Ako fungujú guľôčkové turbulátory (balené lôžka) v PTFE trubiciach pre služby s vysokým-zanášaním?

Štandardné turbulátory majú tendenciu sa upchávať kalmi alebo inými silne znečisťujúcimi kvapalinami. Skúmavka je naplnená lôžkom malých pohyblivých guľôčok, ktoré ponúka samočistiaci režim so zlepšeným prenosom tepla a mechanickým odstraňovaním vodného kameňa.

Znečistenie rúrok výmenníka tepla – problém
Povrchy prenášajúce teplo sú náchylné na znečistenie v mnohých chemických, farmaceutických a biospracujúcich aplikáciách. Znečistenie je ukladanie látok, ako sú soli, organické zvyšky, vedľajšie produkty polymerizácie alebo biologické filmy. Tepelný odpor sa výrazne zvyšuje s tvorbou zanášacej vrstvy a často sú potrebné odstávky čistenia. Bežné metódy zväčšovania, ako sú skrútené pásky alebo drôtené zvitky, sú síce užitočné pre čisté tekutiny, ale majú tendenciu zhoršovať problém, pretože vytvárajú štrbiny na prichytenie a množenie usadenín.

V prípade hadičiek z PTFE, ktoré boli vybrané z hľadiska odolnosti voči korózii a chemickej inertnosti, môže byť znečistenie obzvlášť náročné, pretože hydrofóbny povrch PTFE s nízkym -trením znižuje, ale nezabraňuje priľnavosti. Pre vysoko znečistené služby je potrebné agresívnejšie, samočistiace-riešenie.

Ako funguje balené loptičky
Guľový turbulátor je zložené lôžko malých voľných guľôčok, ktoré plnia trubicu. Zvyčajne sú guľôčky vytvorené zo samotného PTFE alebo z keramických materiálov, ako je oxid hlinitý alebo oxid zirkoničitý, ktoré sú plne chemicky kompatibilné s procesnou kvapalinou. Priemery sú zvyčajne 3-8 mm, navrhnuté tak, aby vytvorili lôžko s približne 35-40% percentom dutín. Lôžko je voľne zabalené (guličky nie sú spojené ani zlepené) a držané v trubici sitami alebo perforovanými koncovkami.

Procesná tekutina prechádza trubicou a je nútená prepletať sa kľukatými medzipriestormi medzi guľôčkami. Výsledkom sú veľmi vysoké lokálne rýchlosti a silné turbulencie pri nízkych globálnych prietokoch. Ešte dôležitejšie je, že samotné gule nie sú v pokoji. Pohybom tekutiny sa tlačia a otáčajú a občas narážajú do vnútornej steny PTFE trubice. Údery sú nízkoenergetické a fyzicky odstránia všetky nánosy, ktoré sa začnú hromadiť, a udržia stenu čistú.

V dizajne PTFE trubice s baleným lôžkom s guľovým turbulátorom je proces prenosu tepla dvojitý. Po prvé, chaotická dráha toku naruší vrstvu tepelnej bariéry oveľa efektívnejšie ako akákoľvek statická vložka. Po druhé, neustály kontakt steny s rotujúcimi guľôčkami poskytuje dodatočnú priamu vodivú dráhu a prenos hybnosti, čím sa podstatne zvyšuje koeficient prestupu tepla.

Výkonnostné charakteristiky Prenos tepla vs. strata tlaku
Guľové turbulátory môžu mať veľmi vysoké koeficienty prestupu tepla, často 2- až 4-krát vyššie ako prázdna trubica za rovnakých podmienok prúdenia. Zväčšenie Nusseltovho čísla je porovnateľné s rozšírením tesne skrútenej páskovej vložky, ale s dôležitou pridanou výhodou neustáleho čistenia stien.

Pokles tlaku je významným kompromisom-. Naplnené lôžko spôsobuje veľký prietokový odpor. Pokles tlaku je zvyčajne 5 až 15-krát väčší ako pri prázdnej trubici v závislosti od priemeru gule, hustoty balenia a rýchlosti prúdenia. Preto sa táto technika používa len pre tie služby, kde je znečistenie hlavným obmedzením dostupnosti závodu. Za takýchto okolností je pridaná čerpacia energia odôvodnená odstránením neplánovaných odstávok čistenia, zníženou údržbou a stabilným tepelným výkonom počas dlhých dĺžok.

Výhoda mesiacov prevádzky bez čistenia rúr v špecializovaných aplikáciách, ako je ohrev viskóznych polymérnych suspenzií alebo rekuperácia tepla z kryštalizačných roztokov alebo spracovanie biologických bujónov s vysokým obsahom bunkového odpadu, kompenzuje vyššiu spotrebu energie. Guľôčkové turbulátory sa zriedka používajú v prevádzke čistých tekutín, pretože jednoduchšie aktualizácie s nižšími tlakovými stratami sú lacnejšie.

Odolnosť voči fluidizácii a retencia lôžka
Guľôčky musia zostať v trubici, nie byť vytlačené prúdom. Pri nízkych rýchlostiach prúdenia je lôžko ľahko upchaté a nepohybuje sa inak ako lokálne. Ale keď sa rýchlosť zvýši, odporová sila na guľôčky môže spôsobiť, že sa celé lôžko roztiahne a začne fluidizovať, alebo pôsobiť ako fluidné lôžko s guľôčkami zavesenými v prúde.

Úplná fluidizácia je normálne v rúrke výmenníka tepla nežiaduca, pretože potom guľôčky narážajú na steny menej často a môžu byť vyfúknuté z konca rúrky. Lôžko je teda vo všeobecnosti ohraničené zádržnou clonou na odtoku. Ďalej je dĺžka rúrky taká, že celkový pokles tlaku naprieč lôžkom udržuje povrchovú rýchlosť pod minimálnou rýchlosťou fluidizácie (Umf). V prípade guľôčok z PTFE vo vode-ako kvapalinách sa Umf dosahuje pri rýchlostiach 0,5 – 1,0 m/s v závislosti od veľkosti a hustoty guľôčky. Pri keramických guličkách (väčšia hustota) sa Umf objavuje pri vyšších rýchlostiach. Umf je tesne pod miestom, kde bežne pracujú dizajnéri, kde sú loptičky v „zbalenom, ale rozrušenom“ stave – otáčajú sa a šúchajú o seba ao stenu, ale nie sú zavesené.

Výber materiálu na lopty
Samozrejmou odpoveďou sú PTFE guľôčky pre PTFE trubice, aby sa zachovala rovnaká chemická inertnosť a nepriľnavosť-. Majú hustotu približne 2,2 g/cm3, oveľa vyššiu ako voda alebo organické rozpúšťadlá, a tak zostávajú usadené v skúmavke. Guľôčky PTFE sú také mäkké, že nepoškodia stenu trubice ani po miliónoch kolízií.

Keramické guľôčky (napr. . 99.5 % oxidu hlinitého, hustota ~3,9 g/cm3) sa používajú tam, kde je potrebná vyššia hmotnosť guľôčky na zvýšenie nárazovej sily pri tvrdých nánosoch, alebo tam, kde procesná teplota presahuje 110 stupňový limit PTFE (keramika funguje až do 300 stupňov ). Keramika je tiež odolnejšia a poskytuje energickejšie čistenie. Je však potrebné dbať na to, aby keramická látka neodierala stenu PTFE trubice po dlhú dobu. V praxi je bežné použitie PTFE guľôčok pre väčšinu chemických služieb a keramických guľôčok pre vysoké teploty alebo obzvlášť húževnaté nečistoty.

Navrhovanie pre prax
Pri konštrukcii lôžka s guľovým turbulátorom pre PTFE trubicu sú optimalizované nasledujúce parametre:

Priemer gule: 3-5 mm pre malé rúrky (10-20 mm ID); 6-8 mm pre väčšie rúry (25-40 mm ID). Menšie guľôčky majú viac kontaktných bodov so stenou, ale majú väčší pokles tlaku.

Dĺžka lôžka: typicky 10-30 priemerov trubice. Dlhšie lôžka znamenajú väčší prenos tepla, ale zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje strata tlaku.

Prázdny zlomok: ~ 0,35-0,40 pre homogénne guľôčky v náhodnom tesne zbalení. Dá sa to upraviť zmiešaním guľôčok rôznych veľkostí, ale robí sa to len zriedka.

Spôsob uchytenia: Perforované kotúče z PTFE alebo PFA na oboch koncoch, priemer otvoru menší ako priemer gule. Vstupný kotúč zabraňuje vymršteniu guľôčok v dôsledku prúdenia.

Čistenie je obzvlášť účinné pri odstraňovaní mäkkých, želatínových alebo kryštalických usadenín. Guľôčkové turbulátory nie sú také účinné pri tvrdom, pripečenom-kokse alebo vodnom kameni, pretože údery s nízkou energiou{2}} nedokážu uvoľniť pevne priľnuté usadeniny. Takéto prípady však vyžadujú pravidelné chemické čistenie.

Porovnanie iných techník vylepšenia v odstraňovaní nečistôt
Metóda Zlepšenie prenosu teplaZvýšenie poklesu tlaku Zmiernenie znečistenia
Prázdne potrubie, hladké Zlá základná línia
Vložka skrútenej pásky 100-150% 200-600%Žiadne (často sa zhoršuje)
Vlnitá trubica 20–60 % 30–100 % Menšia (zníženie priľnavosti)
Guľový turbulátor (zabalené lôžko) 100-300% 500-1500%Výborný (priebežné čistenie)
Záver
Guľôčkové turbulátory sú špecializovanou, ale veľmi efektívnou možnosťou na zlepšenie prenosu tepla pri silne znečistených službách. Tieto voľne balené lôžka malých PTFE alebo keramických guľôčok v PTFE rúrkach sú inštalované v procesnom prúde. Vytvorením zložitých, turbulentných prúdových vzorov a nepretržitým umývaním steny rúrky jemnými nárazmi udržujú povrchy prenášajúce teplo čisté a umožňujú dlhú dobu neprerušovanej prevádzky. Postih za veľký pokles tlaku obmedzuje ich použitie na situácie, kde by znečistenie normálne spôsobilo opakované odstávky. Rôzne metódy zlepšovania vyhovujú rôznym prevádzkovým problémom, avšak pre procesy s vysokým znečistením a vysokou hodnotou poskytuje lôžko s guľovým turbulátorom jedinečnú kombináciu tepelného výkonu a spoľahlivosti samočistenia.