Kā lodīšu turbulatori (sapakotas gultas) darbojas PTFE caurulēs, ja ir liela{0}}netīrība?

Standarta turbulatori mēdz aizsērēt ar putrām vai citiem stipri piesārņojošiem šķidrumiem. Caurule ir piepildīta ar mazu kustīgu sfēru gultni, kas piedāvā pašattīrīšanās-režīmu ar siltuma pārneses uzlabošanu un mehānisku atkaļķošanu.

Siltummaiņa cauruļu piesārņojums — problēma
Siltuma pārneses virsmas ir pakļautas netīrumiem daudzos ķīmiskās, farmācijas un bioapstrādes lietojumos. Piesārņošanās ir vielu, piemēram, sāļu, organisko atlikumu, polimerizācijas blakusproduktu vai bioloģisko plēvju nogulsnēšanās. Termiskā pretestība ievērojami palielinās, veidojoties piesārņojuma slānim, un tīrīšanas izslēgšanas ir nepieciešamas bieži. Tradicionālās palielināšanas metodes, piemēram, savītas lentes vai stiepļu spoles, lai arī palīdz tīriem šķidrumiem, mēdz saasināt problēmu, jo tās rada plaisas nogulšņu piestiprināšanai un savairošanai.

PTFE caurulēm, kas ir izvēlētas, lai nodrošinātu izturību pret koroziju un ķīmisko inerci, piesārņojums var būt īpaši sarežģīts, jo PTFE hidrofobā, zemas{0}berzes virsma samazina, bet nenovērš saķeri. Ļoti netīriem pakalpojumiem ir nepieciešams agresīvāks, pašattīrošs-risinājums.

Kā darbojas pildīta bumbiņu gulta
Lodveida turbulators ir mazu, vaļīgu sfēru komplekts, kas aizpilda cauruli. Parasti lodītes tiek veidotas no paša PTFE vai no keramikas materiāliem, piemēram, alumīnija oksīda vai cirkonija oksīda, kas ir pilnībā ķīmiski saderīgi ar procesa šķidrumu. Diametrs parasti ir 3–8 mm, lai izveidotu gultu ar aptuveni 35–40% tukšuma procentu. Gulta ir brīvi iepakota (bumbiņas nav sapludinātas vai salīmētas kopā) un turētas caurulē ar sietiem vai perforētiem gala vāciņiem.

Procesa šķidrums plūst cauri caurulei un ir spiests cauri līkumotajām intersticiālajām telpām starp bumbiņām. Tas rada ļoti lielus vietējos ātrumus un spēcīgu turbulenci pie zemiem globālajiem plūsmas ātrumiem. Vēl svarīgāk ir tas, ka pašas bumbas neatrodas miera stāvoklī. Šķidruma kustība tos grūda un griež, un laiku pa laikam ietriecas PTFE caurules iekšējā sienā. Tīti ir zemas enerģijas un fiziski notīra visas nogulsnes, kas sāk veidoties, saglabājot sienu tīru.

Iepakotas gultas PTFE caurules dizainā ar lodveida turbulatoru siltuma pārneses process ir divkāršs. Pirmkārt, haotiskais plūsmas ceļš izjauc termiskās barjeras slāni daudz efektīvāk nekā jebkurš statisks ieliktnis. Otrkārt, nepārtraukts sienas kontakts ar rotējošām bumbiņām nodrošina papildu tiešu vadošu ceļu un impulsa pārnesi, tādējādi būtiski uzlabojot siltuma pārneses koeficientu.

Veiktspējas raksturlielumi Siltuma pārnese pret spiediena zudumu
Lodveida turbulatoriem var būt ļoti augsts siltuma pārneses koeficients, bieži vien 2 līdz 4 reizes lielāks nekā tukšai caurulei tādos pašos plūsmas apstākļos. Nusselt skaitļa palielinājums ir salīdzināms ar cieši savītas lentes ieliktņa palielinājumu, taču tam ir svarīga papildu priekšrocība, ko sniedz nepārtraukta sienu tīrīšana.

Spiediena kritums ir liels kompromiss{0}}. Iepakota gulta rada lielu plūsmas pretestību. Atkarībā no lodītes diametra, blīvuma un plūsmas ātruma spiediena pazemināšanās parasti ir 5 līdz 15 reizes lielāka nekā tukšā caurulē. Tādējādi šo paņēmienu izmanto tikai tiem pakalpojumiem, kur piesārņojums ir galvenais iekārtas pieejamības ierobežojums. Šādos apstākļos pievienotā sūknēšanas enerģija ir attaisnojama ar neplānotu tīrīšanas pārtraukumu novēršanu, samazinātu apkopes darbu un stabilu siltuma veiktspēju ilgā darbības laikā.

Mēnešu darbības priekšrocības bez cauruļu tīrīšanas specializētos lietojumos, piemēram, viskozu polimēru vircas karsēšanā vai siltuma atgūšanā no kristalizācijas šķīdumiem vai bioloģisko buljonu apstrādē, kas satur lielu šūnu atlieku saturu, kompensē lielāku enerģijas patēriņu. Lodīšu turbulatori reti tiek izmantoti tīra šķidruma apkalpošanā, jo vienkāršāki jauninājumi ar zemākiem spiediena kritumiem ir lētāki.

Fluidizācijas izturība un gultas noturība
Bumbiņām jāpaliek caurulē, tās nedrīkst izspiest plūsma. Pie zema plūsmas ātruma gultne ir viegli saspiesta un nepārvietojas citādi, kā tikai lokāli. Bet, kad ātrums palielinās, pretestības spēks uz bumbām var likt visai gultnei izplesties un sākt šķidrināties vai darboties kā verdošā gultnē ar bumbiņām, kas suspendētas plūsmā.

Pilnīga fluidizācija siltummaiņa caurulē parasti nav vēlama, jo tad bumbiņas retāk atsitīsies pret sienām un var tikt izpūstas no caurules gala. Tādējādi gultni parasti ierobežo aizturošs siets pie izplūdes. Turklāt caurules garums ir tāds, ka kopējais spiediena samazinājums gultā uztur virsmas ātrumu zem minimālā fluidizācijas ātruma (Umf). PTFE bumbiņām ūdenī -līdzīgos šķidrumos Umf tiek sasniegts ar ātrumu 0,5–1,0 m/s atkarībā no lodītes izmēra un blīvuma. Keramikas bumbiņām (lielāks blīvums) Umf parādās ar lielāku ātrumu. Umf atrodas tieši zem vietas, kur parasti strādā dizaineri, kur bumbiņas atrodas "iesaiņotas, bet satrauktas" stāvoklī — griežas un berzē viena pret otru un sienu, bet nav piekārtas.

Materiāla izvēle bumbiņām
Acīmredzamā atbilde, protams, ir PTFE bumbiņas PTFE caurulēm, lai saglabātu tādu pašu ķīmisko inerci un ne{0}}pielipšanas īpašības. To blīvums ir aptuveni 2,2 g/cm3, kas ir daudz lielāks nekā ūdens vai organisko šķīdinātāju, un tāpēc tie paliek nosēdušies mēģenē. PTFE bumbiņas ir tik mīkstas, ka tās nesabojās caurules sieniņu pat pēc miljoniem sadursmju.

Keramikas lodītes (piem., . 99.5% alumīnija oksīda, blīvums ~3,9 g/cm3) tiek izmantotas vietās, kur ir nepieciešams lielāks lodīšu svars, lai palielinātu trieciena spēku izturīgām nogulsnēm, vai ja procesa temperatūra pārsniedz PTFE 110 grādu robežu (keramika darbojas līdz 300 grādiem). Keramika ir arī izturīgāka, nodrošinot enerģiskāku tīrīšanas darbību. Taču ir jāuzmanās, lai keramikas viela ilgstoši nenoberztu PTFE caurules sieniņu. Praksē parasti tiek izmantotas PTFE bumbiņas lielākajai daļai ķīmisko pakalpojumu un keramikas lodīšu izmantošana augstas temperatūras vai īpaši izturīgas piesārņošanas gadījumā.

Projektēšana praksei
Izstrādājot lodveida turbulatora pildījumu PTFE caurulei, ir optimizēti šādi parametri:

Bumbiņas diametrs: 3-5 mm mazām caurulēm (10-20 mm ID); 6-8 mm lielākām caurulēm (25-40 mm ID). Mazajām bumbiņām ir vairāk saskares punktu ar sienu, bet tām ir lielāks spiediena kritums.

Gultas garums: parasti 10-30 cauruļu diametri. Garākas gultas nozīmē lielāku siltuma pārnesi, bet attiecīgi palielinās spiediena zudums.

Nederīgā daļa: ~ 0,35-0,40 viendabīgām sfērām nejauši slēgtā iepakojumā. To var pielāgot, sajaucot dažāda izmēra bumbiņas, bet tas tiek darīts reti.

Noturēšanas metode: perforēti PTFE vai PFA diski abos galos, cauruma diametrs ir mazāks par lodītes diametru. Ievades disks novērš bumbiņu izmešanu no plūsmas pārspriegumiem.

Tīrīšanas darbība ir īpaši efektīva, lai novērstu mīkstus, želatīna vai kristāliskus piesārņojuma nogulsnes. Lodīšu turbulatori nav tik efektīvi cietiem, ceptiem-uz koksa vai katlakmens, jo zemas-enerģijas triecieni nevar izkustināt cieši pielipušās nogulsnes. Šādos gadījumos tomēr ir nepieciešama periodiska ķīmiska tīrīšana.

Citu uzlabošanas metožu salīdzinājums piesārņojuma pakalpojumos
Metode Siltuma pārneses uzlabošana Spiediena krituma palielināšana, piesārņojuma mazināšana
Tukša caurule, gludaBad Baseline Baseline
Vītā lentes ieliktnis 100-150% 200-600% Nav (bieži pasliktina)
Gofrēta caurule 20–60% 30–100% Neliela (samazināta saķere)
Bumbu turbulators (iepakota gulta) 100-300% 500-1500% Lieliski (pastāvīga tīrīšana)
Secinājums
Lodīšu turbulatori ir niša, bet ļoti efektīva iespēja siltuma pārneses uzlabošanai gadījumos, kad tiek veikti nopietni netīrumi. Šīs brīvi iepakotas mazo PTFE vai keramikas lodīšu gultas PTFE caurulēs ir uzstādītas procesa plūsmā. Izveidojot sarežģītus, turbulentus plūsmas modeļus un nepārtraukti mazgājot caurules sienu ar viegliem triecieniem, tie uztur siltuma pārneses virsmas tīras un nodrošina ilgu nepārtrauktu darbību. Lielais spiediena krituma sods ierobežo to izmantošanu situācijās, kad piesārņojums parasti izraisa atkārtotu izslēgšanu. Dažādas uzlabošanas metodes ir piemērotas dažādām darbības problēmām, tomēr augstas piesārņojuma un augstas vērtības procesiem lodīšu turbulatora slāņa nodrošina nepārspējamu termiskās veiktspējas un pašattīrīšanās uzticamības kombināciju.