Kakšen je učinek umazanije v notranji cevi na koeficient-konvektivnega prenosa toplote na strani cevnega izmenjevalnika PTFE?

Ko se v gladki PTFE cevi prvič začne graditi tanek film vodnega kamna, se lahko koeficient toplotnega prenosa obnaša na nekoliko paradoksalen način. Za zelo kratek čas se lahko toplotna učinkovitost celo rahlo poveča. Začetna plast umazanije je rahlo hrapava in uniči običajno gladko mejno plast vzdolž stene cevi, kar povzroči nadaljnjo turbulenco in poveča mešanje tekočine. Ta kratka korist je kljub temu kratkotrajna. Ko se debelina nanosa poveča, izolacijski učinek sloja umazanije prevlada nad kakršno koli prednostjo turbulence in zmogljivost prenosa toplote izmenjevalnika se začne enakomerno zmanjševati.

Razmerje med konvektivnim koeficientom učinka obraščanja cevi in ​​zmogljivostjo PTFE izmenjevalnika torej ni preprosta linearna degradacija. Obraščanje se sčasoma razvije, sprva kot ojačevalec hrapavosti in na koncu kot prevladujoča toplotna pregrada.

Kaj se dogaja v teflonski cevi?
Toplotna zmogljivost PTFE toplotnega izmenjevalnika je določena z vrsto uporov, kot sledi.

Toplota mora iti skozi:

Mejna plast tekočine-ob strani cevi

Kakršna koli umazanija

Stena PTFE cevi

Mejna plast tekočine na strani lupine

Celoten koeficient prenosa toplote izmenjevalnika temelji na skupnem toplotnem uporu, ki se običajno imenuje vrednost U-.

Z naraščajočim onesnaženjem se v sistem doda dodaten odporni člen.

Ta odpor je lahko sprva zelo majhen. Toda učinek površinske hrapavosti je lahko na kratko precejšen.

Zakaj lahko malo umazanije izboljša prenos toplote
Sama PTFE cev je dokaj gladka. Majhna površinska hrapavost zmanjšuje padec tlaka in oprijem nanosa, vendar lahko gladke površine v nekaterih okoliščinah pretoka vzdržujejo tudi precej stabilno laminarno mejno plast.

Struktura notranje površine se spremeni, ko nastane zelo tanek sloj umazanije.

Mikroskopske hrapavosti se začnejo pojavljati v toku tekočine in povzročajo majhne motnje v bližini stene. Te motnje vključujejo

Dodajte lokalne motnje

Razbijte toplotno mejno plast

Izboljšano radialno mešanje tekočine

Izboljšajte prenos toplote med steno in tekočino

Umazanija začasno zavede senzorje, saj lahko izmenjevalnik nakazuje prehodni plato ali celo rahlo povečanje navidezne toplotne zmogljivosti.

Ta učinek je najbolj viden, ko:

Tok je sprva laminaren

Reynoldsova števila blizu prehoda

Prvotna površina PTFE je zelo gladka.

Debelina obraščanja je še vedno zelo majhna

Ta vpliv hrapavosti v zgodnji fazi je pogosto manj izrazit na grobih kovinskih ceveh, ker je osnovna površinska tekstura že turbulentna.

Vpliv hrapavosti na konvektivni prenos toplote
Vpliv hrapavosti površine na prenos toplote je neposredno povezan z obnašanjem trenja tekočine.

Pri analizi turbulentnega toka hrapavost vpliva na:

Koeficient trenja

Stabilnost mejne plasti

Prenos zagona.

Izboljšanje prenosa toplote

Isti dejavniki, ki povečajo torno mešanje, vplivajo tudi na konvekcijski prenos toplote.

To razmerje se odraža v podobnostih med faktorjem trenja in faktorjem prenosa toplote v klasični transportni teoriji.

Zato lahko rahlo hrapava površina poveča koeficient konvektivnega prenosa toplote-na strani cevi v nekaterih delovnih situacijah.

Vendar je ta pozitivni učinek le prehoden, saj električna upornost umazanije sčasoma narašča.

Ko obraščanje divja
Izolacijske lastnosti zgoščevanja obraščanja postajajo vedno bolj kritične.

Na splošno ima usedlina nizko toplotno prevodnost v primerjavi s tekočino in materiali izmenjevalnika. Torej mora toplota preiti še skozi eno izolacijsko plast, preden lahko dostopa do tekočine v razsutem stanju.

Sčasoma morebitne prednosti turbulence zasenči toplotna škoda dodatne debeline.

Rezultati so:

Zmanjšana skupna vrednost U

Nižja stopnja prenosa toplote

Večji temperaturni pristop

Toplotni odziv je počasnejši

Večja nestabilnost procesa

Izmenjevalnik na tej točki vstopi v dobro znani dolgoročni trend poslabšanja obraščanja, ki ga opazimo v industrijskih sistemih.

Odpornost proti obraščanju kot prehodnemu procesu
Nabiranje umazanije redko poteka z enakomerno hitrostjo.

V mnogih sistemih odpornost proti obraščanju sledi asimptotični krivulji:

Hitra začetna izgradnja-

Počasnejša{0}}nastajanje na dolgi rok

končno stabilizacijo proti ravnovesju

Te zgodnje spremembe so pogosto največje relativne spremembe v površinski hrapavosti in motnjah toka.

Nato se obloga zgosti in zgosti, nadaljnjo rast pa zavirajo strižne sile in mehanizmi delnega odvajanja.

To asimptotično obnašanje odpornosti proti obraščanju lahko pojasni, zakaj je izmenjevalnik sprva morda videti stabilen, vendar v dolgih obdobjih delovanja postopoma izgubi toplotno učinkovitost.

Zakaj se PTFE izmenjevalci nenavadno obraščajo
PTFE izmenjevalci imajo nekatere lastnosti, ki vplivajo na dinamiko obraščanja na drugačen način v primerjavi s kovinskimi sistemi.

Začetna površina je izjemno gladka
V primerjavi z mnogimi kovinskimi materiali za izmenjevalnike toplote so površine neobdelanega PTFE zelo gladke.

Ta nizka osnovna hrapavost ima za posledico precejšen premik v efektivni teksturi površine od majhnih količin lestvice.

Zaradi tega je učinek povečanja hrapavosti v- zgodnji fazi bolj očiten.

Nizke površinske energije
Lastnosti PTFE proti prijemanju - preprečujejo močan oprijem usedlin.

Nekatere plasti umazanije ostanejo mehkejše ali manj mehansko stabilne kot usedline, ki se razvijejo na kovinskih ceveh.

Zmanjšana toplotna prevodnost
PTFE že ima boljšo odpornost na stene kot kovine, kot sta nerjavno jeklo ali titan.

Tako je dodatna odpornost proti obraščanju relativno pomembnejša v celotnem omrežju toplotne odpornosti.

Zmanjšanje učinkovitosti je lahko še posebej očitno, ko je umazanija zelo gosta.

Dolgoročni padajoči trend vrednosti U
Kratkoročni-učinek hrapavosti je pozitiven, medtem ko je dolgoročna-učinek obraščanja vedno negativno usmerjen.

z depoziti, ki se še vedno zbirajo:

Zmanjšanje premera cevi

Spremembe v porazdelitvi toka

znižanje tlaka se je povečalo

Toplotna odpornost se poveča.

Učinkovitost izmenjevalnika toplote pade

Pri višjih stopnjah obraščanja je lahko nadzor nad procesom problematičen, saj hitrosti prenosa toplote ne zadostujejo več za delovanje.

Izmenjevalnik bo morda potreboval:

Kemično čiščenje

Mehansko čiščenje

Zamenjava cevi

Optimizacija tokov

Uravnavanje procesne kemije

Brez posredovanja lahko kronično onesnaženje sčasoma povzroči nepopravljivo zmanjšanje učinkovitosti.

Pomen rednega čiščenja
"Obraščanje je postopen proces, zato je redno spremljanje ključnega pomena.

Običajno spremljani kazalniki vključujejo:

Znižanje U-vrednosti

Povečan padec tlaka

Zmanjšana zmogljivost izhodne temperature

Podaljšana obdobja ogrevanja v procesih

Na splošno je bolje, da čiščenje izvajate preventivno, kot da čakate, da se nakopičijo močne umazanije.

Pri PTFE izmenjevalcih čiste površine cevi pomagajo vzdrževati oboje:

Stacionarni konvektivni prenos toplote

Nizek upor hidravlike

Namen ni samo očistiti debele usedline, temveč preprečiti prehod od rahlega izboljšanja hrapavosti do pomembne toplotne izolacije.

Obraščanje: dinamični toplotni pojav
Povezava med konvektivnim koeficientom PTFE izmenjevalnika in učinkom umazanije na cevi kaže, da je umazanija v bistvu dinamična in ne statična.

V začetnih fazah se lahko turbulenca in prenos toplote za trenutek povečata. Toda sčasoma izolacijske lastnosti nanosa prevladajo nad obnašanjem sistema.

Ta dvojnost otežuje analizo umazanije bolj kot zgolj predpostavka o neprekinjenem linearnem upadanju.

Kratkoročne-meritve so lahko pogosto zavajajoče, ko je izmenjevalnik v prehodni fazi-izboljšanja hrapavosti.

Vendar pa dolgoročni toplotni trendi kažejo stalno tendenco naraščanja kazni zaradi kopičenja usedlin.

Zaključek.
Obraščanje notranjih cevi v PTFE toplotnem izmenjevalniku ima kompleksen in časovno odvisen učinek na zmogljivost konvektivnega prenosa toplote. Na začetku lahko zelo majhne umazanije za kratek čas izboljšajo koeficient konvektivnega prenosa toplote-na strani cevi z hrapavostjo sicer gladke površine PTFE in nekoliko povečano turbulenco.

Ta začetna izboljšava je-kratka. Debelina obraščanja se poveča, usedlina postane izrazitejša toplotna odpornost in skupna vrednost U- se postopno zmanjšuje. Tako kot hrapavost začasno poveča turbulenco, na koncu postane izolacijska ovira za gibanje toplote.

Obnašanje PTFE izmenjevalnika s konvektivnim koeficientom umazanije na cevi kaže, da umazanje ni preprosta binarna situacija, temveč stalen toplotni proces. Nekaj ​​grobega merila lahko za nekaj časa zavede upravljavca, vendar je trajna učinkovitost izmenjevalnika na koncu odvisna od čistih notranjih površin cevi. Kar se začne kot priročna hrapavost, se spremeni v izolacijsko odejo.