Як працюють кулькові турбулятори (наповнені шари) у трубах з PTFE для послуг із високим-забрудненням?

Стандартні турбулятори, як правило, забиваються шламом або іншими рідинами, що сильно забруднюють. Трубка заповнена шаром невеликих рухомих кульок, який забезпечує режим само-самоочищення з посиленням теплопередачі та механічним видаленням накипу.

Забруднення трубок теплообмінника – проблема
Поверхні, що передають тепло, схильні до забруднення в багатьох хімічних, фармацевтичних і біообробних сферах. Обростання – це відкладення речовин, таких як солі, органічні залишки, побічні продукти полімеризації або біологічні плівки. Термічний опір значно зростає з утворенням шару забруднення, тому часто потрібні відключення для очищення. Звичайні методи аугментації, такі як скручені стрічки або дротяні котушки, хоча й корисні для чистих рідин, мають тенденцію погіршувати проблему, оскільки створюють щілини для прикріплення та розмноження відкладень.

Для трубок із ПТФЕ, які були обрані за стійкістю до корозії та хімічною інертністю, забруднення може бути особливо складним, оскільки гідрофобна поверхня з низьким -тертям ПТФЕ зменшує, але не запобігає адгезії. Для сильно забруднених послуг потрібен більш агресивний розчин із самоочищенням-.

Як працює упакований шар з куль
Кульковий турбулятор - це упакований шар маленьких пухких сфер, що заповнює трубу. Зазвичай кульки виготовляються з самого PTFE або з керамічних матеріалів, таких як оксид алюмінію чи цирконію, які повністю хімічно сумісні з технологічною рідиною. Діаметри зазвичай становлять 3–8 мм, призначені для створення шару з відсотком пустот приблизно 35–40%. Ліжко нещільно упаковане (кульки не сплавлені та не склеєні разом) і утримується в трубі сітками або перфорованими торцевими кришками.

Технологічна рідина протікає через трубку та змушена пронизувати звивисті проміжні простори між кульками. Це призводить до дуже високих локальних швидкостей і сильної турбулентності при низьких глобальних витратах. Що більш важливо, самі кулі не перебувають у спокої. Їх штовхає та обертає рух рідини та час від часу натикається на внутрішню стінку PTFE трубки. Удари мають низьку енергію та фізично видаляють будь-який відкладення, що починає накопичуватися, зберігаючи стіну чистою.

У конструкції труби з фторопласту з наповненим шаром із кульковим турбулятором процес теплопередачі є подвійним. По-перше, хаотичний шлях потоку руйнує теплозахисний шар набагато ефективніше, ніж будь-яка статична вставка. По-друге, безперервний контакт стінки з обертовими кульками забезпечує додатковий прямий провідний шлях і передачу імпульсу, тим самим істотно підвищуючи коефіцієнт теплопередачі.

Експлуатаційні характеристики Теплопередача проти втрати тиску
Кулькові турбулятори можуть мати дуже високі коефіцієнти теплопередачі, часто в 2-4 рази більше, ніж у порожньої труби за тих самих умов потоку. Збільшення числа Нуссельта можна порівняти з збільшенням щільно скрученої стрічки, але з важливою додатковою перевагою постійного очищення стін.

Падіння тиску є головним-компромісом. Упакований шар створює великий опір потоку. Зниження тиску зазвичай у 5-15 разів перевищує тиск у порожній трубі залежно від діаметра кульки, щільності упаковки та швидкості потоку. Таким чином, ця техніка використовується лише для тих послуг, де забруднення є основним обмеженням доступності установки. За таких обставин додаткова енергія накачування виправдовується усуненням позапланових відключень для очищення, зменшенням витрат на технічне обслуговування та стабільною тепловою продуктивністю протягом тривалого періоду експлуатації.

Перевага місяців роботи без очищення трубок у спеціалізованих застосуваннях, таких як нагрівання в’язких полімерних суспензій або рекуперація тепла від розчинів, що кристалізуються, або обробка біологічних бульйонів, що містять високий вміст клітинних залишків, компенсує високе споживання енергії. Кулькові турбулятори рідко використовуються для обслуговування чистих рідин, оскільки простіші модернізації з меншими перепадами тиску є дешевшими.

Стійкість до флюїдізації та збереження ліжка
Кульки повинні залишатися в трубці, а не виштовхуватися потоком. При низьких швидкостях течії русло злегка ущільнене і не рухається інакше, як локально. Але коли швидкість збільшується, сила опору, що діє на кульки, може змусити весь шар розширитися та почати псевдозріджене або діяти як псевдозріджений шар із кульками, підвішеними в потоці.

Повне псевдозрідження зазвичай небажане в трубці теплообмінника, оскільки тоді кульки рідше вдарятимуться об стінки і їх можна видувати з кінця трубки. Таким чином, грядка зазвичай обмежена підтримуючим екраном на виході. Крім того, довжина труби така, що загальне зниження тиску в шарі утримує поверхневу швидкість нижче мінімальної швидкості псевдозрідження (Umf). Для кульок із ПТФЕ у рідинах, подібних до води, Umf досягається при швидкостях 0,5–1,0 м/с залежно від розміру та щільності кульки. Для керамічних кульок (більшої щільності) Umf з’являється при вищих швидкостях. Umf знаходиться трохи нижче місця, де зазвичай працюють дизайнери, де м’ячі перебувають у «упакованому, але схвильованому» стані — обертаються й труться одна об одну та стіну, але не підвішені.

Вибір матеріалу для м'ячів
Звичайно, очевидною відповіддю є кульки з ПТФЕ для труб з ПТФЕ, щоб зберегти ту саму хімічну інертність і антипригарні властивості. Вони мають щільність приблизно 2,2 г/см3, що набагато вище, ніж вода або органічні розчинники, тому залишаються осілими в трубці. Кулі PTFE настільки м'які, що не пошкодять стінку труби навіть після мільйонів зіткнень.

Керамічні кульки (наприклад, . 99.5% оксиду алюмінію, щільність ~3,9 г/см3) використовуються там, де потрібна більша вага кульки для посилення сили удару для міцних відкладень або коли температура процесу перевищує межу 110 градусів PTFE (кераміка працює до 300 градусів). Кераміка також більш міцна, забезпечуючи більш інтенсивну дію очищення. Але необхідно стежити, щоб керамічна речовина не стирала стінку PTFE труби протягом тривалого часу. На практиці використання кульок з PTFE для більшості хімічних послуг і керамічних кульок для високотемпературних або особливо стійких забруднень є звичайним.

Проектування для практики
У конструкції кульового турбулятора набивного шару для PTFE труби оптимізовані такі параметри:

Діаметр кульки: 3-5 мм для маленьких труб (10-20 мм ID); 6-8 мм для великих труб (25-40 мм ID). Менші кульки мають більше точок контакту зі стінкою, але мають більший перепад тиску.

Довжина ложа: зазвичай 10-30 діаметрів труб. Довші ліжка означають більше передачі тепла, але відповідно зростає втрата тиску.

Частка пустот: ~ 0,35-0,40 для однорідних сфер у випадковій щільній упаковці. Це можна регулювати, змішуючи кульки різного розміру, але це робиться рідко.

Метод утримання: перфоровані диски з PTFE або PFA на обох кінцях, діаметр отвору менший за діаметр кульки. Вхідний диск запобігає викиду кульок через стрибки потоку.

Чистяча дія є особливо ефективною для видалення м’яких, желатинових або кристалічних відкладень. Кулькові турбулятори не такі ефективні для твердих, спечених-на коксі чи окалині, оскільки удари низької-енергії не можуть зрушити щільно прилиплі відкладення. Такі екземпляри все ж вимагають періодичної хімічної чистки.

Порівняння інших методів покращення в послугах із забруднення
Метод Покращення теплопередачі Збільшення перепаду тиску Зменшення забруднення
Порожня труба, гладкаПогана базова лінія Базова лінія
Вставка зі скрученої стрічки 100-150% 200-600% Немає (часто погіршує)
Гофрована трубка 20–60% 30–100% Незначна (зменшує адгезію)
Ball Turbulator (Packed Bed) 100-300% 500-1500% Відмінно (постійне очищення)
Висновок
Кулькові турбулятори є нішевим, але дуже ефективним варіантом для покращення теплопередачі в службах із сильним забрудненням. Ці нещільно упаковані шари невеликих PTFE або керамічних кульок у PTFE трубках встановлюються в технологічний потік. Встановлюючи складні турбулентні схеми потоку та безперервно омиваючи стінку трубки м’якими ударами, вони підтримують чистоту поверхонь теплопередачі та забезпечують тривалу безперебійну роботу. Велике покарання за перепад тиску обмежує їх використання ситуаціями, коли забруднення зазвичай спричиняє повторні зупинки. Різні методи покращення відповідають різним експлуатаційним проблемам, однак для процесів із високим вмістом забруднень, високоякісних процесів шаровий турбулятор забезпечує неперевершене поєднання теплових характеристик і надійності само-самоочищення.