Kako loptasti turbulatori (upakovani kreveti) rade u PTFE cijevima za usluge visokog{0}}prljanja?

Standardni turbulatori imaju tendenciju da se začepe muljom ili drugim tečnostima koje su jako prljave. Cijev je ispunjena slojem malih pokretnih sfera koji nudi način-samočišćenja, sa poboljšanim prijenosom topline i mehaničkim uklanjanjem kamenca.

Zaprljanje cijevi izmjenjivača topline – problem
Površine za prijenos topline su sklone prljanju u mnogim kemijskim, farmaceutskim i bioprocesnim primjenama. Zagađivanje je taloženje tvari kao što su soli, organski ostaci, nusprodukti polimerizacije ili biološki filmovi. Toplinska otpornost se značajno povećava sa formiranjem sloja zaprljanja, a često je potrebno zaustavljanje čišćenja. Konvencionalne metode povećanja, kao što su upletene trake ili namotaji žice, iako su korisne za čiste tekućine, imaju tendenciju da pogoršaju problem jer stvaraju pukotine za pričvršćivanje i razmnožavanje naslaga.

Za PTFE cijevi, koje su odabrane zbog otpornosti na koroziju i kemijske inertnosti, zaprljavanje može biti posebno teško jer hidrofobna površina PTFE-a niskog{0}}trenja smanjuje, ali ne sprječava prianjanje. Za visoko zagađene usluge potrebno je agresivnije rješenje za samočišćenje-.

Kako funkcionira prepuna loptica
Kuglasti turbulator je zbijeni sloj malih labavih kuglica koje ispunjavaju cijev. Obično su kuglice formirane od samog PTFE-a ili od keramičkih materijala kao što su glinica ili cirkonijum, koji su potpuno hemijski kompatibilni sa procesnim fluidom. Promjeri su obično 3-8 mm, dizajnirani za proizvodnju kreveta s oko 35-40% procenta praznine. Krevet je labavo nabijen (kuglice nisu spojene niti zalijepljene) i drže se u cijevi sitama ili perforiranim završnim poklopcima.

Procesna tečnost prolazi kroz cijev i prisiljena je da plete kroz vijugave međuprostore između kuglica. To rezultira vrlo visokim lokalnim brzinama i jakom turbulencijom, pri niskim globalnim brzinama protoka. Što je još važnije, same lopte ne miruju. Oni se guraju i rotiraju kretanjem tečnosti i povremeno udaraju o unutrašnji zid PTFE cijevi. Udarci su niske energije i fizički uklanjaju sve naslage koje se počnu stvarati održavajući zid čistim.

U dizajnu PTFE cijevi sa nabijenim krevetom s kugličnim turbulatorom, proces prijenosa topline je dvostruk. Prvo, haotični put toka remeti sloj termalne barijere daleko efikasnije nego bilo koji statički umetak. Drugo, neprekidni kontakt zida sa rotirajućim kuglicama obezbeđuje dodatni direktni provodni put i prenos momenta, čime se značajno povećava koeficijent prenosa toplote.

Karakteristike performansi Prijenos topline u odnosu na gubitak tlaka
Kuglični turbulatori mogu imati vrlo visoke koeficijente prijenosa topline, često 2 do 4 puta veći od prazne cijevi za iste okolnosti protoka. Povećanje Nusselt broja je uporedivo sa onim kod čvrsto uvijenog umetka trake, ali sa važnom dodatnom pogodnošću kontinuiranog čišćenja zida.

Pad pritiska je veliki problem-. Nabijeni sloj uzrokuje veliki otpor protoka. Pad tlaka je obično 5 do 15 puta veći od 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, dodatna energija pumpanja opravdana je uklanjanjem neplaniranih prekida čišćenja, smanjenim radom na održavanju i stabilnim termičkim performansama tokom dugih dužina rada.

Prednost mjeseci rada bez čišćenja cijevi u specijaliziranim aplikacijama kao što je zagrijavanje viskoznih polimernih kaša ili povrat topline iz kristalizirajućih otopina ili obrada bioloških bujona koji sadrže visok sadržaj ćelijskih ostataka nadoknađuje veću potrošnju energije. Kuglični turbulatori se rijetko koriste u servisu čistih fluida jer su jednostavnije nadogradnje s manjim padom tlaka jeftinije.

Otpornost na fluidizaciju i zadržavanje sloja
Kuglice moraju ostati u cijevi, a ne biti istisnute strujom. Pri malim brzinama protoka ležište je lagano zbijeno i ne pomiče se drugačije osim lokalno. Ali kada se brzina poveća, sila otpora na kuglice može učiniti da se cijeli sloj proširi i počne fluidizirati, ili se ponašati kao fluidizirani sloj s kuglicama suspendiranim u toku.

Potpuna fluidizacija je obično nepoželjna u cijevi izmjenjivača topline, jer će tada kuglice rjeđe udarati o zidove i mogu se ispuhati s kraja cijevi. Prema tome, korito je općenito omeđeno zaštitnim zaslonom na izlazu. Nadalje, dužina cijevi je takva da ukupni pad tlaka u sloju održava površinsku brzinu ispod minimalne brzine fluidizacije (Umf). Za PTFE kuglice u tečnostima poput vode{3}}Umf se postiže pri brzinama od 0,5-1,0 m/s u zavisnosti od veličine i gustine kuglice. Za keramičke kuglice (veće gustine) Umf se pojavljuje pri većim brzinama. Umf je odmah ispod mjesta gdje dizajneri obično rade, gdje su lopte u "spakovanom, ali uznemirenom" stanju - okreću se i trljaju jedna o drugu i zid, ali nisu okačene.

Izbor materijala za loptice
Očigledan odgovor su, naravno, PTFE kuglice za PTFE cijevi, kako bi se zadržala ista hemijska inertnost i{0}}neljepljive kvalitete. Imaju gustinu od oko 2,2 g/cm3, mnogo veću od vode ili organskih rastvarača, i tako ostaju taloženi u cevi. PTFE kuglice su toliko mekane da neće oštetiti zid cijevi čak ni nakon miliona sudara.

Keramičke kuglice (npr. . 99.5% glinice, gustina ~3,9 g/cm3) se koriste tamo gdje je potrebna veća težina kugle da bi se povećala sila udarca za čvrste naslage, ili gdje temperatura procesa prelazi granicu od 110 stepeni PTFE (keramika radi do 300 stepeni). Keramika je takođe čvršća, pružajući snažnije čišćenje. Ali mora se voditi računa da keramička supstanca ne istroši zid PTFE cijevi tokom dužeg vremenskog perioda. U praksi je uobičajena upotreba PTFE kuglica za većinu hemijskih usluga i keramičkih kuglica za visoke temperature ili posebno otporna prljanja.

Dizajniranje za praksu
U dizajnu ležaja sa kugličnim turbulatorom za PTFE cijev, optimizirani su sljedeći parametri:

Prečnik kugle: 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 tačaka sa zidom, ali imaju veći pad pritiska.

Dužina kreveta: tipično 10-30 promjera cijevi. Duži slojevi znače veći prijenos topline, ali se shodno tome povećava i gubitak tlaka.

Udio praznine: ~ 0,35-0,40 za homogene sfere u nasumičnom zbijenom pakovanju. Ovo se može podesiti miješanjem kuglica različitih veličina, ali se to rijetko radi.

Metoda držanja: perforirani diskovi od PTFE ili PFA na oba kraja, prečnik otvora manji od prečnika kuglice. Ulazni disk sprečava izbacivanje loptica usled prenapona protoka.

Akcija ribanja je posebno efikasna u eliminaciji mekih, želatinoznih ili kristalnih naslaga. Kuglični turbulatori nisu toliko efikasni za tvrde, pečene-na koksu ili kamencu, jer nisko-energijski udarci ne mogu ukloniti čvrsto prianjajuće naslage. Takvi slučajevi ipak zahtijevaju periodično hemijsko čišćenje.

Poređenje drugih tehnika poboljšanja u uslugama obraštanja
Metoda Poboljšanje prijenosa topline Povećanje pada tlaka Ublažavanje onečišćenja
Prazna cijev, glatka Loša osnovna linija Osnovna linija
Upletena traka 100-150% 200-600%Nema (često pogoršava)
Valovita cijev 20–60% 30–100% Manja (smanjenje prianjanja)
Ball Turbulator (Upakovani krevet) 100-300% 500-1500% Odličan (čišćenje u toku)
Zaključak
Kuglični turbulatori su niša, ali veoma efikasna opcija za poboljšanje prenosa toplote na servisima sa velikim zagađenjem. Ovi labavo zbijeni slojevi malih PTFE ili keramičkih kuglica u PTFE cijevima se ugrađuju u procesni tok. Uspostavljanjem složenih, turbulentnih obrazaca strujanja i kontinuiranim pranjem stijenke cijevi blagim udarima, održavaju površine za prijenos topline čistima i omogućavaju duge periode neprekidnog rada. Velika kazna za pad pritiska ograničava njihovu upotrebu na situacije u kojima bi kvar obično uzrokovao ponovljena isključenja. Različite metode poboljšanja odgovaraju različitim operativnim problemima, međutim za procese visoke vrijednosti i visoke vrijednosti, ležaj sa kugličnim turbulatorom pruža neusporedivu kombinaciju termičkih performansi i-pouzdanosti samočišćenja.