Kako stransko-Reynoldsovo število lupine vpliva na začetek pretoka-povzročene vibracije cevi v PTFE izmenjevalniku?

PTFE cevi v izmenjevalniku toplote so tihe in stabilne pri nizkih pretokih na strani ohišja. Vendar pa lahko naraščajoča -stranska hitrost lupine preseže skriti hidravlični prag. Hitrost tekočine, intenzivnost turbulence, prožnost cevi in ​​podporni razmik se kritično združijo, da omogočijo tekoči tekočini, da nepričakovano dinamično stimulira cevni snop. Posledica so vibracije,-ki jih povzroča tok, ko cevi, ki so bile prej statične, začnejo nihati, nihati in v nekaterih primerih z slišnim zvokom ropotati ob svoje nosilce.

Zato je povezava med Reynoldsovim številom na ohišju in vibracijami cevi ena najpomembnejših mehanskih-hidravličnih interakcij pri načrtovanju fluoropolimernih toplotnih izmenjevalnikov, s tem pa je povezana tudi učinkovitost PTFE izmenjevalnika.

Kaj je Reynoldsovo število v Shell Side Flow?
Reynoldsovo število je brezdimenzionalno število, ki opisuje naravo toka tekočine. To je mešanica učinkov:

Hitrost tekočine

Gostota tekočine

Viskoznost tekočin

Karakteristika hidravličnega premera

Pri toku izmenjevalnika-na lupini se Reynoldsovo število uporablja za označevanje, ali je tok tekočine na splošno gladek, laminaren tok ali energičen, turbulenten tok.

Višje Reynoldsovo število, več turbulentne energije
Za določeno geometrijo cevnega snopa povečanje Reynoldsovega števila-na strani lupine pogosto pomeni:

Večja hitrost prečnega toka

Turbulenca višje intenzivnosti

Večje sile nihanja tlaka

Večja moč vrtinčenja

Pod določeno mejno vrednostjo so nihajoče sile premajhne, ​​da bi kakor koli smiselno premaknile cevni snop. Sistem je še vedno mehansko blažen in stabilen.

Vendar pa se lahko po prehodu kritične točke energija toka začne močno povezovati z inherentnimi frekvencami nihanja cevi.

Zakaj so PTFE cevi občutljive na vibracije
Medtem ko ima PTFE visoko kemično odpornost in odpornost proti koroziji, je mehansko bistveno manj tog kot kovinski cevni materiali.

PTFE cevi primerjamo s cevmi iz nerjavečega jekla ali titana:

Zmanjšan Youngov modul

Povečana prožnost

Znižane naravne frekvence

Večji upogib pod obremenitvijo

Posledično je bistveno Reynoldsovo število za začetek vibriranja običajno doseženo pri nižjih stranskih hitrostih- kot pri primerljivih kovinskih izmenjevalcih.

Zaradi tega je upoštevanje vibracij še posebej ključno pri načrtovanju fluoropolimernih izmenjevalnikov.

Mehanizem vibracij cevi, ki ga povzroči pretok
Turbulentna tekočina na -strani lupine, ki teče čez cevni snop, povzroči spreminjanje tlačnih polj okoli vsake od cevi.

Vrtinsko nihanje in odvajanje
Izmenični vrtinci za cevmi zagotavljajo ciklične bočne napetosti. Pri nizkih pretokih so te sile šibke in večinoma neškodljive.

Z naraščajočim Reynoldsovim številom:

Stopnja turbulence se poveča

Nihanje tlaka postaja vse izrazitejše

Bolj koherentne nihajne sile Bolj koherentne nihajne sile

Gibanje cevi se začne izboljševati

Če je frekvenca stimulacije blizu naravne frekvence cevi, lahko pride do resonančnih pojavov.

Takrat lahko amplituda vibracij narašča hitro, ne postopoma.

Elastična-nestabilnost tekočine: kritični prag
Kritična hitrost za-elastično nestabilnost tekočine je eno najpomembnejših preverjanj konstrukcije pri načrtovanju izmenjevalnika.

Zakaj se tveganje povečuje
Premik k nestabilnosti ni ravna črta. Pod kritičnim stanjem pretoka prevladujejo procesi dušenja in zavirajo gibanje cevi. Nad tem začne tekočina sama prispevati energijo v cikel nihanja s hitrostjo, ki je hitrejša, kot jo struktura lahko razprši.

Takrat lahko že manjša povečanja hitrosti toka povzročijo nesorazmerno velike amplitude vibracij.

Sama cev služi kot lasten stroj za testiranje utrujenosti, ki se znova in znova razteza pri velikem številu ciklov, dokler ne pride do obrabe, razpok ali poškodb podpore.

Tipični učinki čezmernih vibracij
Vibracije,-ki jih povzroča pretok, če jih ne upravljate, povzročijo:

Utrujenost v steni cevi

Podporna obraba

Abrazivna obraba

Trčenje med-cevmi-cevmi

Napake zaradi puščanja

Poškodba paketa - katastrofalna

Razmeroma mehak material v izmenjevalnikih PTFE je lahko še posebej nagnjen k dolgotrajni-oscilacijski obrabi na podpornih mestih.

Analiza vibracij cevi na ohišju PTFE izmenjevalnika z Reynoldsovim številom
Pri zasnovi izmenjevalnika se kombinirani hidravlični in mehanski izračun uporablja za ovrednotenje razmerja med Reynoldsovim številom na strani lupine, vibracijami cevi in ​​stabilnostjo PTFE izmenjevalnika.

Parametri, ki vplivajo na kritični prag
Na nastanek nestabilnosti vpliva več vidikov.

Vpliv konstrukcijskih spremenljivk na vibracije
Hitrost lupine Stranska sila vzbujanja se poveča
Dolžina razpona cevi Daljši razponi zmanjšajo togost
Premer cevi Spremembe naravne frekvence
Gostota tekočine Boljša dinamična obremenitev
Razmik cevi Upravljanje odpornosti proti vibracijam
Togost stene (PTFE) Vpliva na upogibno obnašanje
Medsebojno delovanje teh komponent je bolj zapleteno kot preprosta ocena--pravila in zahteva natančno inženirsko raziskavo.

Pomen razmika med nosilci cevi
Eno najučinkovitejših orodij za preprečevanje težav z vibracijami v izmenjevalnikih PTFE je razmik med cevmi.

Čim krajši je razpon, tem večja je lastna frekvenca.
Mehansko se cev obnaša kot upogljiv žarek. Na inherentno frekvenco vibracij razpona močno vpliva njegova nepodprta dolžina.

Dodajanje več podpor:

Nepodprto zmanjševanje dolžine

Togost cevi je uspešno povečana

Amplituda odklona se zmanjša

Naravna frekvenca se zelo poveča

Pomembno je, da je razmerje naravne frekvence občutljivo na dolžino razpona. Ko se nepodprti razpon zmanjša, se naravna frekvenca poveča približno kot kvadrat vpliva zmanjšanja, zato je razmik med podporami izjemno močan protiukrep.

To premakne resonančno frekvenco cevi višje od glavnega območja turbulentnega vzbujanja, ki ga ustvari -stranski tok lupine.

Industrijska praksa in smernice TEMA
Analiza vibracij, povzročenih s tokom, je rutinska dejavnost pri inženiringu oklepnih-in-cevnih izmenjevalnikov toplote po načelih TEMA.

Oblikovanje TEMA
V okviru Združenja proizvajalcev cevnih izmenjevalcev (TEMA) so naslednje tehnike ocenjevanja:

Prečna hitrost toka

Občutljivost na vibracije 1.

Lastne frekvence elektronke

Meje elastične nestabilnosti tekočine

Odziv na vrtinčenje

Isti osnovni koncepti vibracij veljajo za PTFE izmenjevalnike, vendar je treba upoštevati-posebne pomisleke glede dodatnega materiala.

Zagotoviti morajo, da so delovni pogoji pretoka daleč od območij kritične nestabilnosti za ocenjeno območje delovanja izmenjevalnika.

Dodatni načrtovalski pristopi za zmanjšanje vibracij
Poleg razmika med podporami obstajajo še številni drugi pristopi, ki se pogosto uporabljajo za omejitev tveganja vibracij.

Zmanjšana stranska hitrost školjke
Zmanjšanje stranske-hitrosti lupine neposredno zmanjša turbulentne sile vzbujanja in zmanjša Reynoldsovo število.

Optimizacija pregradne geometrije
Razmik med pregradami in geometrija reza lahko vplivata na:

Porazdelitev toka: diagonalno

Intenzivnost turbulence

Vrhovi hitrosti so lokalizirani

Uporablja se skrbno hidravlično uravnoteženje, da se izognemo koncentriranim območjem vzbujanja.

Razporeditev snopa cevi
Generiranje vrtinca in medsebojno delovanje sledov sta različni v trikotnih in kvadratnih razporeditvah korakov. Zato je občutljivost na vibracije odvisna od izbire oblike snopa.

Izboljšano strukturno blaženje
V nekaterih zasnovah izmenjevalnikov so na voljo dodatni dušilni elementi, ki pomagajo razpršiti nihajno energijo, preden so izpolnjeni resonančni kriteriji.

Izmenjevalniki iz PTFE zahtevajo skrbno uravnoteženje
PTFE izmenjevalniki so običajno izbrani zaradi svoje sposobnosti obvladovanja sovražnih kemičnih pogojev, za katere kovinski sistemi niso primerni.

Toda enaka prožnost, ki PTFE cevem omogoča, da absorbirajo toplotno obremenitev, jih naredi bolj mehansko občutljive na sile turbulentnega toka.

Optimizacija oblikovanja mora zato uravnotežiti:

Odpornost proti koroziji

Učinkovitost prenosa toplote

Izguba pritiska

Mehanska stabilnost

Omejitve hitrosti toka

Agresivne stranske hitrosti lupine lahko izboljšajo toplotno učinkovitost, vendar hkrati povečajo tveganje za vibracije.

Povzetek
Temeljni del inženiringa toplotnega izmenjevalnika PTFE je predvidevanje začetka vibracij, ki jih povzroča tok. Energija turbulentnega toka znatno naraste s povečanjem Reynoldsovega števila-na strani lupine. In končno doseže raven, kjer lahko nihajoče tekočinske sile vzbudijo inherentne frekvence fleksibilnega snopa cevi iz PTFE.

Medsebojno delovanje med Reynoldsovim številom na lupini, vibracijami cevi in ​​delovanjem PTFE izmenjevalnika je določeno s togostjo cevi, razponom podpore, hitrostjo-prečnega toka in dinamiko tekočine. Natančni načrtovalski izračuni, vključno s pregledom hitrosti-elastične nestabilnosti tekočine po standardih TEMA, pomagajo zagotoviti, da izmenjevalnik deluje pod nevarnimi mejami vibracij.

Tesno nameščeni cevni nosilci so še vedno eden najučinkovitejših protiukrepov med vsemi razpoložljivimi, saj drastično dvignejo lastno frekvenco cevi in ​​zmanjšajo amplitudo odklona. S pravilno hidravlično in mehansko zasnovo je lahko PTFE izmenjevalec zelo tih in zanesljiv več let.

Tihi tok je na splošno najbolj očiten pokazatelj, da cevni snop deluje varno v okviru svojih konstrukcijskih omejitev v sistemih za toplotno obdelavo.