Hva er effekten av intern rørbegroing på røret-sidekonvektiv varmeoverføringskoeffisient til en PTFE-veksler?

Når en tynn film av kalk først begynner å bygge seg inne i et glatt PTFE-rør, kan varmeoverføringskoeffisienten oppføre seg på en noe paradoksal måte. I svært kort tid kan den termiske ytelsen til og med øke marginalt. Det innledende begroingslaget er litt grovt og det ødelegger det normalt glatte grenselaget langs rørveggen, og produserer ytterligere turbulens og øker blandingen av væsken. Denne korte fordelen er likevel kortvarig. Ettersom avsetningstykkelsen øker, dominerer den isolerende effekten av begroingslaget over enhver fordel fra turbulens og varmeoverføringsytelsen til veksleren begynner å avta jevnt.

Forholdet mellom konveksjonskoeffisient for rørbegroingseffekt og PTFE-vekslerens ytelse er derfor ikke en enkel lineær degradering. Begroing utvikler seg med tiden, først som en ruhetsforsterker og til slutt som en dominerende termisk barriere.

Hva skjer inne i et Teflon®-rør?
Den termiske ytelsen til en PTFE varmeveksler bestemmes av en rekke motstander som følger.

Varmen må gå gjennom:

Grenselaget til rørets-sidevæske

Eventuell begroing avsatt

PTFE rørvegg

Væskegrenselaget på skallsiden

Hele varmeoverføringskoeffisienten til veksleren er basert på den totale termiske motstanden, vanligvis kalt U--verdien.

Med økende begroing legges en ekstra motstandsterm inn i systemet.

Den motstanden kan være veldig liten i begynnelsen. Men effekten av overflateruhet kan være betydelig kort.

Hvorfor litt begroing kan forbedre varmeoverføringen
Selve PTFE-slangen er ganske jevn. Den lave overflateruheten minimerer trykkfallet så vel som avsetningsvedheften, men jevne overflater kan også opprettholde et ganske stabilt laminært grensesjikt, under noen flytningsforhold.

Den indre overflateteksturen endres når det dannes et veldig tynt begroingslag.

Mikroskopiske ruheter begynner å dukke opp i væskestrømmen og induserer små forstyrrelser nær veggen. Disse forstyrrelsene inkluderer

Legg til lokal forstyrrelse

Bryt opp termisk grensesjikt

Forbedret radiell væskeblanding

Forbedre varmeoverføringen mellom vegg og væske

Tilgroing lurer sensorene midlertidig, siden veksleren kan indikere et forbigående platå eller til og med en liten økning i tilsynelatende termisk ytelse.

Denne påvirkningen er mest synlig når:

Flow er laminær i begynnelsen

Reynolds tall nær overgangen

Den originale overflaten til PTFE er veldig glatt.

Begroingstykkelse fortsatt svært tynn

Denne ruhetspåvirkningen i det tidlige stadiet er ofte mindre uttalt på grove metallrør, fordi grunnlinjeoverflateteksturen allerede er turbulent.

Effekten av ruhet på konvektiv varmeoverføring
Påvirkningen av overflateruhet på varmeoverføring er direkte knyttet til oppførselen til væskefriksjon.

Ved analyse av turbulent strømning påvirker ruheten:

Friksjonskoeffisienten

Stabilitet av grenselaget

Overføring av momentum.

Forbedring av varmeoverføring

De samme faktorene som forbedrer friksjonsblandingen påvirker også konvektiv varmeoverføring.

Dette forholdet gjenspeiles i likhetene mellom friksjonsfaktoren og varmeoverføringsfaktoren i den klassiske transportteorien.

Derfor kan en litt ru overflate forsterke rørets-side konvektiv varmeoverføringskoeffisient under enkelte driftssituasjoner.

Imidlertid er denne positive effekten bare forbigående siden den elektriske motstanden til begroingslaget fortsetter å vokse med tiden.

Når begroing løper voldsomt
De isolerende egenskapene til den fortykkende begroingsavsetningen blir mer og mer kritiske.

Generelt har selve avsetningen lav varmeledningsevne sammenlignet med væsken og vekslermaterialene. Så varme må passere gjennom et isolasjonslag til før den kan få tilgang til bulkvæsken.

Eventuell turbulensfordel overskygges til slutt av varmestraffen med ekstra tykkelse.

Resultatene er:

Redusert total U-verdi

Lavere varmeoverføringshastighet

Større temperaturtilnærming

Termisk respons tregere

Større prosessustabilitet

Veksleren går på dette tidspunktet inn i den velkjente langsiktige begroingsforringelsestrenden observert i industrielle systemer.

Motstand mot begroing som en forbigående prosess
Oppbygging av begroing fortsetter sjelden med jevn hastighet.

I mange systemer følger begroingsmotstanden en asymptotisk kurve:

Rask innledende oppbygging-

Langsommere oppbygging-over lang sikt

stabilisering mot likevekt til slutt

Disse tidlige endringene er ofte de største relative endringene i overflateruhet og strømningsforstyrrelser.

Deretter tykner og fortettes avsetningen og videre vekst hemmes av skjærkrefter og delvis løsgjøringsmekanismer.

Denne asymptotiske oppførselen til begroingsmotstand kan forklare hvorfor en veksler kan se stabil ut til å begynne med, men over lange driftsperioder gradvis mister termisk effektivitet.

Hvorfor PTFE-vekslere har uvanlig begroingsadferd
PTFE-vekslere har noen egenskaper som påvirker begroingsdynamikken på en annen måte sammenlignet med metallsystemer.

Innledende overflate ekstremt glatt
Sammenlignet med mange metalliske varmevekslermaterialer er jomfruelige PTFE-overflater veldig glatte.

Denne lave grunnlinjeruheten resulterer i et ganske betydelig skift i effektiv overflatetekstur fra små mengder kalk.

Dette gjør den tidlige-stadiet av ruhetsforbedringseffekten mer tydelig.

Lav overflateenergi
Anti-egenskapene til PTFE motstår sterk vedheft av avleiringer.

Noen begroingslag forblir mykere eller mindre mekanisk stabile enn avleiringer utviklet på metallrør.

Redusert termisk ledningsevne
PTFE har allerede en bedre veggmotstand enn metaller som rustfritt stål eller titan.

Dermed er ytterligere begroingsmotstand relativt viktigere i hele det termiske motstandsnettverket.

Ytelsesnedgangen kan være spesielt tydelig når begroingen er veldig tykk.

Den langsiktige nedadgående trenden for U-verdi
Den kortsiktige-ruhetseffekten er positiv, mens den langsiktige-begroingsytelsen alltid har negativ retning.

med innskudd som fortsatt ruller inn:

Reduksjon i diameteren på røret

Endringer i strømningsfordeling

trykkreduksjon økte

Termisk motstand øker.

Effektiviteten til varmeveksleren synker

Ved høyere stadier av begroing kan det være problematisk å kontrollere prosessen, siden varmeoverføringshastighetene ikke lenger er nok for operasjonen.

Veksleren kan da trenge:

Kjemisk rengjøring

Mekanisk rengjøring

Utskifting av rør

Optimalisering av flyter

Tuning av prosesskjemi

Uten intervensjon kan kronisk begroing til slutt resultere i irreversibel ytelsesnedgang.

Betydningen av regelmessig rengjøring
"Fuling er en gradvis prosess, så regelmessig overvåking er nøkkelen.

Vanlige sporede indikatorer inkluderer:

Senker U-verdi

Økt trykkfall

Redusert ytelse ved utløpstemperatur

Forlengede oppvarmingsperioder i prosesser

Generelt er det bedre å gjøre rengjøring etter en forebyggende tidsplan i stedet for å vente på at kraftig begroing samler seg.

For PTFE-vekslere hjelper rene røroverflater å opprettholde både:

Steady state konvektiv varmeoverføring

Hydraulikk lav motstand

Hensikten er ikke bare å rense de tykke avleiringene, men å unngå overgangen fra en liten forbedring i ruhet til betydelig varmeisolasjon.

Tilgroing: Et dynamisk termisk fenomen
Sammenhengen mellom den konvektive koeffisienten PTFE-veksler og rørbegroingseffekten viser at begroingen i hovedsak er dynamisk og ikke statisk.

Turbulens og varmeoverføring kan økes midlertidig i de innledende stadiene. Men i løpet av tiden dominerer de isolerende egenskapene til forekomsten systemets oppførsel.

Denne dualiteten kompliserer begroingsanalysen mer enn bare en antagelse om en kontinuerlig lineær nedgang.

Kortvarige-målinger kan ofte være misvisende når veksleren er i overgangsfasen for ruhet-forbedring.

Imidlertid viser de langsiktige termiske trendene en jevn tendens til økende straff på grunn av oppbygging av avleiringer.

Konklusjon.
Innvendig rørtilsmussing i en PTFE-varmeveksler har en kompleks og tidsavhengig effekt på konvektiv varmeoverføringsytelse. Til å begynne med kan svært liten begroing en kort stund forbedre den konvektive varmeoverføringskoeffisienten på rørsiden- ved å gjøre den ellers glatte PTFE-overflaten ru og øke turbulensen noe.

Denne første forbedringen er kort-varig. Begroingstykkelsen øker, avsetningen blir den mer fremtredende termiske motstanden og den totale U--verdien synker gradvis. Akkurat som ruheten midlertidig øker turbulensen, blir den til slutt en isolerende barriere mot varmebevegelse.

Oppførselen til rørbegroingseffekten konvektiv koeffisient PTFE-veksler indikerer at begroing ikke er en enkel binær situasjon, men snarere en pågående termisk prosess. En liten bit av grov skala kan lure operatøren en stund, men vedvarende vekslereffektivitet er til syvende og sist en funksjon av rene indre røroverflater. Det som starter som en hendig ruhet blir til et isolerende teppe.