V procesih, kjer je nastajanje vodnega kamna neizogibno,-kot je segrevanje trde vode ali nekaterih mineralnih gošč-se tradicionalni izmenjevalniki hitro izolirajo s plastjo kamenja. Izmenjevalec z zvrtinčeno plastjo se bori z rojem drobnih, padajočih delcev, ki zdrobijo vodni kamen tako hitro, kot nastane, ter ohranjajo PTFE cevi čiste in toploto pretakajo. Z združevanjem korozijske odpornosti PTFE z mehanskim samočistilnim delovanjem fluidizirane plasti delcev nov razred toplotnega izmenjevalnika zagotavlja konstantno in visoko učinkovito delovanje pri najzahtevnejših storitvah skaliranja.
Problem vodnega kamna v običajnih izmenjevalnikih toplote
Nastajanje vodnega kamna (imenovano tudi obraščanje) nastane, ko se raztopljene soli, minerali ali suspendirane trdne snovi oborijo na površine za prenos toplote. Trda voda odlaga kalcijev karbonat. Mineralne gošče puščajo silikatne ali sulfatne luske. Tudi biološka rast lahko tvori film. V tradicionalnem oklepno-cevnem ali ploščnem izmenjevalniku se sčasoma nabere vodni kamen. Toplotna odpornost 1 mm sloja kalcijevega karbonata je enakovredna dodajanju več deset milimetrov jekla. Koeficienti prenosa toplote dramatično padejo, kar zahteva višje temperature tekočine, daljši čas zadrževanja ali občasne zaustavitve zaradi čiščenja.
Kemično čiščenje (kroženje kisline) je jedko in ustvarja nevarne odpadke. Mehansko čiščenje (palice, krtače ali voda pod visokim pritiskom) zahteva, da je izmenjevalnik izklopljen, včasih več dni. Pri storitvah težkega odstranjevanja vodnega kamna lahko proizvodne izgube zaradi čiščenja presežejo kapitalske stroške izmenjevalnika v enem samem letu.
Kako deluje izmenjevalnik toplote z zvrtinčeno posteljo
Toplotni izmenjevalnik z zvrtinčeno plastjo vključuje majhne trdne delce-običajno aluminijev oksid, steklene kroglice, kroglice iz nerjavnega jekla ali keramične krogle-v tok tekočine. Ti delci se prenašajo skupaj s procesno tekočino znotraj cevi (ali na strani lupine, čeprav so fluidizirane plasti na strani cevi pogostejše). Ko tekočina teče navzgor skozi navpično usmerjene cevi, se delci ujamejo. Prevračajo se, trčijo in nežno drgnejo stene zračnice. Vsaka lestvica, ki se začne nukleirati, je takoj odrgnjena zaradi stalnega mehanskega delovanja gibajočih se delcev.
Delci niso dovolj abrazivni, da bi poškodovali material cevi. Za PTFE cevi, ki so mehkejše od kovine, so velikost delcev, gostota in koncentracija skrbno nadzorovani. Tipični premeri delcev se gibljejo od 1 do 5 mm, koncentracije pa se ohranjajo pod 5 volumskih %. Delci se ločijo od procesne tekočine v večji usedalni posodi ali ciklonu na izhodu izmenjevalnika. Od tam se ponovno krožijo do vstopa in tvorijo zaprto zanko. Sistem deluje neprekinjeno in za čiščenje ne potrebuje posredovanja operaterja.
Je nežen, a neizprosen vodni curek v vsaki cevi-le da je »curek« pravzaprav na tisoče trdnih delcev, ki se premikajo z nizko hitrostjo in odstranjujejo vodni kamen v zgodnji fazi nastajanja, preden lahko preraste v izolacijsko plast.
Združevanje tehnologije zvrtinčene postelje s PTFE cevmi
PTFE (politetrafluoroetilen) cevi nudijo izjemno kemično odpornost. So inertni na močne kisline, alkalije in organska topila. Vendar pa ima PTFE nizko toplotno prevodnost (približno 0,25 W/m·K) v primerjavi s kovinami (15–400 W/m·K). Zato je vsaka dodatna odpornost proti obraščanju še posebej škodljiva. Tanek sloj vodnega kamna na PTFE cevi lahko zmanjša prenos toplote za 50 % ali več, ker že sama cev predstavlja pomembno toplotno oviro.
Samočistilno delovanje vrtinčene plasti je zato še bolj dragoceno za PTFE cevi kot za kovinske cevi. Z nenehnim odstranjevanjem vodnega kamna ležišče zagotavlja, da je edina toplotna odpornost sama stena PTFE in mejne plasti tekočine. Skupni koeficient prenosa toplote ostane stabilen in predvidljiv v mesecih ali letih delovanja.
Ciljna ključna besedatoplotni izmenjevalnik z zvrtinčeno plastjo PTFE cevi, samočistilne-zajema to sinergijo: PTFE zagotavlja zaščito pred korozijo za agresivne tekočine za nabiranje vodnega kamna, medtem ko fluidizirani delci zagotavljajo mehansko čiščenje, ki ga kemična ali termična sredstva ne morejo doseči brez zaustavitve.
Prednosti pri storitvah resnega skaliranja
Storitve resnega skaliranja vključujejo:
Ogrevanje trde vodev hladilnih stolpih, kotlih ali sistemih daljinskega ogrevanja. Kalcijev karbonat se hitro obori nad 60 stopinj. PTFE izmenjevalnik z zvrtinčeno plastjo lahko deluje neomejeno brez kislinskega čiščenja.
Koncentriranje mineralnih goščv rudarstvu ali proizvodnji gnojil. Luske mavca, kalcijevega sulfata in fosfata so izjemno obstojne. Zvrtinčena plast ohranja stene cevi čiste in ohranja stopnjo proizvodnje.
Izhlapevanje slanic ali predgretje razsoljevanjakjer bi kristalizacija soli sicer blokirala kovinske cevi. PTFE površina proti prijemanju v kombinaciji s čiščenjem delcev skoraj odpravi oprijem.
Rekuperacija odpadne toplote iz procesnih tokov vodnega kamnaki bi pokvaril običajne izmenjevalnike. Utekočinjena plast omogoča rekuperacijo toplote tam, kjer to prej ni bilo mogoče.
Ključne operativne prednosti so:
Konstanten koeficient prenosa toplote– Brez degradacije skozi čas. Izmenjevalnik deluje pri projektirani zmogljivosti od zagona do zaustavitve.
Brez kemičnega čiščenja– Odpravlja nevarne odpadke, skladiščenje čistilnih sredstev in korake nevtralizacije.
Zmanjšan čas nedelovanja– Za odstranjevanje vodnega kamna izmenjevalnika nikoli ni treba izklopiti. Zaustavitve so omejene na redke mehanske preglede (vsakih 2–5 let).
Varčevanje z energijo– Ker se koeficient toplotnega prehoda ne zmanjša, zahtevane temperature tekočine ali stopnje pretoka ni treba povečati, da bi nadomestili umazanijo. Moč črpanja za delce je običajno 5–15 % prenesene toplote, kar je skromna kazen v primerjavi s koristmi.
Daljša življenjska doba cevi– PTFE cevi se ne obrabijo bistveno, ker so delci izbrani tako, da so mehkejši od materiala cevi ali delujejo pri nizki hitrosti. V praksi je življenjska doba cevi 5–10 let pri uporabi z zvrtinčeno plastjo.
Premisleki glede tehnične zasnove
Izbira delcev
Delci morajo biti:
Dovolj gosti, da jih tok tekočine odnese navzgor, vendar ne tako gosti, da bi se usedali pri nizkih hitrostih.
Dovolj trdo za brušenje vodnega kamna, vendar ne tako močno, da bi razjedlo PTFE. Aluminijev oksid (aluminijev oksid) ima Mohsovo trdoto 9, ki lahko sčasoma obrabi PTFE. Prednost imajo steklene kroglice (trdota 5–6) ali keramične kroglice na osnovi kremena ali cirkonijevega dioksida. Za zelo mehke sloje za luščenje lahko uporabite rezane PTFE ali polimerne kroglice.
Kemično inerten na procesno tekočino. Steklo je primerno za številne kisle ali nevtralne tokove, medtem ko se keramični ali kovinski delci uporabljajo za alkalne ali visokotemperaturne storitve.
Enotna velikost, da se izognete pakiranju ali kanaliziranju. Delci so običajno sferični ali skoraj sferični za predvidljivo fluidizacijo.
Geometrija in orientacija cevi
Tehnologija zvrtinčene postelje najbolj učinkovito deluje z ravnimi, navpično usmerjenimi cevmi. Delci se pri kroženju zanašajo na gravitacijo in upor tekočine navzgor. Horizontalne cevi ali U-krivki povzročajo usedanje delcev in zamašitev. Zato je toplotni izmenjevalnik PTFE z zvrtinčeno plastjo skoraj vedno navpična zasnova iz ohišja in cevi s procesno tekočino na strani cevi (ki prenaša delce) in grelnim ali hladilnim medijem na strani ohišja.
Premer cevi mora biti dovolj velik, da lahko delci prehajajo brez premoščanja. Najmanjši notranji premer cevi je običajno 15–25 mm. PTFE cevi so pogosto podprte z zunanjim kovinskim perforiranim tulcem, da se prepreči zrušitev pod pritiskom fluidizacijskega toka.
Hitrost in padec tlaka
Hitrost tekočine mora preseči "minimalno fluidizacijsko hitrost" (hitrost, pri kateri se ležišče delcev razširi in delci postanejo suspendirani), vendar ostati pod "hitrostjo vnosa" (kjer se delci prehitro odnesejo iz cevi). Za 2 mm steklene kroglice v vodi je razpon približno 0,5–2 m/s. Padec tlaka v cevnem snopu je višji kot pri običajnem izmenjevalniku-običajno 50–100 kPa-zaradi dodatnega upora delcev. Ta kazen je sprejemljiva glede na odpravo izpadov čiščenja.
Ločevanje in recirkulacija
Na vrhu cevnega snopa mešanica tekočine in delcev izstopa v ločilno posodo velikega premera. Hitrost toka pade, zaradi česar se delci zaradi gravitacije usedejo. Očiščena tekočina nadaljuje s postopkom. Usedli delci se zbirajo v lijaku in vrnejo v dovod preko recirkulacijske cevi, pogosto z uporabo vijačnega transporterja ali fluidizirajoče noge. Hitrost kroženja delcev se prilagodi tako, da se vzdržuje želena koncentracija (običajno 2–5 % prostornine v epruvetah).
Aplikacije in uporaba v industriji
Toplotni izmenjevalniki z zvrtinčeno plastjo s kovinskimi cevmi se od sedemdesetih let prejšnjega stoletja uporabljajo v panogah, kot so rafiniranje sladkorja (ogrevanje trsnega soka), geotermalna energija (ravnanje s slanicami vodnega kamna) in čiščenje odpadne vode. Vendar so številne tekočine za odstranjevanje vodnega kamna tudi jedke. Cevi iz nerjavečega jekla ali titana so odporne proti koroziji, vendar so drage in še vedno zahtevajo redno čiščenje. PTFE cevi, ki so odporne proti koroziji in se ne sprijemajo, so naravna nadgradnja.
Nedavne namestitve so se pojavile v:
Rastline za gnojenje– Segrevanje gošče fosforne kisline, ki vsebuje sadro. PTFE cevi so odporne proti napadom kisline, medtem ko vrtinčena plast preprečuje nalaganje sadre.
Predgrelniki za razsoljevanje– Obdelavo morske vode s kemikalijami proti nabiranju vodnega kamna je mogoče zmanjšati ali odpraviti, kar zniža operativne stroške.
Ogrevanje gnojevke za zasipavanje rudnika– Mešanica ostankov in cementa, ki hitro naredi luske na kovinskih površinah. PTFE izmenjevalnik z zvrtinčeno plastjo ohranja prenos toplote več mesecev.
Omejitve in prihodnje usmeritve
PTFE toplotni izmenjevalniki z zvrtinčeno plastjo niso univerzalna rešitev. Zahtevajo višje navpične konfiguracije, ki se morda ne prilegajo obstoječi postavitvi obrata. Delci dodajo kompleksnost in začetne stroške. Pri tekočinah z zelo visoko viskoznostjo je fluidizacija lahko slaba. Nizka toplotna prevodnost PTFE še vedno določa osnovni upor, zato je tehnologija najprimernejša za storitve, pri katerih bi zaradi umazanije kovinski izmenjevalec sicer postal neuporaben, ne pa za naloge čiste tekočine, kjer bi bil kovinski izmenjevalec učinkovitejši.
Potekajo raziskave manjših, lažjih delcev, ki jih je mogoče uporabiti v vodoravnih ali nagnjenih ceveh. Drug razvoj je uporaba magnetnih delcev, ki jih zadržijo zunanji magneti, kar odpravlja potrebo po ločevalni posodi. Kljub temu je kombinacija PTFE cevi s samočistilno zvrtinčeno plastjo že dokazana rešitev za nekatere najtežje težave pri industrijskem ogrevanju.
Povzetek: Skoraj popolna rešitev za nabiranje vodnega kamna in korozijo
Tehnologija zvrtinčene postelje v kombinaciji s PTFE cevmi ponuja skoraj popolno rešitev za učinkovito ohranjanje jedkih tokov, ki povzročajo nabiranje vodnega kamna, s čimer se odpravijo glavne bolečine. Samočistilno delovanje krožečih delcev preprečuje nabiranje vodnega kamna in ohranja konstanten koeficient toplotnega prenosa brez izklopov zaradi kemičnega ali mehanskega čiščenja. PTFE zagotavlja kemično odpornost, ki je manjka kovinskim cevem, medtem ko zvrtinčena plast premaga nizko toplotno prevodnost PTFE, saj zagotavlja, da se ne nabira dodatna plast umazanije. Inovacija pogosto pomeni združevanje dveh zrelih tehnologij na nov način-intoplotni izmenjevalnik z zvrtinčeno plastjo PTFE cevi, samočistilne-koncept je učbeniški primer. Za procesne inženirje, ki se soočajo z dvojnim izzivom korozije in nabiranja vodnega kamna, ta tehnologija spreminja tisto, kar je bila nekoč nočna mora vzdrževanja, v operacijo nastavi in pozabi.
