כיצד פועלים טורבולטורים כדוריים (מיטות ארוזות) בצינורות PTFE לשירותי עיבוי גבוהים-?

טורבולטורים סטנדרטיים נוטים להיסתם עם תמיסות או נוזלים אחרים מתעכלים. הצינור מלא במצע של כדורים קטנים ניתנים להזזה המציעה מצב ניקוי עצמי-, עם שיפור העברת חום והסרת אבנית מכנית.

התכלות של צינורות מחליף חום - הבעיה
משטחי העברת חום נוטים להתעכל ביישומים כימיים, פרמצבטיים וביו-עיבוד רבים. עכירות היא שקיעה של חומרים כגון מלחים, שאריות אורגניות, תוצרי לוואי של פילמור או סרטים ביולוגיים. ההתנגדות התרמית גדלה באופן משמעותי עם היווצרות שכבת עכירות, ויש צורך בהשבתת ניקוי לעיתים קרובות. שיטות הגדלה קונבנציונליות כמו סרטים מעוותים או סלילי תיל, אמנם מועילות לנוזלים נקיים, אך נוטות להחמיר את הבעיה מכיוון שהן נותנות חריצים לחיבור והתרבות של משקעים.

עבור צינורות PTFE, שנבחרו עבור עמידות בפני קורוזיה ואינרטיות כימית, עכירות עשויה להיות קשה במיוחד מכיוון שמשטח החיכוך ההידרופובי- של PTFE מקטין, אך אינו מונע, הידבקות. עבור שירותים פגומים מאוד, יש צורך בפתרון אגרסיבי יותר לניקוי עצמי-.

איך עובדת מיטת כדורים ארוזה
טורבולטור כדורי הוא מצע צפוף של כדורים קטנים רפויים הממלאים את הצינור. בדרך כלל הכדורים נוצרים מ-PTFE עצמו או מחומרים קרמיים כמו אלומינה או זירקוניה, התואמים כימית מלאה לנוזל התהליך. הקוטרים הם בדרך כלל 3-8 מ"מ, שנועדו לייצר מיטה עם כ-35-40% אחוז ריק. המיטה ארוזה באופן רופף (כדורים אינם מתמזגים או מודבקים זה לזה) ומוחזקים בצינור על ידי מסכים או פקקים מחוררים.

נוזל התהליך עובר דרך הצינור, ונאלץ לקלוע דרך הרווחים הביניים המפותלים בין הכדורים. זה מביא למהירויות מקומיות גבוהות מאוד ולערבולות חזקות, בקצבי זרימה גלובליים נמוכים. חשוב יותר, הכדורים עצמם אינם במנוחה. הם נדחפים ומסתובבים על ידי תנועת הנוזל ומדי פעם נתקלים בדופן הפנימית של צינור ה-PTFE. הפגיעות הן בעלות אנרגיה נמוכה ומנקות פיזית כל משקע שמתחיל להיבנות ושומרות על הקיר נקי.

בעיצוב צינור PTFE במיטה ארוז עם טורבולטור כדור, תהליך העברת החום הוא כפול. ראשית, נתיב הזרימה הכאוטי משבש את שכבת המחסום התרמית בצורה יעילה הרבה יותר מכל הוספה סטטית. שנית, מגע הקיר הבלתי פוסק לכדורים המסתובבים מספק נתיב מוליך ישיר נוסף והעברת מומנטום, ובכך משפר באופן משמעותי את מקדם העברת החום.

מאפייני ביצועים העברת חום לעומת אובדן לחץ
לטורבולטורים כדוריים יכולים להיות מקדמי העברת חום גבוהים מאוד, לעתים קרובות פי 2 עד 4 מאלו של צינור ריק באותן נסיבות זרימה. ההגדלה של מספר Nusselt דומה לזו של קלטת מפותלת בחוזקה, אך עם היתרון הנוסף החשוב של ניקוי קירות מתמשך.

ירידת לחץ היא סחר- משמעותי. המיטה הדחוסה גורמת להתנגדות זרימה גדולה. ירידת הלחץ היא בדרך כלל פי 5 עד 15 מזו של צינור ריק בהתאם לקוטר הכדור, צפיפות האריזה ומהירות הזרימה. מכאן שהטכניקה משמשת רק לאותם שירותים שבהם זיהום הוא המגבלה העיקרית על זמינות המפעל. בנסיבות כאלה, אנרגיית השאיבה הנוספת מוצדקת על ידי הסרה של השבתות ניקוי לא מתוכננות, ירידה בעבודת תחזוקה וביצועים תרמיים יציבים לאורך טווח ארוך.

היתרון של חודשים של פעולה ללא ניקוי צינורות ביישומים מיוחדים כגון חימום של תמיסות פולימר צמיגיות או שחזור חום מתמיסות מתגבשות או עיבוד מרקים ביולוגיים המכילים תכולת פסולת תאים גבוהה, מקזז את צריכת האנרגיה הגבוהה יותר. לעתים רחוקות משתמשים בטורבולטורים כדוריים בשירות נוזלים נקיים מכיוון שהשדרוגים הפשוטים יותר עם ירידת לחץ נמוכה יותר זולים יותר.

עמידות להנזלת ושימור מיטה
הכדורים חייבים להישאר בצינור, לא להידחף החוצה על ידי הזרימה. במהירויות זרימה נמוכות המיטה ארוזה קלות ואינה זזה מלבד מקומית. אבל כאשר המהירות גדלה, כוח הגרירה על הכדורים יכול לגרום לכל המיטה להתרחב ולהתחיל להתנוזל, או להתנהג כמו מיטה נוזלית כשהכדורים תלויים בזרימה.

נזילות מוחלטת אינה רצויה בדרך כלל בצינור מחליף חום, שכן אז הכדורים יפגעו בקירות בתדירות נמוכה יותר וניתן לפוצץ אותם מקצה הצינור. לפיכך, המיטה מוגבלת בדרך כלל על ידי מסך שמירה ביציאה. יתר על כן, אורך הצינור הוא כזה שירידת הלחץ הכוללת על פני המיטה שומרת על מהירות פני השטח מתחת למהירות ההנזלה המינימלית (Umf). עבור כדורי PTFE במים-כמו נוזלים ה-Umf מושגת במהירויות של 0.5-1.0 m/s בהתאם לגודל הכדור ולצפיפות. עבור כדורי קרמיקה (צפיפות גדולה יותר) Umf מופיע במהירויות גבוהות יותר. Umf נמצאת ממש מתחת למקום שבו מעצבים נוהגים לעבוד, כאשר הכדורים נמצאים במצב "דחוס אך נסער" - מסתובבים ומשפשפים זה בזה ובקיר, אך אינם תלויים.

בחירת חומר לכדורים
התשובה הברורה היא כמובן כדורי PTFE לצינורות PTFE, כדי לשמור על אותה אינרטיות כימית ואיכויות -ללא הידבקות. יש להם צפיפות של בסביבות 2.2 גרם/סמ"ק, גבוהה בהרבה ממים או ממסים אורגניים, ולכן נשארים מושבעים בצינור. כדורי ה-PTFE כל כך רכים שהם לא יפגעו בדופן הצינור גם לאחר מיליוני התנגשויות.

כדורי קרמיקה (למשל . 99.5% אלומינה, צפיפות ~3.9 גרם/סמ"ק) משמשים כאשר משקל כדור גבוה יותר נדרש כדי להגביר את כוח הפגיעה עבור משקעים קשים, או כאשר טמפרטורת התהליך עולה על גבול ה-110 מעלות של PTFE (קרמיקה פועלת עד 300 מעלות). קרמיקה גם קשיחה יותר, ומספקת פעולת ניקוי נמרצת יותר. אך יש להקפיד שהחומר הקרמי לא ישחק את דופן צינור ה-PTFE לאורך פרקי זמן ארוכים. בפועל, השימוש בכדורי PTFE עבור רוב השירותים הכימיים ובכדורי קרמיקה עבור טמפרטורה גבוהה או עיקול עיקש במיוחד הוא רגיל.

עיצוב לתרגול
בתכנון של מיטה ארוזה בטורבולטור כדור לצינור PTFE, הפרמטרים הבאים עוברים אופטימיזציה:

קוטר הכדור: 3-5 מ"מ לצינורות קטנים (מזהה 10-20 מ"מ); 6-8 מ"מ לצינורות גדולים יותר (25-40 מ"מ מזהה). לכדורים הקטנים יותר יש יותר נקודות מגע עם הקיר אבל יש להם ירידת לחץ גדולה יותר.

אורך מיטה: 10-30 קוטר צינור בדרך כלל. מיטות ארוכות יותר אומרות העברת חום רבה יותר, אך אובדן הלחץ גדל בהתאם.

שבר ריק: ~ 0.35-0.40 עבור כדורים הומוגניים באריזה אקראית. זה יכול להיות מותאם על ידי ערבוב כדורים בגדלים שונים, אבל זה נעשה לעתים רחוקות.

שיטת החזקה: דיסקים מחוררים של PTFE או PFA בשני הקצוות, קוטר החור קטן מקוטר הכדור. דיסק הקלט מונע כדורים להיפלט על ידי עליות זרימה.

פעולת הצחצוח יעילה במיוחד בסילוק משקעי עיבוי רכים, ג'לטינים או גבישיים. טורבולטורים כדוריים אינם יעילים באותה מידה עבור קשיחים, אפויים-בקולה או בקנה מידה, מכיוון שמכות האנרגיה הנמוכות- אינן יכולות לעקור משקעים דבקים בחוזקה. מקרים כאלה בכל זאת דורשים ניקוי כימי תקופתי.

השוואה של טכניקות שיפור אחרות בשירותי זיהום
שיטה שיפור העברת חום עלייה בירידה בלחץ הפחתת עכירות
צינור ריק, חלקBad Baseline Baseline
הוספת סרט מעוות 100-150% 200-600%אין (לעתים קרובות מחמיר)
צינור גלי 20-60% 30-100% מינור (הפחתת הידבקות)
טורבולטור כדור (מיטה ארוזה) 100-300% 500-1500% מעולה (ניקוי מתמשך)
מַסְקָנָה
טורבולטורים כדוריים הם אופציה נישה אך יעילה מאוד לשיפור העברת החום בשירותי זיהומים חמורים. מיטות ארוזות באופן רופף של כדורי PTFE או קרמיקה קטנים בצינורות PTFE מותקנות בזרם התהליך. על ידי יצירת דפוסי זרימה מורכבים וסוערים ושטיפת דופן הצינור על ידי פגיעות עדינות, הם שומרים על משטחי העברת חום נקיים ומאפשרים תקופות ארוכות של פעולה ללא הפרעה. העונש הגדול על ירידת הלחץ מגביל את השימוש בהם למצבים שבהם עבירה תגרום בדרך כלל להשבתות חוזרות ונשנות. שיטות שיפור שונות מתאימות לנושאים תפעוליים שונים, אולם עבור תהליכי זיהום גבוהים ובעלי ערך גבוה, המיטה העמוסה בטורבולטור הכדור מספקת שילוב שאין שני לו של ביצועים תרמיים ואמינות ניקוי עצמי-.