چگونه پوسته-عدد رینولدز جانبی بر شروع جریان{1}}لرزش لوله القا شده در مبدل PTFE تأثیر میگذارد؟
پیام بگذارید
لوله های PTFE در یک مبدل حرارتی با سرعت جریان پایین در سمت پوسته، بی صدا و پایدار هستند. با این حال، افزایش سرعت جانبی پوسته{1}}میتواند از آستانه هیدرولیک پنهان عبور کند. سرعت سیال، شدت تلاطم، انعطافپذیری لوله و فاصله نگهدارنده به طور بحرانی با هم ترکیب میشوند تا به مایع در جریان اجازه میدهند تا بهطور غیرمنتظرهای بهطور دینامیکی بستهبندی لوله را تحریک کند. نتیجه ارتعاش ناشی از جریان است، زمانی که لوله هایی که قبلا ساکن بودند شروع به نوسان، نوسان و در برخی موارد با صدای قابل شنیدن در برابر تکیه گاه های خود می کنند.
بنابراین، پیوند بین عدد رینولدز سمت پوسته و ارتعاش لوله یکی از ضروریترین تعاملات مکانیکی{0}}هیدرولیک در طراحی مبدلهای حرارتی فلوروپلیمری است و عملکرد مبدل PTFE نیز به این موضوع مرتبط است.
عدد رینولدز در جریان سمت پوسته چیست؟
عدد رینولدز یک عدد بدون بعد است که ماهیت جریان سیال را توصیف می کند. این ترکیبی از تأثیرات زیر است:
سرعت سیال
چگالی سیال
ویسکوزیته مایعات
مشخصه قطر هیدرولیک
در جریان مبدلهای جانبی پوسته-، از عدد رینولدز برای نشان دادن اینکه جریان سیال عموماً صاف، جریان آرام یا پرانرژی و آشفته است، استفاده میشود.
عدد رینولدز بالاتر، انرژی آشفته تر
برای یک هندسه دسته لوله خاص، افزایش در پوسته{0}}عدد رینولدز جانبی اغلب به این معناست:
سرعت جریان متقاطع بالاتر
تلاطم با شدت بالاتر
نیروهای فشار نوسانی بزرگتر
قدرت بیشتر ریزش گرداب
در زیر مقداری آستانه، نیروهای نوسانی برای جابجایی دسته لوله به روشی معنادار بسیار کم هستند. سیستم هنوز از نظر مکانیکی میرایی و ثابت است.
با این حال، پس از عبور از نقطه بحرانی، انرژی جریان ممکن است به شدت با فرکانسهای ارتعاش ذاتی لولهها جفت شود.
چرا لوله های PTFE به لرزش حساس هستند؟
در حالی که PTFE دارای مقاومت شیمیایی بالا و ایمنی در برابر خوردگی است، از نظر مکانیکی به طور قابل توجهی نسبت به مواد لوله فلزی سخت تر است.
لوله های PTFE با لوله های فولادی ضد زنگ یا تیتانیوم مقایسه می شوند:
مدول یانگ را کاهش داد
افزایش انعطاف پذیری
فرکانس های طبیعی کاهش یافته است
انحراف بیشتر تحت بار
در نتیجه، عدد رینولدز ضروری برای شروع ارتعاش معمولاً در سرعتهای جانبی پوسته{0} کمتری نسبت به مبدلهای فلزی قابل مقایسه به دست میآید.
این امر در نظر گرفتن ارتعاشات در طراحی مبدل های فلوئوروپلیمری بسیار مهم است.
مکانیسم ارتعاش لوله ناشی از جریان
پوسته آشفته-سیال جانبی که در سراسر بسته لوله جریان دارد، باعث تغییر میدانهای فشار در اطراف هر یک از لولهها میشود.
نوسان و ریزش گرداب
گرداب های متناوب پشت لوله ها تنش های جانبی چرخه ای را ایجاد می کنند. در دبی های کم این نیروها ضعیف و تا حد زیادی بی ضرر هستند.
با افزایش عدد رینولدز:
سطح آشفتگی افزایش می یابد
تغییرات فشار در حال آشکارتر شدن است
نیروهای نوسانی منسجم تر نیروهای نوسانی منسجم تر
حرکت لوله شروع به بهبود می کند
اگر فرکانس تحریک نزدیک به فرکانس طبیعی لوله باشد، ممکن است پدیده رزونانسی ایجاد شود.
سپس دامنه ارتعاش می تواند به سرعت افزایش یابد، نه تدریجی.
سیال{0}}ناپایداری الاستیک: آستانه بحرانی
سرعت بحرانی برای ناپایداری{0}}الاستیک سیال یکی از مهمترین بررسیهای طراحی در طراحی مبدل است.
چرا ریسک در حال افزایش است
حرکت به سمت بی ثباتی یک خط مستقیم نیست. در زیر حالت جریان بحرانی، فرآیندهای میرایی غالب هستند و حرکت لوله را سرکوب می کنند. بالاتر از این، خود سیال با سرعتی سریعتر از سازه می تواند انرژی را به چرخه نوسانات کمک کند.
سپس حتی افزایش جزئی در سرعت جریان می تواند باعث ایجاد دامنه ارتعاشات نامتناسب شود.
خود لوله به عنوان دستگاه تست خستگی خود عمل می کند و بارها و بارها در تعداد چرخه های بالا کشیده می شود تا زمانی که سایش، ترک خوردگی یا آسیب پشتیبانی رخ دهد.
اثرات معمول لرزش بیش از حد
ارتعاشات ناشی از جریان-اگر مدیریت نشود منجر به:
خستگی در دیواره لوله
ساپورت پوشیدن
سایش ساینده
برخورد لوله-به-لوله
خرابی های نشتی
آسیب بسته - فاجعهبار
مواد نسبتاً نرم در مبدلهای PTFE میتوانند به ویژه مستعد سایش نوسانی طولانیمدت-در سایتهای پشتیبانی باشند.
تجزیه و تحلیل ارتعاش لوله در سمت پوسته مبدل PTFE توسط عدد رینولدز
در طراحی مبدل، از محاسبات هیدرولیکی و مکانیکی ترکیبی برای ارزیابی رابطه بین عدد رینولدز سمت پوسته، ارتعاش لوله و پایداری مبدل PTFE استفاده میشود.
پارامترهای موثر بر آستانه بحرانی
چندین جنبه بر ظهور بی ثباتی تأثیر می گذارد.
تأثیر متغیرهای طراحی بر ارتعاش
سرعت سمت پوسته نیروی تحریک افزایش یافته است
طول دهانه لوله دهانه های بلندتر باعث کاهش سفتی می شود
قطر لوله تغییرات فرکانس طبیعی
چگالی سیال بارگذاری دینامیکی بهتر
فاصله لوله ها مدیریت مقاومت در برابر لرزش
سختی دیوار (PTFE) بر رفتار انحراف تأثیر می گذارد
تعامل این مؤلفهها پیچیدهتر از یک قانون--تخمین سرانگشتی ساده است و به تحقیقات مهندسی دقیق نیاز دارد.
اهمیت فاصله پشتیبانی لوله
یکی از موثرترین ابزارها برای جلوگیری از مشکلات ارتعاش در مبدل های PTFE، فاصله پشتیبانی لوله است.
هرچه این فاصله کوتاهتر باشد فرکانس طبیعی بالاتر است.
از نظر مکانیکی لوله مانند یک پرتو انعطاف پذیر عمل می کند. فرکانس ذاتی ارتعاش دهانه بسیار تحت تأثیر طول بدون پشتیبانی آن است.
افزودن پشتیبانی های بیشتر:
طول پشتیبانی نشده در حال کاهش است
سفتی لوله با موفقیت افزایش می یابد
دامنه انحراف کاهش می یابد
فرکانس طبیعی بسیار بالا می رود
مهم است که رابطه فرکانس طبیعی به طول دهانه حساس باشد. همانطور که دهانه پشتیبانی نشده کاهش می یابد، فرکانس طبیعی تقریباً با مجذور تأثیر کاهش افزایش می یابد، بنابراین فاصله پشتیبانی یک اقدام متقابل فوق العاده قوی است.
این فرکانس رزونانس لوله را به بالاتر از ناحیه اصلی تحریک آشفته ایجاد شده توسط پوسته{0}}جریان جانبی منتقل می کند.
دستورالعمل صنعت و TEMA
تجزیه و تحلیل ارتعاشات ناشی از جریان یک فعالیت معمول در مهندسی مبدل حرارتی پوسته-و-لوله تحت اصول TEMA است.
ملاحظات طراحی توسط TEMA
در چارچوب انجمن تولیدکنندگان مبدل لوله ای (TEMA)، تکنیک های ارزیابی زیر عبارتند از:
سرعت جریان عرضی
حساسیت به لرزش 1.
فرکانس های طبیعی یک لوله
محدودیت های ناپایداری الاستیک سیال
پاسخ به ریزش گرداب
همان مفاهیم اولیه ارتعاش برای مبدلهای PTFE اعمال میشود، با این حال، نگرانیهای خاص مواد{0}} باید در نظر گرفته شود.
آنها باید اطمینان حاصل کنند که شرایط جریان عملیاتی از مناطق ناپایداری بحرانی برای محدوده عملیاتی تخمینی مبدل دور است.
رویکردهای طراحی اضافی برای کاهش لرزش
علاوه بر فاصله پشتیبانی، روش های متعدد دیگری نیز وجود دارد که اغلب برای محدود کردن خطر لرزش استفاده می شود.
کاهش سرعت جانبی پوسته
کاهش سرعت جانبی پوسته به طور مستقیم نیروهای تحریک آشفته را کاهش می دهد و عدد رینولدز را کاهش می دهد.
بهینه سازی هندسه بافل
فاصله بافل و هندسه برش ممکن است بر:
توزیع جریان: مورب
شدت تلاطم
اوج سرعت موضعی است
تعادل هیدرولیکی دقیق برای جلوگیری از مناطق متمرکز تحریک استفاده می شود.
تنظیم بسته نرم افزاری لوله
تولید گرداب و برهم کنش بیدار در آرایش های زمین مثلثی و مربعی متفاوت است. بنابراین، حساسیت به ارتعاش به انتخاب شکل دسته بستگی دارد.
میرایی سازه ای بهبود یافته
در برخی از طرح های مبدل، عناصر میرایی اضافی برای کمک به اتلاف انرژی نوسانی قبل از برآورده شدن معیارهای تشدید ارائه می شود.
مبدل های PTFE نیاز به تعادل دقیق دارند
مبدل های PTFE معمولاً به دلیل ظرفیت آنها برای مدیریت شرایط شیمیایی متخاصم که سیستم های فلزی برای آنها مناسب نیستند انتخاب می شوند.
اما همان انعطافپذیری که به لولههای PTFE اجازه میدهد تنش حرارتی را جذب کنند، آنها را از نظر مکانیکی نسبت به نیروهای جریان آشفته حساستر میکند.
در نتیجه بهینه سازی طراحی نیاز به تعادل دارد:
مقاومت در برابر خوردگی
کارایی انتقال حرارت
از دست دادن فشار
پایداری مکانیکی
محدودیت سرعت جریان
سرعت های تهاجمی جانبی پوسته ممکن است عملکرد حرارتی را بهبود بخشد اما خطر ارتعاش را به طور همزمان افزایش می دهد.
خلاصه
بخش اساسی مهندسی مبدل حرارتی PTFE، پیشبینی شروع ارتعاشات ناشی از جریان است. انرژی جریان آشفته با افزایش عدد رینولدز پوسته{1}}به طور قابل توجهی افزایش می یابد. و در نهایت به سطحی می رسد که نیروهای نوسان سیال می توانند فرکانس های ذاتی دسته لوله PTFE انعطاف پذیر را تحریک کنند.
اثر متقابل بین عدد رینولدز سمت پوسته، ارتعاش لوله و عملکرد مبدل PTFE توسط سفتی لوله، دهانه پشتیبانی، سرعت جریان متقاطع و دینامیک سیال تعیین میشود. محاسبات طراحی دقیق، از جمله بررسی سرعت ناپایداری الاستیک سیال بر اساس استانداردهای TEMA، به تضمین کارکرد مبدل در زیر محدودیتهای ارتعاش ناایمن کمک میکند.
تکیه گاه های لوله با فاصله کم هنوز یکی از موثرترین اقدامات متقابل در بین تمام موارد موجود است، زیرا آنها فرکانس طبیعی لوله را به شدت افزایش می دهند و دامنه انحراف را کاهش می دهند. با طراحی هیدرولیک و مکانیکی مناسب، یک مبدل PTFE می تواند برای سالیان طولانی بسیار بی صدا و قابل اعتماد باشد.
جریان بی صدا به طور کلی بارزترین شاخصی است که نشان می دهد یک بسته لوله ای در محدوده محدودیت های طراحی خود در سیستم های پردازش حرارتی به طور ایمن اجرا می شود.
