チューブ内部の汚れが PTFE 交換器のチューブ側対流熱伝達係数に及ぼす影響は何ですか?{0}

滑らかな PTFE チューブの内側にスケールの薄い膜が最初に形成され始めると、熱伝達係数はいくぶん逆説的な挙動を示す可能性があります。非常に短時間であれば、熱性能がわずかに向上する場合もあります。初期の汚れ層はわずかに粗く、管壁に沿った通常は滑らかな境界層を破壊し、さらなる乱流を発生させ、流体の混合を増大させます。この短期間の利点にもかかわらず、長続きはしません。堆積物の厚さが増加すると、乱流による利点よりも汚れ層の断熱効果が優先され、熱交換器の熱伝達性能は着実に低下し始めます。

したがって、チューブの汚れの影響対流係数と PTFE 熱交換器の性能との関係は、単純な線形の劣化ではありません。汚れは時間の経過とともに発生し、最初は粗さ向上剤として、最終的には主要な熱障壁として発生します。

テフロン® チューブの内部では何が起こっているのでしょうか?
PTFE 熱交換器の熱性能は、次のような一連の抵抗によって決まります。

熱は以下を通過する必要があります。

チューブ側流体の境界層-

汚れが付着している場合

PTFEチューブ壁

シェル側の流体境界層

熱交換器の全体の熱伝達係数は、一般に U- 値と呼ばれる全熱抵抗に基づいています。

汚れが増加すると、追加の抵抗項がシステムに追加されます。

その抵抗は最初はごくわずかかもしれません。しかし、表面粗さの影響は一時的にはかなり大きくなる可能性があります。

なぜ少しの汚れが熱伝導を改善するのか
PTFE チューブ自体はかなり滑らかです。低い表面粗さにより、圧力降下と堆積物の付着が最小限に抑えられますが、滑らかな表面は、一部の流れの状況ではかなり安定した層状境界層を維持することもできます。

非常に薄い汚れ層が形成されると、内部表面の質感が変化します。

微細な粗さが流体の流れに現れ始め、壁の近くで小さな乱れを引き起こします。これらの妨害には以下が含まれます：

局所的な妨害を追加する

熱境界層を破壊する

強化されたラジアル流体混合

壁と流体間の熱伝達を改善する

熱交換器は一時的なプラトーや見かけの熱性能のわずかな上昇を示す可能性があるため、汚れはセンサーを一時的に騙します。

この影響は次の場合に最も顕著に現れます。

流れは最初は層流です

レイノルズ数は移行に近い

PTFE 本来の表面は非常に滑らかです。

汚れの厚さはまだ非常に薄い

この初期段階の粗さの影響は、ベースラインの表面テクスチャがすでに乱流しているため、粗い金属チューブではそれほど顕著ではありません。

対流熱伝達に対する粗さの影響
熱伝達に対する表面粗さの影響は、流体摩擦の挙動に直接関係しています。

乱流の解析では、粗さは以下に影響します。

摩擦係数

境界層の安定性

勢いの伝達。

熱伝達の強化

摩擦混合を促進する同じ要因が対流熱伝達にも影響します。

この関係は、古典的な輸送理論における摩擦係数と熱伝達係数の類似性に反映されています。

したがって、動作状況によっては、表面を少し粗くすると、チューブ側の対流熱伝達率が向上する可能性があります。{0}}

ただし、汚れ層の電気抵抗は時間の経過とともに増加し続けるため、このプラスの効果は一時的なものにすぎません。

汚れが蔓延しているとき
厚くなった付着物の絶縁品質はますます重要になっています。

一般に、堆積物自体は、流体および熱交換器の材料と比較して熱伝導率が低くなります。したがって、熱はバルク流体にアクセスする前に、もう 1 つの断熱層を通過する必要があります。

最終的には、乱流による利点は、余分な厚さによる熱の損失によって影が薄れてしまいます。

結果は次のとおりです。

合計U値の低減

熱伝達率が低い

より大きな温度へのアプローチ

熱応答が遅くなる

プロセスの不安定性が増大する

この時点で熱交換器は、産業システムで観察されるよく知られた長期の汚れによる劣化傾向に入ります。

一時的なプロセスとしての汚れに対する耐性
汚れの蓄積が一定の速度で進行することはほとんどありません。

多くのシステムでは、耐汚染性は漸近曲線に従います。

迅速な初期構築-

長期的には蓄積が遅くなる-

最終的には平衡に向けて安定化する

これらの初期の変化は、多くの場合、表面粗さと流れの乱れにおける最大の相対的な変化となります。

その後、堆積物は厚くなり、緻密になり、せん断力と部分的な剥離メカニズムによってさらなる成長が阻害されます。

耐汚染性のこの漸近挙動は、熱交換器が最初は安定しているように見えても、長期間の運転により徐々に熱効率が低下する理由を説明する可能性があります。

PTFE エクスチェンジャーが異常な汚れ挙動を示す理由
PTFE 交換体には、金属系とは異なる方法で汚れのダイナミクスに影響を与えるいくつかの特性があります。

初期表面は極めて滑らか
多くの金属製熱交換器材料と比較して、未使用の PTFE 表面は非常に滑らかです。

この低いベースライン粗さにより、微量のスケールから効果的な表面テクスチャが大幅に変化します。

これにより、初期段階の粗さ強調効果がより明確になります。{0}

低い表面エネルギー
PTFE の非粘着性の特性により、堆積物の強力な付着が防止されます。-

一部の汚れ層は、金属チューブ上に形成される堆積物よりも柔らかいままであるか、機械的に安定していないことがあります。

熱伝導率の低下
PTFE はすでに、ステンレス鋼やチタンなどの金属よりも優れた耐壁性を備えています。

したがって、追加の防汚性は、熱抵抗ネットワーク全体において比較的重要です。

汚れが非常に厚くなると、パフォーマンスの低下が特に顕著になる場合があります。

U値の長期下降傾向
短期的な粗さの影響はプラスですが、長期的な汚れのパフォーマンスは常にマイナスの方向になります。-

預金はまだ入ってきています:

チューブ径の縮小

流れの分布の変化

圧力低下が増加した

熱抵抗が上がります。

熱交換器の効率が低下する

ファウリングのより高い段階では、熱伝達率が操作に十分ではなくなるため、プロセスの制御が問題になる可能性があります。

エクスチェンジャーには次のものが必要になる場合があります。

化学洗浄

機械洗浄

チューブの交換

フローの最適化

プロセス化学の調整

介入を行わないと、慢性的な汚れが最終的に不可逆的なパフォーマンスの低下を引き起こす可能性があります。

定期的な掃除の大切さ
「汚れは段階的に進行するため、定期的なモニタリングが重要です。

一般的に追跡される指標には次のものがあります。

U 値を下げる-

圧力損失の増加

出口温度性能の低下

プロセス内の加熱期間の延長

一般に、ひどい汚れが蓄積するのを待つよりも、予防的なスケジュールでクリーニングを行う方が良いでしょう。

PTFE 交換器の場合、チューブ表面をきれいにすると、次の両方の維持に役立ちます。

定常状態の対流熱伝達

油圧の低抵抗

その目的は、厚い堆積物を除去するだけでなく、粗さのわずかな改善から大幅な断熱への移行を回避することです。

ファウリング: 動的熱現象
対流係数 PTFE 熱交換器とチューブの汚れの影響との関連性は、汚れが静的ではなく本質的に動的であることを示しています。

乱流と熱伝達は初期段階で一時的に強化されることがあります。しかし、時間の経過とともに、堆積物の絶縁特性がシステムの動作を支配します。

この二重性により、継続的な線形減少の単なる仮定以上にファウリング分析が複雑になります。

熱交換器が過渡的な粗さ向上段階にある場合、短期間の測定は誤解を招くことがよくあります。-

しかし、長期的な熱傾向は、堆積物の蓄積によるペナルティが増加する着実な傾向を示しています。

結論。
PTFE 熱交換器の内部チューブの汚れは、対流熱伝達性能に複雑で時間に依存する影響を及ぼします。最初は、非常に小さな汚れによって、滑らかな PTFE 表面が粗くなり、乱流が若干増加するため、チューブ側の対流熱伝達係数が一時的に改善される可能性があります。{1}

この最初の改善は長続きしません。-汚れの厚さが増加すると、堆積物の熱抵抗がより顕著になり、全体の U- 値が徐々に減少します。粗さは一時的に乱流を増加させますが、最終的には熱の移動に対する断熱バリアになります。

チューブのファウリング効果の対流係数 PTFE 熱交換器の挙動は、ファウリングが単純な 2 要素の状況ではなく、進行中の熱プロセスであることを示しています。ちょっとした大まかなスケールにしばらくの間オペレーターは騙されるかもしれませんが、持続的な熱交換器の効率は最終的にはきれいなチューブ内部表面の機能によって決まります。便利な粗さとして始まったものが、断熱ブランケットに変わります。