Cum funcționează turbulatoarele cu bile (paturi împachetate) în tuburile PTFE pentru servicii de-fouling înalt?

Turbulatoarele standard tind să se înfunde cu nămoluri sau alte lichide puternic murdare. Tubul este umplut cu un pat de mici sfere mobile care oferă un mod de auto-curățare, cu îmbunătățire a transferului de căldură și detartrare mecanică.

Murdărirea tuburilor schimbătoare de căldură – problema
Suprafețele de transfer de căldură sunt predispuse la murdărire în multe aplicații chimice, farmaceutice și de bioprocesare. Murdarea este depunerea unor substanțe precum săruri, reziduuri organice, produse secundare de polimerizare sau pelicule biologice. Rezistența termică crește semnificativ odată cu formarea unui strat de murdărie, iar opririle de curățare sunt adesea necesare. Metodele convenționale de mărire, cum ar fi benzile răsucite sau bobinele de sârmă, deși sunt utile pentru fluidele curate, tind să agraveze problema, deoarece creează crăpături pentru atașarea și proliferarea depozitelor.

Pentru tubulatura PTFE, care a fost selectată pentru rezistența la coroziune și inerția chimică, murdărirea poate fi deosebit de dificilă, deoarece suprafața hidrofobă, cu frecare redusă-a PTFE scade, dar nu împiedică, aderența. Pentru serviciile foarte murdare, este nevoie de o soluție mai agresivă, de auto{2}}curățare.

Cum funcționează un pat plin de bile
Un turbulator cu bile este un pat plin de mici sfere libere care umplu tubul. De obicei, bilele sunt formate din PTFE propriu-zis sau din materiale ceramice, cum ar fi alumina sau zirconia, care sunt complet compatibile chimic cu fluidul de proces. Diametrele sunt de obicei de 3–8 mm, concepute pentru a produce un pat cu aproximativ 35–40% procent de gol. Patul este împachetat lejer (bilele nu sunt topite sau lipite între ele) și ținute în tub de ecrane sau capace perforate.

Fluidul de proces trece prin tub și este forțat să se împletească prin spațiile interstițiale sinuoase dintre bile. Acest lucru are ca rezultat viteze locale foarte mari și turbulențe puternice, la debite globale scăzute. Mai important, bilele în sine nu sunt în repaus. Ele sunt împins și rotite de mișcarea fluidului și se lovesc ocazional de peretele interior al tubului PTFE. Loviturile au energie scăzută și curățează fizic orice depozit care începe să se formeze, păstrând peretele curat.

Într-un design de tub PTFE cu pat pliat, cu un turbulator cu bile, procesul de transfer de căldură este dublu. În primul rând, calea fluxului haotic perturbă stratul de barieră termică mult mai eficient decât orice inserție statică. În al doilea rând, contactul necontenit al peretelui cu bilele rotative asigură o cale conductivă suplimentară directă și un transfer de impuls, sporind astfel substanțial coeficientul de transfer de căldură.

Caracteristici de performanță Transfer de căldură vs pierdere de presiune
Turbulatoarele cu bile pot avea coeficienți de transfer de căldură foarte mari, frecvent de 2 până la 4 ori mai mari decât cei ai unui tub gol, pentru aceleași circumstanțe de debit. Creșterea numărului Nusselt este comparabilă cu cea a unei inserții de bandă strâns răsucite, dar cu avantajul suplimentar important al curățării continue a pereților.

Căderea presiunii este un schimb-important. Patul umplut determină rezistență mare la curgere. Scăderile presiunii sunt de obicei de 5 până la 15 ori mai mari decât ale unui tub gol, în funcție de diametrul bilei, densitatea de împachetare și viteza de curgere. Prin urmare, tehnica este utilizată numai pentru acele servicii în care murdărirea este principala constrângere a disponibilității instalației. În astfel de circumstanțe, adaosul de energie de pompare este justificat prin eliminarea întreruperilor neprogramate de curățare, scăderea forței de muncă de întreținere și performanța termică constantă pe durate lungi.

Beneficiul lunilor de funcționare fără curățarea tuburilor în aplicații specializate, cum ar fi încălzirea suspensiilor vâscoase de polimeri sau recuperarea căldurii din soluții de cristalizare sau procesarea bulionului biologic cu conținut ridicat de resturi celulare compensează consumul mai mare de energie. Turbulatoarele cu bile sunt rareori utilizate în serviciul de fluide curate, deoarece upgrade-urile mai simple cu căderi mai mici de presiune sunt mai ieftine.

Rezistență la fluidizare și reținere în pat
Bilele trebuie să rămână în tub, să nu fie împinse afară de flux. La viteze mici de curgere, patul este ușor împachetat și nu se mișcă decât local. Dar când viteza crește, forța de rezistență asupra bilelor poate face ca întregul pat să se extindă și să înceapă să se fluidizeze sau să acționeze ca un pat fluidizat cu bilele suspendate în flux.

Fluidizarea completă este în mod normal nedorită într-un tub schimbător de căldură, deoarece atunci bilele vor lovi mai rar pereții și pot fi suflate din capătul tubului. Astfel, patul este în general delimitat de un ecran de reținere la ieșire. În plus, lungimea tubului este de așa natură încât scăderea presiunii totale de-a lungul patului menține viteza de suprafață sub viteza minimă de fluidizare (Umf). Pentru bilele de PTFE în lichide-cum ar fi apa, Umf este atins la viteze de 0,5-1,0 m/s, în funcție de dimensiunea și densitatea bilei. Pentru bilele ceramice (densitate mai mare) Umf apare la viteze mai mari. Umf este chiar sub locul unde lucrează în mod obișnuit designerii, unde bilele sunt într-o stare „ambalată, dar agitată” -- se rotesc și se freacă una de cealaltă și de perete, dar nu sunt suspendate.

Alegerea materialului pentru mingi
Răspunsul evident este, desigur, bilele de PTFE pentru tuburile din PTFE, pentru a păstra aceeași inerție chimică și calități non{0}}aderente. Au o densitate de aproximativ 2,2 g/cm3, mult mai mare decât apa sau solvenții organici, și astfel rămân depuse în tub. Bilele din PTFE sunt atât de moi încât nu vor deteriora peretele tubului nici după milioane de ciocniri.

Bilele ceramice (de exemplu, . 99.5% alumină, densitate ~3,9 g/cm3) sunt folosite acolo unde este necesară o greutate mai mare a bilei pentru a spori forța de impact pentru depozitele dure sau când temperatura procesului depășește limita de 110 de grade a PTFE (ceramica funcționează până la 300 de grade). Ceramica este, de asemenea, mai rezistentă, oferind o acțiune de curățare mai viguroasă. Dar trebuie avut grijă ca substanța ceramică să nu abrazeze peretele tubului PTFE pe perioade lungi de timp. În practică, este obișnuită utilizarea bilelor de PTFE pentru majoritatea serviciilor chimice și a bilelor ceramice pentru temperaturi ridicate sau murdări deosebit de tenace.

Proiectare pentru practică
În proiectarea unui pat cu turbulator cu bile pentru un tub PTFE, următorii parametri sunt optimizați:

Diametru bile: 3-5 mm pentru tuburi mici (10-20 mm ID); 6-8 mm pentru tuburi mai mari (25-40 mm ID). Bilele mai mici au mai multe puncte de contact cu peretele, dar au cădere de presiune mai mare.

Lungimea patului: de obicei 10-30 diametre de tub. Paturile mai lungi înseamnă mai mult transfer de căldură, dar pierderea de presiune crește în mod corespunzător.

Fracție goală: ~ 0,35-0,40 pentru sfere omogene în împachetare apropiată aleatorie. Acest lucru poate fi ajustat amestecând bile de diferite dimensiuni, dar se face rar.

Metoda de reținere: Discuri perforate din PTFE sau PFA la ambele capete, diametrul găurii mai mic decât diametrul bilei. Discul de intrare previne ejectarea bilelor de la supratensiunile de curgere.

Acțiunea de curățare este deosebit de eficientă în eliminarea depunerilor moi, gelatinoase sau cristaline. Turbulatoarele cu bile nu sunt la fel de eficiente pentru tari, coapte-pe cocs sau sol, deoarece loviturile cu energie scăzută-nu pot disloca depunerile strâns aderente. Astfel de cazuri necesită totuși o curățare chimică periodică.

Comparația altor tehnici de îmbunătățire în serviciile de murdărie
Metodă Îmbunătățirea transferului de căldură Creșterea căderii de presiune Atenuarea murdăriei
Conductă goală, netedă Linie de bază proastă
Inserție de bandă răsucită 100-150% 200-600%Niciuna (de multe ori agravează)
Tub ondulat 20–60% 30–100% Minor (scăderea aderenței)
Ball Turbulator (pat umplut) 100-300% 500-1500% Excelent (curățare continuă)
Concluzie
Turbulatoarele cu bile sunt o opțiune de nișă, dar foarte eficientă pentru îmbunătățirea transferului de căldură în serviciile cu murdărie severă. Aceste paturi slab împachetate de PTFE mici sau bile ceramice în tuburi de PTFE sunt instalate în fluxul de proces. Prin stabilirea unor modele de curgere complexe și turbulente și prin spălarea continuă a peretelui tubului prin loviri ușoare, acestea mențin suprafețele de transfer de căldură curate și permit perioade lungi de funcționare neîntreruptă. Penalizarea mare a căderii de presiune limitează utilizarea acestora la situațiile în care murdărirea ar cauza în mod normal opriri repetate. Diferite metode de îmbunătățire se potrivesc diferitelor probleme operaționale, cu toate acestea, pentru procese cu murdărire ridicată, cu valoare ridicată, patul cu turbulator cu bile oferă o combinație de neegalat de performanță termică și fiabilitate de auto-curățare.