Який вплив забруднення внутрішньої труби на коефіцієнт-конвективної теплопередачі труби PTFE-обмінника?

Коли тонка плівка накипу вперше починає утворюватися всередині гладкої PTFE труби, коефіцієнт теплопередачі може поводитися дещо парадоксальним чином. Протягом дуже короткого часу теплові характеристики можуть навіть незначно зрости. Початковий шар забруднення злегка шорсткий і руйнує зазвичай гладкий прикордонний шар уздовж стінки труби, створюючи подальшу турбулентність і посилюючи змішування рідини. Ця коротка вигода, однак, недовга. У міру збільшення товщини відкладень ізоляційний ефект шару забруднення переважає над будь-якою перевагою від турбулентності, і продуктивність теплообмінника починає неухильно знижуватися.

Таким чином, зв’язок між коефіцієнтом конвекції ефекту забруднення труби та продуктивністю теплообмінника з ПТФЕ не є простою лінійною деградацією. Забруднення розвивається з часом, спочатку як підсилювач шорсткості, а зрештою як домінуючий тепловий бар’єр.

Що відбувається всередині трубки Teflon®?
Теплові характеристики теплообмінника з ПТФЕ визначаються такими опорами.

Тепло має проходити через:

Прикордонний шар рідини-з боку труби

Будь-яке забруднення

Стінка PTFE труби

Прикордонний шар рідини з боку оболонки

Весь коефіцієнт теплопередачі обмінника базується на загальному термічному опорі, який зазвичай називають значенням U-.

Зі збільшенням забруднення в систему додається додатковий термін опору.

Цей опір спочатку може бути дуже незначним. Але ефект шорсткості поверхні може бути значним на короткий час.

Чому невелике забруднення може покращити теплообмін
Сама трубка PTFE досить гладка. Низька шорсткість поверхні мінімізує падіння тиску, а також адгезію відкладень, але гладкі поверхні також можуть підтримувати досить стабільний ламінарний прикордонний шар у деяких умовах течії.

Текстура внутрішньої поверхні змінюється, коли утворюється дуже тонкий шар забруднення.

Мікроскопічні шорсткості починають з’являтися в потоці рідини і викликають невеликі збурення біля стінки. Ці порушення включають

Додайте локальне занепокоєння

Розбити термічний прикордонний шар

Покращене радіальне змішування рідини

Покращує теплообмін між стінкою та рідиною

Забруднення тимчасово вводить в оману датчики, оскільки теплообмінник може вказувати на тимчасове плато або навіть невелике підвищення видимої теплової продуктивності.

Цей вплив найбільш помітний, коли:

Течія спочатку ламінарна

Числа Рейнольдса близькі до переходу

Оригінальна поверхня PTFE дуже гладка.

Товщина забруднення все ще дуже мала

Цей вплив шорсткості на ранній стадії часто менш виражений на шорстких металевих трубах, оскільки текстура базової поверхні вже турбулентна.

Вплив шорсткості на конвективний теплообмін
Вплив шорсткості поверхні на теплопередачу безпосередньо пов'язаний з поведінкою рідинного тертя.

При аналізі турбулентного потоку шорсткість впливає на:

Коефіцієнт тертя

Стійкість прикордонного шару

Передача імпульсу.

Посилення тепловіддачі

Ті самі фактори, які посилюють перемішування тертям, також впливають на конвективний теплообмін.

Цей зв’язок відображається в подібності між коефіцієнтом тертя та коефіцієнтом теплопередачі в класичній теорії переносу.

Тому невелика шорстка поверхня може збільшити коефіцієнт конвективної теплопередачі -на стороні труби в деяких робочих ситуаціях.

Однак цей позитивний ефект є лише тимчасовим, оскільки електричний опір шару забруднення продовжує зростати з часом.

Коли забруднення зашкалює
Ізоляційні якості потовщення відкладень забруднення стають все більш критичними.

Загалом сам осад має низьку теплопровідність порівняно з рідиною та матеріалами теплообмінника. Таким чином, тепло має пройти через ще один ізоляційний шар, перш ніж воно матиме доступ до основної рідини.

Згодом будь-яка користь від турбулентності затьмарюється теплом, яке виникає через додаткову товщину.

Результати:

Знижене загальне значення U

Нижча швидкість тепловіддачі

Більший температурний підхід

Теплова реакція сповільнюється

Більша нестабільність процесу

У цей момент теплообмінник входить у добре відому довготривалу тенденцію погіршення забруднення, яка спостерігається в промислових системах.

Стійкість до забруднення як тимчасового процесу
Накопичення забруднень рідко відбувається зі стабільною швидкістю.

У багатьох системах стійкість до забруднення відповідає асимптотичній кривій:

Швидке початкове створення-

Повільніше накопичення-в довгостроковій перспективі

зрештою стабілізація до рівноваги

Ці ранні зміни часто є найбільшими відносними змінами шорсткості поверхні та порушення потоку.

Потім відкладення потовщується та ущільнюється, а подальше зростання гальмується силами зсуву та механізмами часткового від’єднання.

Ця асимптотична поведінка стійкості до забруднення може пояснити, чому теплообмінник спочатку може виглядати стабільним, але протягом тривалого періоду експлуатації поступово втрачає теплову ефективність.

Чому теплообмінники з ПТФЕ мають незвичайну поведінку
PTFE теплообмінники мають деякі властивості, які впливають на динаміку забруднення іншим способом порівняно з металевими системами.

Початкова поверхня надзвичайно гладка
Порівняно з багатьма металевими теплообмінними матеріалами, первинні поверхні PTFE дуже гладкі.

Ця низька базова шорсткість призводить до досить суттєвого зміщення ефективної поверхневої текстури від крихітної кількості окалини.

Це робить більш очевидним-ефект посилення шорсткості на ранній стадії.

Низька поверхнева енергія
Антипригарні властивості PTFE запобігають сильному зчепленню відкладень.

Деякі шари забруднення залишаються м'якшими або менш механічно стабільними, ніж відкладення, створені на металевих трубах.

Знижена теплопровідність
PTFE вже має кращий опір стінок, ніж метали, такі як нержавіюча сталь або титан.

Таким чином, додатковий опір забрудненню є відносно більш важливим у всій мережі теплового опору.

Зниження продуктивності може бути особливо очевидним, якщо забруднення дуже густе.

Довгостроковий спадний тренд значення U
Короткостроковий-ефект шорсткості є позитивним, тоді як довгостроковий-забруднення завжди має негативний напрям.

з депозитами, які все ще надходять:

Зменшення діаметра труби

Зміни розподілу потоку

підвищення тиску

Термічний опір підвищується.

ККД теплообмінника падає

На більш високих стадіях забруднення контролювати процес може бути проблематично, оскільки швидкості теплопередачі вже недостатньо для роботи.

Тоді обміннику може знадобитися:

Хімічна чистка

Механічне очищення

Заміна трубок

Оптимізація потоків

Налаштування хімії процесу

Без втручання хронічне забруднення може призвести до незворотного зниження продуктивності.

Важливість регулярного прибирання
«Забруднення є поступовим процесом, тому регулярний моніторинг є ключовим.

Індикатори, які зазвичай відстежуються, включають:

Зниження U-значення

Підвищений перепад тиску

Зниження продуктивності температури на виході

Подовжені періоди нагріву в процесах

Загалом, краще проводити прибирання за графіком, а не чекати, поки накопичиться сильний забруднення.

Для PTFE теплообмінників чисті поверхні труб допомагають підтримувати обидва:

Стаціонарний конвективний теплообмін

Гідравліка з низьким опором

Метою є не лише очищення товстих відкладень, але й уникнення переходу від незначного покращення шорсткості до значної теплоізоляції.

Обростання: динамічне термічне явище
Зв'язок між коефіцієнтом конвекції PTFE теплообмінника та ефектом забруднення труб показує, що забруднення по суті є динамічним, а не статичним.

На початкових етапах турбулентність і передача тепла можуть бути миттєво посилені. Але з часом ізоляційні властивості наносу домінують у поведінці системи.

Ця подвійність ускладнює аналіз забруднення більше, ніж просто припущення безперервного лінійного зниження.

Короткочасні-вимірювання часто можуть вводити в оману, коли обмінник перебуває на перехідній фазі-покращення шорсткості.

Однак довгострокові термічні тенденції показують стійку тенденцію до зростання штрафу через накопичення відкладень.

Висновок.
Забруднення внутрішньої труби в теплообміннику з ПТФЕ має складний і залежний від часу вплив на продуктивність конвективного теплообміну. Спочатку дуже невелике забруднення може ненадовго покращити коефіцієнт конвективної теплопередачі-збоку труби шляхом шорсткості гладкої поверхні PTFE та дещо посилення турбулентності.

Це початкове покращення нетривале-. Товщина забруднення збільшується, відкладення стає більш помітним термічним опором, а загальне значення U- поступово зменшується. Подібно до того, як шорсткість тимчасово збільшує турбулентність, зрештою вона стає ізоляційним бар’єром для переміщення тепла.

Поведінка PTFE-обмінника з коефіцієнтом конвективного забруднення трубки вказує на те, що забруднення не є простою бінарною ситуацією, а радше безперервним тепловим процесом. Трохи приблизних розмірів може на деякий час ввести оператора в оману, але стабільна ефективність теплообмінника в кінцевому рахунку залежить від чистих внутрішніх поверхонь труб. Те, що починається як зручна шорсткість, перетворюється на ізоляційну ковдру.