V procesoch, kde je usadzovanie nevyhnutné,-ako je ohrev tvrdej vody alebo určitých minerálnych kalov{1}}tradičné výmenníky sa rýchlo izolujú vrstvou kameňa. Výmenník s fluidným lôžkom sa bráni rojom drobných, rotujúcich čiastočiek, ktoré melú z vodného kameňa tak rýchlo, ako sa tvorí, čím udržujú PTFE trubice čisté a teplo prúdi. Kombináciou odolnosti PTFE proti korózii s mechanickým samočistiacim účinkom fluidizovaného lôžka častíc poskytuje nová trieda výmenníkov tepla konštantný a vysoko účinný výkon v tých najnáročnejších službách škálovania.
Problém tvorby vodného kameňa v konvenčných výmenníkoch tepla
K tvorbe vodného kameňa (tiež nazývanému zanášanie) dochádza, keď sa rozpustené soli, minerály alebo suspendované pevné látky vyzrážajú na teplonosných povrchoch. Tvrdá voda ukladá uhličitan vápenatý. Minerálne kaly zanechávajú silikátové alebo síranové usadeniny. Dokonca aj biologický rast môže vytvoriť film. V tradičnom rúrkovom alebo doskovom výmenníku sa vodný kameň časom hromadí. Tepelný odpor 1 mm vrstvy uhličitanu vápenatého je ekvivalentný pridaním desiatok milimetrov ocele. Koeficienty prestupu tepla dramaticky klesajú, čo si vyžaduje vyššie teploty kvapaliny, dlhšie časy zotrvania alebo pravidelné odstávky na čistenie.
Chemické čistenie (cirkulácia kyseliny) je korozívne a vytvára nebezpečný odpad. Mechanické čistenie (tyče, kefy alebo vysokotlaková voda) vyžaduje odpojenie výmenníka, niekedy aj niekoľko dní. Pri náročných službách škálovania môžu výrobné straty z čistenia presiahnuť kapitálové náklady výmenníka v priebehu jedného roka.
Ako funguje výmenník tepla s fluidným lôžkom
Výmenník tepla s fluidným lôžkom obsahuje do prúdu tekutiny malé pevné častice-zvyčajne oxid hlinitý, sklenené guľôčky, broky z nehrdzavejúcej ocele alebo keramické guľôčky-. Tieto častice sú prenášané spolu s procesnou kvapalinou vo vnútri rúrok (alebo na strane plášťa, hoci fluidizované lôžka na strane rúr sú bežnejšie). Keď tekutina prúdi nahor cez vertikálne orientované rúrky, častice sú unášané. Padajú, narážajú a jemne drhnú steny vnútornej trubice. Akákoľvek usadenina, ktorá začne nukleovať, sa neustálym mechanickým pôsobením pohybujúcich sa častíc okamžite obrusuje.
Častice nie sú dostatočne abrazívne, aby poškodili materiál rúrky. V prípade rúrok PTFE, ktoré sú mäkšie ako kov, sa starostlivo kontroluje veľkosť častíc, hustota a koncentrácia. Typické priemery častíc sa pohybujú od 1 do 5 mm a koncentrácie sa udržiavajú pod 5 % objemových. Častice sú oddelené od procesnej tekutiny vo väčšej usadzovacej nádobe alebo cyklóne na výstupe výmenníka. Odtiaľ sú recirkulované do prívodu a tvoria uzavretú slučku. Systém pracuje nepretržite a nevyžaduje zásah obsluhy pri čistení.
Je to jemný, ale neúprosný prúd vody vo vnútri každej trubice-okrem „prúd“ sú v skutočnosti tisíce pevných častíc, ktoré sa pohybujú nízkou rýchlosťou a odstraňujú vodný kameň v ranom štádiu formovania predtým, ako môžu prerásť do izolačnej vrstvy.
Párovanie technológie fluidného lôžka s PTFE trubicami
Rúry PTFE (polytetrafluóretylén) ponúkajú výnimočnú chemickú odolnosť. Sú inertné voči silným kyselinám, zásadám a organickým rozpúšťadlám. PTFE má však nízku tepelnú vodivosť (približne 0,25 W/m·K) v porovnaní s kovmi (15–400 W/m·K). Preto je akákoľvek dodatočná odolnosť voči zanášaniu obzvlášť škodlivá. Tenká vrstva šupín na PTFE trubici môže znížiť prenos tepla o 50 % alebo viac, pretože samotná trubica už vytvára významnú tepelnú bariéru.
Samočistiaci účinok fluidného lôžka je preto pre PTFE rúrky ešte cennejší ako pre kovové rúrky. Nepretržitým odstraňovaním vodného kameňa lôžko zaisťuje, že jediným tepelným odporom je samotná stena PTFE plus vrstvy na hranici tekutiny. Celkový koeficient prestupu tepla zostáva stabilný a predvídateľný počas mesiacov alebo rokov prevádzky.
Cieľové kľúčové slovosamočistiace PTFE rúrky výmenníka tepla s fluidným lôžkom-zapuzdruje túto synergiu: PTFE poskytuje ochranu proti korózii pre agresívne usadzovacie kvapaliny, zatiaľ čo fluidizované častice poskytujú mechanické čistenie, ktoré chemické alebo tepelné prostriedky nedokážu dosiahnuť bez vypnutia.
Výhody v službách vážneho škálovania
Medzi služby vážneho škálovania patria:
Ohrev tvrdej vodyv chladiacich vežiach, kotloch alebo systémoch diaľkového vykurovania. Uhličitan vápenatý sa pri teplote nad 60 stupňov rýchlo zráža. Fluidný PTFE výmenník môže pracovať neobmedzene dlho bez čistenia kyselinou.
Koncentrovanie minerálnych kalovpri ťažbe alebo výrobe hnojív. Sadra, síran vápenatý a fosfátové šupiny sú mimoriadne húževnaté. Fluidizované lôžko udržuje steny trubice čisté a zachováva rýchlosť výroby.
Odparovanie soľanky alebo predohrev odsoľovaniakde by kryštalizácia soli inak zablokovala kovové rúrky. Nepriľnavý povrch PTFE v kombinácii s odstraňovaním častíc prakticky eliminuje priľnavosť.
Rekuperácia odpadového tepla z procesných tokov vodného kameňato by zanášalo konvenčné výmenníky. Fluidné lôžko umožňuje rekuperáciu tepla tam, kde to predtým nebolo možné.
Hlavné prevádzkové výhody sú:
Konštantný koeficient prestupu tepla– Žiadna degradácia v priebehu času. Výmenník pracuje pri projektovanom výkone od spustenia až po odstavenie.
Žiadne chemické čistenie– Eliminuje nebezpečný odpad, skladovanie čistiacich prostriedkov a kroky neutralizácie.
Znížené prestoje– Výmenník sa nikdy nemusí odpájať z dôvodu odstraňovania vodného kameňa. Odstávky sú obmedzené na zriedkavé mechanické kontroly (každých 2–5 rokov).
Úspora energie– Pretože koeficient prestupu tepla neklesá, nie je potrebné zvyšovať požadovanú teplotu kvapaliny alebo prietok, aby sa kompenzovalo zanášanie. Čerpacia sila častíc je zvyčajne 5 – 15 % preneseného tepla, čo je mierna penalizácia v porovnaní s výhodami.
Dlhšia životnosť trubice– Rúry PTFE sa výrazne neopotrebúvajú, pretože častice sú vybrané tak, aby boli mäkšie ako materiál rúrky, alebo sa prevádzkujú pri nízkej rýchlosti. V praxi sa pri prevádzke s fluidným lôžkom uvádza životnosť rúr 5–10 rokov.
Technické aspekty dizajnu
Výber častíc
Častice musia byť:
Dostatočne husté, aby boli unášané smerom nahor prúdom tekutiny, ale nie také husté, aby sa usadzovali pri nízkych rýchlostiach.
Dostatočne tvrdé na to, aby obrúsili vodný kameň, ale nie tak silno, aby erodovali PTFE. Alumina (oxid hlinitý) má tvrdosť podľa Mohsa 9, čo môže časom opotrebovať PTFE. Výhodné sú sklenené guľôčky (tvrdosť 5–6) alebo keramické guľôčky na báze oxidu kremičitého alebo zirkónia. Pre veľmi mäkké odlupovacie vrstvy je možné použiť narezané PTFE alebo polymérové guľôčky.
Chemicky inertný voči procesnej kvapaline. Sklo je vhodné pre mnohé kyslé alebo neutrálne prúdy, zatiaľ čo keramické alebo kovové častice sa používajú na alkalické alebo vysokoteplotné služby.
Veľkostne jednotné, aby sa predišlo zhlukovaniu alebo rozdeľovaniu. Častice sú typicky guľovité alebo takmer guľovité pre predvídateľnú fluidizáciu.
Geometria a orientácia rúr
Technológia fluidného lôžka funguje najefektívnejšie s rovnými, vertikálne orientovanými rúrkami. Častice sa pri recirkulácii spoliehajú na gravitáciu a ťah tekutiny smerom nahor. Horizontálne rúrky alebo U-ohyby spôsobujú usadzovanie častíc a upchávanie. Preto má PTFE výmenník tepla s fluidným lôžkom takmer vždy vertikálnu konštrukciu plášťa a rúrky s procesnou kvapalinou na strane rúrky (prenášajúcou častice) a vykurovacím alebo chladiacim médiom na strane plášťa.
Priemer rúrky musí byť dostatočne veľký, aby častice mohli prechádzať bez premostenia. Minimálny vnútorný priemer rúrky je zvyčajne 15–25 mm. PTFE rúrky sú často podopreté vonkajším kovovým perforovaným puzdrom, aby sa zabránilo kolapsu pod tlakom fluidizačného prúdu.
Pokles rýchlosti a tlaku
Rýchlosť tekutiny musí prekročiť "minimálnu rýchlosť fluidizácie" (rýchlosť, pri ktorej sa lôžko častíc rozpína a častice sa suspendujú), ale musí zostať pod "rýchlosťou unášania" (kde sú častice vynášané z rúrok príliš rýchlo). Pre 2 mm sklenené guľôčky vo vode je rozsah približne 0,5–2 m/s. Pokles tlaku naprieč zväzkom rúrok je vyšší ako v bežnom výmenníku-zvyčajne 50–100 kPa-v dôsledku dodatočného odporu častíc. Táto penalizácia je prijateľná vzhľadom na elimináciu prestojov pri čistení.
Separácia a recirkulácia
V hornej časti zväzku rúrok vystupuje zmes tekutiny a častíc do odpojovacej nádoby s veľkým priemerom. Rýchlosť prúdenia klesá, čo umožňuje časticiam usadiť sa gravitáciou. Vyčistená tekutina pokračuje v procese. Usadené častice sa zhromažďujú v násypke a vracajú sa do vstupu cez recirkulačné potrubie, často pomocou závitovkového dopravníka alebo fluidizačnej nohy. Rýchlosť cirkulácie častíc sa nastavuje tak, aby sa udržala požadovaná koncentrácia (zvyčajne 2–5 % objemu v skúmavkách).
Aplikácie a priemyselné prijatie
Fluidné výmenníky tepla s kovovými rúrkami sa používajú od 70. rokov 20. storočia v odvetviach, ako je rafinácia cukru (ohrievanie trstinovej šťavy), geotermálna energia (manipulácia so soľankou z vodného kameňa) a čistenie odpadových vôd. Mnohé kvapaliny na usadzovanie vodného kameňa sú však tiež žieravé. Rúry z nehrdzavejúcej ocele alebo titánu odolávajú korózii, ale sú drahé a stále vyžadujú pravidelné čistenie. PTFE trubice, ktoré sú odolné voči korózii a nepriľnavé, sú prirodzeným vylepšením.
Nedávne inštalácie sa objavili v:
Rastliny na hnojenie– Zahrievanie kalov kyseliny fosforečnej obsahujúcich sadru. PTFE rúrky odolávajú pôsobeniu kyseliny, zatiaľ čo fluidné lôžko zastavuje usadzovanie sadry.
Odsoľovacie predhrievače– Úprava morskej vody chemikáliami proti usadzovaniu vodného kameňa môže byť znížená alebo eliminovaná, čím sa znížia prevádzkové náklady.
Zahrievanie banskej zásypovej kaše– Zmes hlušiny a cementu, ktorá rýchlo odlupuje kovové povrchy. Fluidný PTFE výmenník udržuje prenos tepla celé mesiace.
Obmedzenia a budúce smerovanie
Fluidné PTFE výmenníky tepla nie sú univerzálnym riešením. Vyžadujú vyššie vertikálne konfigurácie, ktoré sa nemusia hodiť do existujúcich usporiadaní závodu. Častice zvyšujú zložitosť a počiatočné náklady. V prípade tekutín s veľmi vysokou viskozitou môže byť fluidizácia slabá. Nízka tepelná vodivosť PTFE stále kladie základný odpor, takže táto technológia je najvhodnejšia pre služby, kde by inak znečistenie spôsobilo, že kovový výmenník by bol nepoužiteľný, nie pre úlohy s čistou kvapalinou, kde by bol kovový výmenník účinnejší.
Pokračuje výskum menších, ľahších častíc, ktoré možno použiť v horizontálnych alebo naklonených trubiciach. Ďalším vývojom je použitie magnetických častíc zachytených vonkajšími magnetmi, čím sa eliminuje potreba separačnej nádoby. Napriek tomu je kombinácia PTFE rúrok so samočistiacim fluidným lôžkom už osvedčeným riešením pre niektoré z najťažších problémov priemyselného vykurovania.
Zhrnutie: Takmer dokonalé riešenie pre tvorbu vodného kameňa a koróziu
Technológia fluidného lôžka v spojení s PTFE trubicami ponúka takmer dokonalé riešenie na udržanie účinného prúdenia korozívnych, usadzujúcich sa prúdov, čím sa eliminuje veľký bod bolesti. Samočistiaci účinok cirkulujúcich častíc zabraňuje usadzovaniu vodného kameňa a udržuje konštantný koeficient prestupu tepla bez prestávok na chemické alebo mechanické čistenie. PTFE poskytuje chemickú odolnosť, ktorá chýba kovovým rúram, zatiaľ čo fluidné lôžko prekonáva nízku tepelnú vodivosť PTFE tým, že zaisťuje, že sa nevytvára žiadna ďalšia vrstva znečistenia. Inovácia často znamená spojenie dvoch vyspelých technológií novým spôsobom-asamočistiace PTFE rúrky výmenníka tepla s fluidným lôžkom-koncept je učebnicovým príkladom. Pre procesných inžinierov, ktorí čelia dvojitej výzve korózie a tvorby vodného kameňa, táto technológia premieňa to, čo bolo kedysi nočnou morou údržby, na operáciu s nastavením a zabudnutím.
