Kakav je učinak zaprljanja unutarnje cijevi na koeficijent-konvektivnog prijenosa topline na strani cijevi PTFE izmjenjivača?

Kada se tanki film kamenca prvi put počne stvarati unutar glatke PTFE cijevi, koeficijent prijenosa topline mogao bi se ponašati na donekle paradoksalan način. Za vrlo kratko vrijeme toplinske performanse mogu se čak neznatno povećati. Početni sloj onečišćenja je malo hrapav i uništava normalno glatki granični sloj duž stijenke cijevi, stvarajući daljnju turbulenciju i povećavajući miješanje tekućine. Ova kratka korist je ipak kratkog vijeka. Kako se debljina naslaga povećava, izolacijski učinak zaprljanog sloja dominira nad svim prednostima turbulencije i učinak prijenosa topline izmjenjivača počinje se postepeno smanjivati.

Odnos između konvektivnog koeficijenta učinka onečišćenja cijevi i performansi PTFE izmjenjivača stoga nije jednostavna linearna degradacija. Obraštaj se razvija s vremenom, u početku kao pojačivač hrapavosti i konačno kao dominantna toplinska barijera.

Što se događa unutar Teflon® cijevi?
Toplinska izvedba PTFE izmjenjivača topline određena je nizom otpora kako slijedi.

Toplina mora proći kroz:

Granični sloj tekućine-na strani cijevi

Sva taložena nečistoća

PTFE cijevni zid

Tekući granični sloj na strani ljuske

Cijeli koeficijent prijenosa topline izmjenjivača temelji se na ukupnom toplinskom otporu, koji se općenito naziva U-vrijednost.

S povećanjem onečišćenja, u sustav se dodaje dodatni izraz otpora.

Taj otpor u početku može biti vrlo malen. Ali učinak hrapavosti površine može kratkotrajno biti značajan.

Zašto malo onečišćenja može poboljšati prijenos topline
Sama PTFE cijev je prilično glatka. Niska hrapavost površine smanjuje pad tlaka kao i adheziju naslaga, ali glatke površine također mogu održati prilično stabilan laminarni granični sloj, u nekim okolnostima protoka.

Tekstura unutarnje površine se mijenja kada se formira vrlo tanak sloj onečišćenja.

Mikroskopske neravnine počinju se pojavljivati ​​u struji tekućine i uzrokuju male smetnje u blizini stijenke. Ovi poremećaji uključuju

Dodajte lokalne smetnje

Razbiti toplinski granični sloj

Poboljšano radijalno miješanje tekućine

Poboljšati prijenos topline između stijenke i tekućine

Onečišćenje privremeno prevari senzore, budući da izmjenjivač može ukazivati ​​na prolazni plato ili čak malo povećanje prividne toplinske izvedbe.

Ovaj utjecaj je najvidljiviji kada:

Strujanje je u početku laminarno

Reynoldsovi brojevi blizu prijelaza

Izvorna površina PTFE-a je vrlo glatka.

Debljina obraštaja još uvijek je vrlo mala

Utjecaj hrapavosti u ranoj fazi često je manje izražen na grubim metalnim cijevima, jer je osnovna tekstura površine već turbulentna.

Učinak hrapavosti na konvektivni prijenos topline
Utjecaj hrapavosti površine na prijenos topline izravno je povezan s ponašanjem trenja tekućine.

U analizi turbulentnog strujanja hrapavost utječe na:

Koeficijent trenja

Stabilnost graničnog sloja

Prijenos zamaha.

Poboljšanje prijenosa topline

Isti čimbenici koji pojačavaju frikcijsko miješanje također utječu na konvektivni prijenos topline.

Taj se odnos odražava u sličnostima između faktora trenja i faktora prijenosa topline u klasičnoj teoriji transporta.

Stoga malo hrapava površina može povećati koeficijent konvektivnog prijenosa topline-strane cijevi u nekim radnim situacijama.

Međutim, ovaj pozitivan učinak je samo prolazan budući da električni otpor sloja onečišćenja nastavlja rasti s vremenom.

Kada se obraštanje raširi
Izolacijska svojstva sve debljajućeg naslaga obraštanja postaju sve kritičnija.

Općenito, sam talog ima nisku toplinsku vodljivost u usporedbi s tekućinom i materijalima izmjenjivača. Dakle, toplina mora proći kroz još jedan izolacijski sloj prije nego što može pristupiti rasutom fluidu.

Na kraju je svaka korist od turbulencije zasjenjena toplinskom štetom dodatne debljine.

Rezultati su:

Smanjena ukupna U vrijednost

Niži stupanj prijenosa topline

Pristup većoj temperaturi

Spori toplinski odziv

Veća nestabilnost procesa

Izmjenjivač u ovoj točki ulazi u dobro poznati dugoročni trend pogoršanja onečišćenja koji se opaža u industrijskim sustavima.

Otpornost na obraštanje kao prolazni proces
Nakupljanje nečistoća rijetko se odvija ravnomjernom brzinom.

U mnogim sustavima otpornost na onečišćenje slijedi asimptotsku krivulju:

Brza početna izgradnja-

Dugoročno sporije{0}}nastajanje

konačno stabilizacija prema ravnoteži

Ove rane promjene često su najveće relativne promjene u površinskoj hrapavosti i poremećaju protoka.

Tada se naslaga zgusne i zgusne, a daljnji rast je inhibiran silama smicanja i mehanizmima djelomičnog odvajanja.

Ovo asimptotsko ponašanje otpornosti na onečišćenje može objasniti zašto izmjenjivač isprva može izgledati stabilan, ali tijekom dugih razdoblja rada postupno gubi toplinsku učinkovitost.

Zašto PTFE izmjenjivači imaju neuobičajeno ponašanje zaprljanja
PTFE izmjenjivači imaju neka svojstva koja utječu na dinamiku onečišćenja na drugačiji način u usporedbi s metalnim sustavima.

Početna površina ekstremno glatka
U usporedbi s mnogim metalnim materijalima za izmjenjivače topline, izvorne PTFE površine su vrlo glatke.

Ova niska osnovna hrapavost rezultira prilično značajnim pomakom u efektivnoj površinskoj teksturi u odnosu na male količine kamenca.

To čini ranu{0}}fazu poboljšanja hrapavosti očiglednijom.

Niske površinske energije
Ne{0}}neprianjajuća svojstva PTFE-a odolijevaju snažnom prianjanju naslaga.

Neki slojevi onečišćenja tako ostaju mekši ili manje mehanički stabilni od naslaga razvijenih na metalnim cijevima.

Smanjena toplinska vodljivost
PTFE već ima bolju otpornost na zid od metala kao što su nehrđajući čelik ili titan.

Stoga je dodatna otpornost na onečišćenje relativno važnija u cijeloj mreži toplinske otpornosti.

Smanjenje učinkovitosti može biti osobito vidljivo kada je onečišćenje vrlo debelo.

Dugoročni silazni trend U vrijednosti
Kratkoročan-učinak hrapavosti je pozitivan, dok-dugotrajni učinak obraštanja uvijek ima negativan smjer.

s depozitima koji još uvijek pristižu:

Smanjenje promjera cijevi

Promjene u raspodjeli protoka

smanjenje tlaka povećano

Toplinski otpor raste.

Učinkovitost izmjenjivača topline pada

U višim fazama onečišćenja, kontrola procesa može biti problematična, budući da brzine prijenosa topline više nisu dovoljne za rad.

Mjenjač će tada možda trebati:

Kemijsko čišćenje

Mehaničko čišćenje

Zamjena cijevi

Optimizacija tokova

Podešavanje kemije procesa

Bez intervencije, kronično onečišćenje može na kraju rezultirati nepovratnim padom performansi.

Značaj redovitog čišćenja
"Obraštavanje je postupan proces pa je redovito praćenje ključno.

Pokazatelji koji se obično prate uključuju:

Smanjenje U-vrijednosti

Povećani pad tlaka

Smanjena izvedba izlazne temperature

Produljena razdoblja grijanja u procesima

Općenito, bolje je čistiti preventivno nego čekati da se nakupi teška nečistoća.

Za PTFE izmjenjivače, čiste površine cijevi pomažu u održavanju oba:

Konvekcijski prijenos topline u stacionarnom stanju

Nizak otpor hidraulike

Svrha nije samo očistiti debele naslage, već i izbjeći prijelaz s blagog poboljšanja hrapavosti na značajnu toplinsku izolaciju.

Obraštaj: dinamički toplinski fenomen
Veza između konvektivnog koeficijenta PTFE izmjenjivača i učinka onečišćenja cijevi pokazuje da je onečišćenje u biti dinamično, a ne statično.

Turbulencija i prijenos topline mogu se trenutno pojačati u početnim fazama. No tijekom vremena izolacijska svojstva taloga dominiraju ponašanjem sustava.

Ova dvojnost komplicira analizu onečišćenja više od puke pretpostavke kontinuiranog linearnog pada.

Kratkoročna-mjerenja često mogu dovesti u zabludu kada je izmjenjivač u prijelaznoj fazi-poboljšanja hrapavosti.

Međutim, dugoročni toplinski trendovi pokazuju stalnu tendenciju povećanja kazne zbog nakupljanja naslaga.

Zaključak.
Zaprljanje unutarnje cijevi u PTFE izmjenjivaču topline ima složen i vremenski ovisan učinak na performanse konvektivnog prijenosa topline. U početku, vrlo mala prljavština može nakratko poboljšati koeficijent konvektivnog prijenosa topline na strani-cijevi hrapavom inače glatkom PTFE površinom i donekle povećanjem turbulencije.

Ovo početno poboljšanje kratko-traje. Debljina onečišćenja se povećava, talog postaje izraženiji toplinski otpor i ukupna U-vrijednost progresivno opada. Baš kao što hrapavost privremeno povećava turbulenciju, ona u konačnici postaje izolacijska prepreka kretanju topline.

Ponašanje PTFE izmjenjivača s konvektivnim koeficijentom onečišćenja cijevi ukazuje na to da onečišćenje nije jednostavna binarna situacija, već stalni toplinski proces. Malo grube skale može neko vrijeme zavarati operatera, ali održiva učinkovitost izmjenjivača u konačnici je funkcija čistih unutarnjih površina cijevi. Ono što počinje kao praktična hrapavost postaje izolacijski pokrivač.