija običajno povzročila ponavljajoče se zaustavitve. Različni načini izboljšave ustrezajo različnim operativnim težavam, vendar za procese z visoko stopnjo umazanije in visoko vrednostjo ležišče, napolnjeno s krogličnim turbulatorjem, zagotavlja neprimerljivo kombinacijo toplotne učinkovitosti in zanesljivosti samo-čiščenja.