Kako kuglasti turbulatori (nabijeni slojevi) rade u PTFE cijevima za usluge visokog{0}}obraštanja?

Standardni turbulatori imaju tendenciju začepljenja muljem ili drugim tekućinama koje jako zaprljaju. Cijev je ispunjena slojem malih pomičnih kuglica koje nude način samo-čišćenja, s poboljšanjem prijenosa topline i mehaničkim uklanjanjem kamenca.

Zaprljanje cijevi izmjenjivača topline – problem
Površine za prijenos topline sklone su onečišćenju u mnogim kemijskim, farmaceutskim i bioprocesnim primjenama. Obraštaj je taloženje tvari poput soli, organskih ostataka, nusproizvoda polimerizacije ili bioloških filmova. Toplinska otpornost značajno se povećava s stvaranjem sloja onečišćenja, pa su potrebna česta isključenja čišćenja. Konvencionalne metode povećanja kao što su upletene trake ili namotaji žice, iako su korisne za čiste tekućine, imaju tendenciju pogoršati problem jer stvaraju pukotine za naslage za pričvršćivanje i razmnožavanje.

Za PTFE cijevi, koje su odabrane zbog otpornosti na koroziju i kemijske inertnosti, obraštanje može biti posebno teško jer PTFE hidrofobna površina s niskim-trenjem smanjuje, ali ne sprječava prianjanje. Za jako zaprljane usluge potrebno je agresivnije rješenje za samo-čišćenje.

Kako funkcionira nabijeni krevet od loptica
Kuglasti turbulator je nabijen sloj malih labavih kuglica koje ispunjavaju cijev. Obično se kuglice izrađuju od samog PTFE-a ili od keramičkih materijala kao što su aluminij ili cirkonij, koji su potpuno kemijski kompatibilni s procesnom tekućinom. Promjeri su obično 3-8 mm, dizajnirani za proizvodnju sloja s oko 35-40% postotka šupljina. Krevet je labavo pakiran (kuglice nisu spojene niti zalijepljene) i drže ga u cijevi zasloni ili perforirane završne kapice.

Procesna tekućina teče kroz cijev i prisiljena je proći kroz vijugave međuprostore između kuglica. To rezultira vrlo velikim lokalnim brzinama i jakim turbulencijama, pri niskim globalnim brzinama protoka. Što je još važnije, same kuglice ne miruju. Guraju se i okreću zbog kretanja tekućine i povremeno udaraju o unutarnju stijenku PTFE cijevi. Udarci su niske energije i fizički čiste sve naslage koje se počnu nakupljati održavajući zid čistim.

U dizajnu PTFE cijevi s nabijenim krevetom s kuglastim turbulatorom, proces prijenosa topline je dvostruk. Kao prvo, kaotična staza protoka remeti sloj toplinske barijere daleko učinkovitije od bilo kojeg statičkog umetka. Drugo, neprestani kontakt stijenke s rotirajućim kuglicama osigurava dodatni izravni vodljivi put i prijenos zamaha, čime se značajno povećava koeficijent prijenosa topline.

Karakteristike izvedbe Prijenos topline u odnosu na gubitak tlaka
Kuglasti turbulatori mogu imati vrlo visoke koeficijente prijenosa topline, često 2 do 4 puta veće od koeficijenata prazne cijevi za iste okolnosti protoka. Povećanje Nusseltova broja usporedivo je s povećanjem čvrsto zamotane trake, ali uz važnu dodatnu prednost kontinuiranog čišćenja zidova.

Pad tlaka veliki je kompromis-. Nabijeni sloj uzrokuje veliki otpor protoku. Smanjenje tlaka obično je 5 do 15 puta veće od onog kod prazne cijevi, ovisno o promjeru kuglice, gustoći pakiranja i brzini protoka. Stoga se tehnika koristi samo za one usluge gdje je obraštanje glavno ograničenje dostupnosti postrojenja. U takvim okolnostima, dodana energija pumpanja opravdana je uklanjanjem neplaniranih prekida čišćenja, smanjenog rada na održavanju i stabilnim toplinskim performansama tijekom dugog rada.

Prednost mjeseci rada bez čišćenja cijevi u specijaliziranim primjenama kao što je zagrijavanje viskoznih polimernih kaša ili vraćanje topline iz kristalizirajućih otopina ili obrada bioloških bujona koji sadrže visok sadržaj ostataka stanica nadoknađuje veću potrošnju energije. Kuglasti turbulatori rijetko se koriste u servisu čiste tekućine jer su jednostavnije nadogradnje s manjim padom tlaka jeftinije.

Otpornost na fluidizaciju i zadržavanje sloja
Kuglice moraju ostati u cijevi, a ne biti izgurane strujom. Pri malim brzinama protoka korito je lagano nabijeno i ne pomiče se osim lokalno. Ali kada se brzina poveća, sila otpora na kuglice može učiniti da se cijeli sloj proširi i počne fluidizirati ili djelovati kao fluidizirani sloj s kuglicama koje lebde u struji.

Potpuna fluidizacija obično je nepoželjna u cijevi izmjenjivača topline, budući da će tada kuglice rjeđe udarati o stijenke i mogu biti otpuhane s kraja cijevi. Prema tome, korito je općenito omeđeno potpornim zaslonom na izlazu. Nadalje, duljina cijevi je takva da ukupni pad tlaka u sloju održava površinsku brzinu ispod minimalne brzine fluidizacije (Umf). Za PTFE kuglice u tekućinama sličnim vodi- Umf se postiže pri brzinama od 0,5-1,0 m/s, ovisno o veličini i gustoći kuglice. Za keramičke kuglice (veće gustoće) Umf se pojavljuje pri većim brzinama. Umf je odmah ispod mjesta gdje dizajneri obično rade, gdje su lopte u "nabijenom, ali uznemirenom" stanju-- okreću se i trljaju jedna o drugu i zid, ali ne vise.

Izbor materijala za kuglice
Očigledan odgovor su naravno PTFE kuglice za PTFE cijevi, kako bi se zadržala ista kemijska inertnost i svojstva ne{0}}prianjanja. Imaju gustoću od oko 2,2 g/cm3, mnogo veću od vode ili organskih otapala, pa ostaju taloženi u cijevi. PTFE kuglice su toliko mekane da neće oštetiti stijenku cijevi čak ni nakon milijuna sudara.

Keramičke kuglice (npr. . 99.5% aluminijevog oksida, gustoća ~3,9 g/cm3) koriste se tamo gdje je potrebna veća težina kuglice za povećanje udarne sile za teške naslage ili gdje procesna temperatura prelazi granicu od 110 stupnjeva PTFE-a (keramika radi do 300 stupnjeva). Keramika je također čvršća i pruža snažnije djelovanje čišćenja. Ali mora se paziti da keramička tvar ne ostruže stijenku PTFE cijevi tijekom dugih vremenskih razdoblja. U praksi je uobičajena uporaba PTFE kuglica za većinu kemijskih usluga i keramičkih kuglica za visoke temperature ili posebno žilave onečišćenja.

Projektiranje za praksu
U dizajnu ležaja s kuglastim turbulatorom za PTFE cijev optimizirani su sljedeći parametri:

Promjer kuglice: 3-5 mm za male cijevi (10-20 mm ID); 6-8 mm za veće cijevi (25-40 mm ID). Manje kuglice imaju više dodirnih točaka sa stijenkom, ali imaju veći pad tlaka.

Duljina ležaja: tipično 10-30 promjera cijevi. Dulji slojevi znače veći prijenos topline, ali se shodno tome povećava i gubitak tlaka.

Praznina: ~ 0,35-0,40 za homogene kuglice u nasumičnim tijesnim pakiranjima. To se može prilagoditi miješanjem loptica različitih veličina, ali rijetko se radi.

Metoda zadržavanja: Perforirani diskovi od PTFE ili PFA na oba kraja, promjer otvora manji od promjera kuglice. Ulazni disk sprječava izbacivanje kuglica zbog valova protoka.

Djelovanje ribanja posebno je učinkovito u uklanjanju mekih, želatinoznih ili kristalnih naslaga prljavštine. Loptasti turbulatori nisu tako učinkoviti za tvrde, pečene-na koksu ili kamenac, jer nisko-energetski udarci ne mogu ukloniti čvrsto priljubljene naslage. Takvi slučajevi ipak zahtijevaju periodično kemijsko čišćenje.

Usporedba drugih tehnika poboljšanja u uslugama obraštanja
Metoda Poboljšanje prijenosa topline Povećanje pada tlaka Ublažavanje onečišćenja
Prazna cijev, glatkaBad Baseline Baseline
Uložak upletene trake 100-150% 200-600% Ništa (često pogoršava)
Valovita cijev 20–60% 30–100% Manje (smanjuje prianjanje)
Ball Turbulator (Packed Bed) 100-300% 500-1500% Izvrsno (kontinuirano čišćenje)
Zaključak
Kuglasti turbulatori su niša, ali vrlo učinkovita opcija za poboljšanje prijenosa topline na uslugama s velikim onečišćenjem. Ovi labavo pakirani slojevi malih PTFE ili keramičkih kuglica u PTFE cijevima ugrađeni su u procesni tok. Uspostavljanjem složenih, turbulentnih obrazaca strujanja i kontinuiranim pranjem stijenke cijevi blagim udarcima, održavaju površine za prijenos topline čistima i omogućuju duga razdoblja neprekidnog rada. Velika kazna pada tlaka ograničava njihovu upotrebu na situacije u kojima bi onečišćenje inače uzrokovalo ponovljena gašenja. Različite metode poboljšanja odgovaraju različitim operativnim problemima, međutim za procese visoke vrijednosti, kuglični turbulator pruža neusporedivu kombinaciju toplinskih performansi i pouzdanosti samo-čišćenja.