توربولاتورهای توپ (تخت‌های بسته‌بندی شده) در لوله‌های PTFE برای سرویس‌های رسوب{0} بالا چگونه کار می‌کنند؟

توربولاتورهای استاندارد تمایل دارند با دوغاب یا سایر مایعات به شدت آلوده مسدود شوند. این لوله با بستری از کره های متحرک کوچک پر شده است که حالت خود تمیز شوندگی را با بهبود انتقال حرارت و رسوب زدایی مکانیکی ارائه می دهد.

رسوب لوله های مبدل حرارتی - مشکل
سطوح انتقال حرارت در بسیاری از کاربردهای شیمیایی، دارویی و پردازش زیستی مستعد رسوب گیری هستند. رسوب رسوب موادی مانند نمک ها، باقی مانده های آلی، محصولات جانبی پلیمریزاسیون یا فیلم های بیولوژیکی است. مقاومت حرارتی با تشکیل یک لایه رسوب به طور قابل توجهی افزایش می یابد و اغلب به خاموش کردن تمیز کردن نیاز است. روش‌های مرسوم افزایش مانند نوارهای پیچ خورده یا سیم‌پیچ‌ها، در حالی که برای مایعات تمیز مفید هستند، مشکل را تشدید می‌کنند، زیرا شکاف‌هایی برای چسبیدن و تکثیر رسوبات ایجاد می‌کنند.

برای لوله‌های PTFE، که برای مقاومت در برابر خوردگی و بی‌اثر بودن شیمیایی انتخاب شده‌اند، رسوب‌گیری می‌تواند به‌ویژه دشوار باشد، زیرا سطح آبگریز و اصطکاک کم PTFE کاهش می‌یابد، اما از چسبندگی جلوگیری نمی‌کند. برای سرویس‌های بسیار آلوده، به یک راه‌حل تهاجمی‌تر-خود تمیزکننده نیاز است.

چگونه یک تخت پر از توپ کار می کند
توربولاتور توپی یک بستر پر از کره های کوچک شل است که لوله را پر می کند. معمولاً توپ ها از خود PTFE یا با مواد سرامیکی مانند آلومینا یا زیرکونیا تشکیل می شوند که از نظر شیمیایی کاملاً با سیال فرآیند سازگار هستند. قطرها معمولاً 3 تا 8 میلی متر هستند که برای تولید بستری با حدود 35 تا 40 درصد درصد خالی طراحی شده اند. تخت به طور شل بسته بندی شده است (توپ ها به هم جوش یا چسبیده نمی شوند) و توسط صفحه ها یا درپوش های انتهایی سوراخ شده در لوله نگه داشته می شود.

مایع فرآیند از طریق لوله می گذرد و مجبور می شود از میان فضاهای پرپیچ و خم میان بافتی بین توپ ها ببافد. این منجر به سرعت های محلی بسیار بالا و تلاطم شدید، در نرخ های جریان جهانی پایین می شود. مهمتر از آن، خود توپ ها در حال استراحت نیستند. آنها توسط حرکت سیال تکان داده می شوند و می چرخند و گاهی اوقات به دیواره داخلی لوله PTFE برخورد می کنند. ضربه ها انرژی کمی دارند و به طور فیزیکی هر رسوبی را که شروع به ساختن می کند پاک می کند و دیوار را تمیز نگه می دارد.

در طراحی لوله PTFE تخت بسته بندی شده با توربولاتور توپ، فرآیند انتقال حرارت دوگانه است. ابتدا مسیر جریان آشفته لایه مانع حرارتی را بسیار موثرتر از هر درج ثابتی مختل می کند. ثانیا، تماس بی وقفه دیوار با توپ های در حال چرخش یک مسیر رسانا مستقیم و انتقال تکانه را فراهم می کند و در نتیجه ضریب انتقال حرارت را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

ویژگی های عملکرد انتقال حرارت در مقابل افت فشار
توربولاتورهای توپی می توانند ضرایب انتقال حرارت بسیار بالایی داشته باشند، اغلب 2 تا 4 برابر ضرایب انتقال حرارت برای شرایط جریان یکسان. افزایش عدد Nusselt با یک نوار چسب پیچیده قابل مقایسه است اما با مزیت افزوده مهم تمیز کردن مداوم دیوارها.

افت فشار یک معامله بزرگ است-. بستر پر شده باعث مقاومت جریان زیادی می شود. کاهش فشار معمولاً 5 تا 15 برابر یک لوله خالی بسته به قطر توپ، چگالی بسته بندی و سرعت جریان است. از این رو این تکنیک فقط برای خدماتی استفاده می شود که رسوب محدودیت اصلی در دسترس بودن کارخانه است. در چنین شرایطی، انرژی پمپاژ اضافه شده با حذف خاموشی های برنامه ریزی نشده تمیز کردن، کاهش کار تعمیر و نگهداری و عملکرد حرارتی ثابت در طول مدت طولانی توجیه می شود.

مزیت ماه‌ها کارکرد بدون تمیز کردن لوله در کاربردهای تخصصی مانند گرم کردن دوغاب‌های پلیمری ویسکوز یا بازیابی گرما از محلول‌های کریستالیزه یا فرآوری آبگوشت‌های بیولوژیکی حاوی بقایای سلولی بالا، مصرف انرژی بالاتر را جبران می‌کند. توربولاتورهای توپ به ندرت در سرویس سیال تمیز استفاده می شوند زیرا ارتقاء ساده تر با افت فشار کمتر ارزان تر است.

مقاومت در برابر سیال شدن و احتباس بستر
توپ ها باید در لوله بمانند، نه اینکه در اثر جریان بیرون رانده شوند. در سرعت های جریان کم، بستر به آرامی بسته می شود و به غیر از حالت موضعی حرکت نمی کند. اما وقتی سرعت افزایش می‌یابد، نیروی کشش روی توپ‌ها می‌تواند باعث شود که کل بستر منبسط شود و شروع به سیال شدن کند یا مانند یک بستر سیال با توپ‌های معلق در جریان عمل کند.

سیال شدن کامل معمولاً در یک لوله مبدل حرارتی نامطلوب است، زیرا در این صورت توپ ها کمتر به دیواره ها برخورد می کنند و می توانند از انتهای لوله خارج شوند. بنابراین، بستر به طور کلی توسط یک صفحه نگهدارنده در خروجی محدود می شود. علاوه بر این، طول لوله به گونه ای است که کاهش فشار کلی در سراسر بستر، سرعت سطح را زیر حداقل سرعت سیال شدن (Umf) نگه می دارد. برای توپ‌های PTFE در آب{3}}مانند مایعات، Umf با سرعت 0.5-1.0 متر بر ثانیه بسته به اندازه و چگالی توپ به دست می‌آید. برای توپ های سرامیکی (چگالی بیشتر) Umf در سرعت های بالاتر ظاهر می شود. Umf درست زیر جایی است که طراحان معمولاً کار می‌کنند، جایی که توپ‌ها در حالت «مجموعه اما آشفته» قرار دارند - در حال چرخش و مالیدن به یکدیگر و دیوار، اما معلق نیستند.

انتخاب مواد برای توپ
البته پاسخ واضح این است که توپ‌های PTFE برای لوله‌های PTFE، برای حفظ بی‌اثر بودن شیمیایی و کیفیت‌های نچسب-. چگالی آنها در حدود 2.2 گرم بر سانتی متر مکعب است که بسیار بیشتر از آب یا حلال های آلی است و بنابراین در لوله ته نشین می شوند. توپ های PTFE آنقدر نرم هستند که حتی پس از میلیون ها برخورد به دیواره لوله آسیب نمی رسانند.

گلوله های سرامیکی (به عنوان مثال{1}}% آلومینا، چگالی ~3.9 گرم بر سانتی متر مکعب) در مواردی استفاده می شود که وزن توپ بالاتری برای افزایش نیروی ضربه برای رسوبات سخت مورد نیاز است، یا جایی که دمای فرآیند از حد 110 درجه PTFE فراتر می رود (سرامیک ها تا 300 درجه کار می کنند). سرامیک ها نیز سخت تر هستند و عملکرد تمیز کردن قوی تری را ارائه می دهند. اما باید مراقب بود که ماده سرامیکی دیواره لوله PTFE را در مدت زمان طولانی ساییده نکند. در عمل، استفاده از توپ های PTFE برای اکثر خدمات شیمیایی و توپ های سرامیکی برای دماهای بالا یا رسوب گیری شدید معمول است.

طراحی برای تمرین
در طراحی یک بستر بسته بندی شده با توربولاتور توپ برای یک لوله PTFE، پارامترهای زیر بهینه شده است:

قطر توپ: 3-5 میلی متر برای لوله های کوچک (10-20 میلی متر ID)؛ 6-8 میلی متر برای لوله های بزرگتر (25-40 میلی متر ID). توپ های کوچکتر نقاط تماس بیشتری با دیوار دارند اما افت فشار بیشتری دارند.

طول بستر: معمولاً 10-30 قطر لوله. بسترهای بلندتر به معنای انتقال بیشتر گرما است اما افت فشار به همان نسبت افزایش می یابد.

کسر خالی: ~ 0.35-0.40 برای کره های همگن در بسته بندی تصادفی نزدیک. این را می توان با مخلوط کردن توپ های با اندازه های مختلف تنظیم کرد، اما به ندرت انجام می شود.

روش نگهداری: دیسک های سوراخ شده از PTFE یا PFA در دو انتها، قطر سوراخ کمتر از قطر توپ. دیسک ورودی از بیرون ریختن توپ ها در اثر نوسانات جریان جلوگیری می کند.

عمل تمیز کردن به ویژه در از بین بردن رسوبات رسوبی نرم، ژلاتینی یا کریستالی موثر است. توربولاتورهای توپ برای سخت، پخته شده-در کک یا مقیاس، به اندازه کافی موثر نیستند، زیرا ضربات کم انرژی-نمی توانند رسوبات محکم چسبیده را از بین ببرند. چنین مواردی با این وجود نیاز به تمیز کردن شیمیایی دوره ای دارند.

مقایسه سایر تکنیک های تقویت در خدمات رسوب گیری
روش افزایش انتقال حرارت افزایش کاهش افت فشار رسوب
لوله خالی، خط پایه صاف بد
درج نوار پیچ خورده 100-150٪ 200-600٪ هیچ (اغلب بدتر می شود)
لوله راه راه 20-60٪ 30-100٪ جزئی (کاهش چسبندگی)
توربولاتور توپ (تخت بسته بندی شده) 100-300% 500-1500% عالی (پاکسازی مداوم)
نتیجه گیری
توربولاتورهای توپ یک گزینه مناسب اما بسیار کارآمد برای بهبود انتقال حرارت در سرویس‌های دارای رسوب شدید هستند. این تخت‌های بسته بندی شده از گلوله‌های کوچک PTFE یا سرامیکی در لوله‌های PTFE در جریان فرآیند نصب می‌شوند. با ایجاد الگوهای جریان پیچیده و متلاطم و شستشوی مداوم دیواره لوله با ضربه های ملایم، سطوح انتقال حرارت را تمیز نگه می دارند و دوره های طولانی کار بی وقفه را امکان پذیر می کنند. جریمه افت فشار زیاد استفاده از آنها را در شرایطی محدود می کند که رسوب معمولاً باعث خاموش شدن مکرر می شود. روش‌های بهبود مختلف با مسائل عملیاتی متفاوت مطابقت دارند، با این حال برای فرآیندهای رسوب‌گذاری بالا و ارزش بالا، بستر مملو از توربولاتور توپ ترکیبی بی‌نظیر از عملکرد حرارتی و قابلیت اطمینان خود تمیز شوندگی را ارائه می‌دهد.