Procesos, kuros katlakmens veidošanās ir neizbēgama,-piemēram, cieta ūdens sildīšana vai noteiktas minerālu vircas{1}}tradicionālie siltummaiņi ātri izolē sevi ar iežu slāni. Verdošā slāņa siltummainis cīnās ar sīku, kūstošu daļiņu baru, kas noslīd no kaļķakmens tik ātri, cik tas veidojas, saglabājot PTFE caurules tīras un siltuma plūsmu. Apvienojot PTFE izturību pret koroziju ar verdošo daļiņu slāņa mehānisko pašattīrošo darbību, jauna siltummaiņa klase nodrošina nemainīgu, augstas efektivitātes veiktspēju vissarežģītākajos mērogošanas pakalpojumos.
Mērogošanas problēma parastajos siltummaiņos
Katlakmens veidošanās (saukta arī par piesārņojumu) notiek, kad izšķīdušie sāļi, minerāli vai suspendētas cietās vielas nogulsnējas uz siltuma pārneses virsmām. Ciets ūdens nogulsnē kalcija karbonātu. Minerālu vircas atstāj silikātu vai sulfātu zvīņas. Pat bioloģiskā augšana var veidot plēvi. Tradicionālā apvalka un caurules vai plākšņu apmainītājā katlakmens uzkrājas laika gaitā. 1 mm kalcija karbonāta slāņa termiskā pretestība ir līdzvērtīga desmitiem milimetru tērauda pievienošanai. Siltuma pārneses koeficienti krasi samazinās, tāpēc tīrīšanai nepieciešama augstāka šķidruma temperatūra, ilgāks uzturēšanās laiks vai periodiska izslēgšana.
Ķīmiskā tīrīšana (skābes cirkulācija) ir kodīga un rada bīstamus atkritumus. Mehāniskajai tīrīšanai (stieņi, birstes vai augstspiediena ūdens) siltummainim ir jābūt bezsaistē, dažreiz vairākas dienas. Smagos mērogošanas pakalpojumos ražošanas zudumi no tīrīšanas var pārsniegt siltummaiņa kapitāla izmaksas viena gada laikā.
Kā darbojas verdošā slāņa siltummainis
Verdošā slāņa siltummainī šķidruma plūsmā ir iekļautas nelielas, cietas daļiņas, -parasti alumīnija oksīds, stikla lodītes, nerūsējošā tērauda skrotis vai keramikas sfēras-. Šīs daļiņas tiek pārvadātas kopā ar procesa šķidrumu cauruļu iekšpusē (vai korpusa pusē, lai gan biežāk sastopamas caurules puses verdošā slāņa). Šķidrumam plūstot uz augšu pa vertikāli orientētām caurulēm, daļiņas tiek piesaistītas. Tās gāžas, saduras un maigi berž cauruļu iekšējās sienas. Jebkurš katlakmens, kas sāk veidoties kodolā, tiek nekavējoties noberzts kustīgo daļiņu pastāvīgās mehāniskās iedarbības rezultātā.
Daļiņas nav pietiekami abrazīvas, lai sabojātu caurules materiālu. PTFE caurulēm, kas ir mīkstākas par metālu, rūpīgi tiek kontrolēts daļiņu izmērs, blīvums un koncentrācija. Tipiski daļiņu diametri svārstās no 1 līdz 5 mm, un koncentrācija tiek uzturēta zem 5 tilpuma%. Daļiņas tiek atdalītas no procesa šķidruma lielākā nostādināšanas traukā vai ciklonā pie siltummaiņa izejas. No turienes tie tiek recirkulēti uz ieplūdi, veidojot slēgtu cilpu. Sistēma darbojas nepārtraukti, un tīrīšanai nav nepieciešama operatora iejaukšanās.
Tā ir maiga, bet nerimstoša ūdens strūkla katrā caurulē-izņemot to, ka "strūkla" patiesībā ir tūkstošiem cietu daļiņu, kas pārvietojas ar mazu ātrumu, noņemot nogulsnes agrīnā veidošanās stadijā, pirms tā var pāraugt par izolācijas slāni.
Verdošās gultas tehnoloģijas savienošana pārī ar PTFE caurulēm
PTFE (politetrafluoretilēna) caurules piedāvā izcilu ķīmisko izturību. Tie ir inerti pret stiprām skābēm, sārmiem un organiskajiem šķīdinātājiem. Tomēr PTFE ir zema siltumvadītspēja (apmēram 0,25 W/m·K), salīdzinot ar metāliem (15–400 W/m·K). Tāpēc jebkura papildu pretestība pret piesārņojumu ir īpaši kaitīga. Plāns slānis uz PTFE caurules var samazināt siltuma pārnesi par 50% vai vairāk, jo pati caurule jau rada ievērojamu termisko barjeru.
Tāpēc verdošā slāņa pašattīrīšanās darbība ir vēl vērtīgāka PTFE caurulēm nekā metāla caurulēm. Nepārtraukti noņemot katlakmens, gulta nodrošina, ka vienīgā termiskā pretestība ir pati PTFE siena un šķidruma robežslāņi. Kopējais siltuma pārneses koeficients saglabājas stabils un paredzams vairākus mēnešus vai darbības gadus.
Mērķa atslēgvārdsverdošā slāņa siltummaiņa PTFE cauruļu pašattīrīšana{0}}iekapsulē šo sinerģiju: PTFE nodrošina aizsardzību pret koroziju agresīviem skalošanas šķidrumiem, savukārt šķidrās daļiņas nodrošina mehānisku tīrīšanu, ko nevar panākt ar ķīmiskiem vai termiskiem līdzekļiem bez izslēgšanas.
Ieguvumi no nopietniem mērogošanas pakalpojumiem
Smagi mērogošanas pakalpojumi ietver:
Cietā ūdens sildīšanadzesēšanas torņos, apkures katlos vai centralizētās siltumapgādes sistēmās. Kalcija karbonāts ātri izgulsnējas virs 60 grādiem. Verdošā slāņa PTFE siltummainis var darboties bezgalīgi bez skābes tīrīšanas.
Koncentrējošas minerālu vircaskalnrūpniecībā vai mēslošanas līdzekļu ražošanā. Ģipša, kalcija sulfāta un fosfāta skalas ir ārkārtīgi izturīgas. Verdošā gulta uztur cauruļu sienas tīras, saglabājot ražošanas ātrumu.
Sālījumu iztvaicēšana vai atsāļošanas priekšsildīšanakur sāls kristalizācija citādi bloķētu metāla caurules. PTFE nepiedegošā virsma apvienojumā ar daļiņu attīrīšanu praktiski novērš adhēziju.
Atkritumu siltuma atgūšana no mērogošanas procesa plūsmāmtas varētu sabojāt parastos siltummaiņus. Verdošais slānis ļauj atgūt siltumu tur, kur tas iepriekš nebija iespējams.
Galvenās darbības priekšrocības ir:
Pastāvīgs siltuma pārneses koeficients– Laika gaitā nav degradācijas. Siltummainis darbojas ar paredzēto jaudu no palaišanas līdz izslēgšanai.
Bez ķīmiskās tīrīšanas– Likvidē bīstamos atkritumus, tīrīšanas līdzekļu uzglabāšanu un neitralizācijas posmus.
Samazināts dīkstāves laiks– Katlakmens noņemšanai siltummainis nekad nav jāpārslēdz bezsaistē. Apturēšana attiecas tikai uz retām mehāniskām pārbaudēm (ik pēc 2–5 gadiem).
Enerģijas ietaupījums– Tā kā siltuma pārneses koeficients nesamazinās, nepieciešamā šķidruma temperatūra vai plūsmas ātrums nav jāpalielina, lai kompensētu piesārņojumu. Daļiņu sūknēšanas jauda parasti ir 5–15% no nodotā siltuma, kas ir pieticīgs sods salīdzinājumā ar ieguvumiem.
Ilgāks caurules kalpošanas laiks– PTFE caurules nav ievērojami nodilušas, jo daļiņas ir izvēlētas tā, lai tās būtu mīkstākas par caurules materiālu, vai tās tiek darbinātas ar mazu ātrumu. Praksē verdošā slāņa apkalpošanā tiek ziņots par cauruļu kalpošanas laiku 5–10 gadi.
Tehniskā dizaina apsvērumi
Daļiņu atlase
Daļiņām jābūt:
Pietiekami blīvi, lai šķidruma plūsma to nestu uz augšu, bet ne tik blīvi, lai tie nosēstos ar mazu ātrumu.
Pietiekami ciets, lai noberztu katlakmeni, bet ne tik ciets, lai tie grautu PTFE. Alumīnija oksīda (alumīnija oksīda) cietība pēc Mosa ir 9, kas laika gaitā var nolietot PTFE. Priekšroka dodama stikla pērlītēm (cietība 5–6) vai keramikas pērlītēm uz silīcija dioksīda vai cirkonija dioksīda bāzes. Ļoti mīkstiem mērogošanas slāņiem var izmantot grieztas PTFE vai polimēru lodītes.
Ķīmiski inerts procesa šķidrumam. Stikls ir piemērots daudzām skābām vai neitrālām plūsmām, savukārt keramikas vai metāla daļiņas tiek izmantotas sārmainiem vai augstas temperatūras pakalpojumiem.
Izmērs ir vienāds, lai izvairītos no iepakošanas vai novirzīšanas. Daļiņas parasti ir sfēriskas vai gandrīz sfēriskas, lai nodrošinātu paredzamu fluidizāciju.
Caurules ģeometrija un orientācija
Šķidruma slāņa tehnoloģija visefektīvāk darbojas ar taisnām, vertikāli orientētām caurulēm. Daļiņas paļaujas uz gravitāciju un augšupvērstu šķidruma vilkšanu, lai recirkulētu. Horizontālās caurules vai U veida līkumi izraisa daļiņu nogulsnēšanos un aizsprostojumu. Tāpēc verdošā slāņa PTFE siltummainis gandrīz vienmēr ir vertikāla apvalka un caurules konstrukcija, kurā procesa šķidrums atrodas caurules pusē (kas satur daļiņas) un sildīšanas vai dzesēšanas vide korpusa pusē.
Caurules diametram jābūt pietiekami lielam, lai daļiņas varētu iziet bez tilta veidošanās. Minimālais caurules iekšējais diametrs parasti ir 15–25 mm. PTFE caurules bieži tiek atbalstītas ar ārējo metāla perforētu uzmavu, lai novērstu sabrukšanu šķidruma plūsmas spiediena ietekmē.
Ātruma un spiediena kritums
Šķidruma ātrumam jāpārsniedz "minimālais fluidizācijas ātrums" (ātrums, ar kādu daļiņu slānis izplešas un daļiņas tiek suspendētas), bet jāpaliek zemākam par "iekļūšanas ātrumu" (ja daļiņas tiek izvadītas no caurulēm pārāk ātri). 2 mm stikla lodītēm ūdenī diapazons ir aptuveni 0,5–2 m/s. Spiediena kritums cauruļu saišķī ir lielāks nekā parastajā apmainītājā, -parasti 50–100 kPa- daļiņu papildu pretestības dēļ. Šis sods ir pieņemams, ņemot vērā tīrīšanas dīkstāves novēršanu.
Atdalīšana un recirkulācija
Cauruļu saišķa augšpusē šķidruma un daļiņu maisījums iziet liela diametra atvienošanas traukā. Plūsmas ātrums samazinās, ļaujot daļiņām nosēsties gravitācijas ietekmē. Dzidrinātais šķidrums turpina procesu. Nosēdušās daļiņas tiek savāktas tvertnē un caur recirkulācijas cauruli tiek atdotas atpakaļ ieplūdē, bieži izmantojot skrūvju konveijeru vai šķidrināšanas kāju. Daļiņu cirkulācijas ātrumu noregulē, lai uzturētu vēlamo koncentrāciju (parasti 2–5% no tilpuma mēģenēs).
Lietojumprogrammas un rūpnieciskā pieņemšana
Verdošā slāņa siltummaiņi ar metāla caurulēm ir izmantoti kopš 1970. gadiem tādās nozarēs kā cukura rafinēšana (cukurniedru sulas karsēšana), ģeotermālā enerģija (apstrāde ar sālījumiem) un notekūdeņu attīrīšana. Tomēr daudzi kaļķakmens šķidrumi ir arī kodīgi. Nerūsējošā tērauda vai titāna caurules ir izturīgas pret koroziju, taču tās ir dārgas, un tām joprojām ir nepieciešama periodiska tīrīšana. PTFE caurules, kas ir gan izturīgas pret koroziju, gan nelipīgas, ir dabisks jauninājums.
Jaunākās instalācijas ir parādījušās:
Mēslojuma augi– ģipsi saturošu fosforskābes vircu karsēšana. PTFE caurules ir izturīgas pret skābes iedarbību, savukārt verdošais slānis aptur ģipša nogulsnēšanos.
Atsāļošanas priekšsildītāji– Jūras ūdens apstrādi ar pretkaļķošanas ķimikālijām var samazināt vai pilnībā novērst, tādējādi samazinot ekspluatācijas izmaksas.
Apkures raktuvju aizbēršanas virca– Atslāņošanās un cementa maisījums, kas ātri zvīņo metāla virsmas. Verdošā slāņa PTFE siltummainis uztur siltuma pārnesi vairākus mēnešus.
Ierobežojumi un nākotnes virzieni
Verdošā slāņa PTFE siltummaiņi nav universāls risinājums. Tiem ir nepieciešamas augstākas vertikālas konfigurācijas, kas var neiederēties esošajos augu izkārtojumos. Daļiņas palielina sarežģītību un sākotnējās izmaksas. Šķidrumiem ar ļoti augstu viskozitāti šķidrums var būt vājš. PTFE zemā siltumvadītspēja joprojām nosaka bāzes pretestību, tāpēc tehnoloģija ir vislabāk piemērota pakalpojumiem, kur piesārņojums citādi padarītu metāla siltummaini nelietojamu, nevis tīra šķidruma pienākumiem, kur metāla apmaiņas iekārta būtu efektīvāka.
Pašlaik tiek pētītas mazākas, vieglākas daļiņas, kuras var izmantot horizontālās vai slīpās caurulēs. Vēl viena attīstība ir ārējo magnētu aizturētu magnētisko daļiņu izmantošana, novēršot nepieciešamību pēc atdalīšanas tvertnes. Tomēr PTFE cauruļu kombinācija ar pašattīrošu verdošo slāni jau ir pārbaudīts risinājums dažām vissarežģītākajām rūpnieciskās apkures problēmām.
Kopsavilkums: gandrīz ideāls risinājums kaļķakmens un korozijas novēršanai
Verdošā slāņa tehnoloģija, ja tā ir savienota pārī ar PTFE caurulēm, piedāvā gandrīz ideālu risinājumu, lai efektīvi plūstu kodīgas, mērogojošas plūsmas, novēršot galveno sāpju punktu. Cirkulējošos daļiņu pašattīrīšanās darbība novērš katlakmens uzkrāšanos, saglabājot nemainīgu siltuma pārneses koeficientu bez izslēgšanas ķīmiskai vai mehāniskai tīrīšanai. PTFE nodrošina ķīmisko izturību, kuras trūkst metāla caurulēm, savukārt verdošā slāņa pārvar PTFE zemo siltumvadītspēju, nodrošinot, ka neveidojas papildu piesārņojuma slānis. Inovācija bieži nozīmē divu nobriedušu tehnoloģiju apvienošanu jaunā veidā-unverdošā slāņa siltummaiņa PTFE cauruļu pašattīrīšana{0}}koncepcija ir mācību grāmatas piemērs. Procesu inženieriem, kas saskaras ar dubultu izaicinājumu, proti, koroziju un mērogošanu, šī tehnoloģija pārvērš to, kas kādreiz bija apkopes murgs, par iestatīšanas un aizmirstības darbību.
