כיצד משפיע מספר ה-Side Reynolds-הצד על תחילת הזרימה-רטט צינור המושרה במחליף PTFE?
השאר הודעה
צינורות ה-PTFE במחליף חום שקטים ויציבים בקצבי זרימה נמוכים בצד המעטפת. עם זאת, מהירות צד גדלה של-מעטפת יכולה לחצות סף הידראולי נסתר. מהירות הנוזל, עוצמת המערבולת, גמישות הצינור ומרווחי התמיכה משתלבים באופן קריטי כדי לאפשר לנוזל הזורם לעורר באופן דינמי את צרור הצינורות באופן בלתי צפוי. התוצאה היא רטט המושרה על ידי זרימה-, כאשר צינורות שהיו בעבר סטטיים מתחילים להתנדנד, להתנדנד ובמקרים מסוימים לקרקש בצליל נשמע כנגד התומכים שלהם.
לכן, הקשר בין מספר ריינולדס בצד המעטפת לבין רטט הצינור הוא אחת מהאינטראקציות המכאניות-הידראוליות החיוניות ביותר בתכנון של מחליפי חום פלואורפולימריים והביצועים של מחליף PTFE קשורים גם לכך.
מהו מספר ריינולדס ב-Shell Side Flow?
מספר ריינולדס הוא מספר חסר ממדים המתאר את אופי זרימת הנוזל. זהו שילוב של ההשפעות של:
מהירות הנוזל
צפיפות הנוזל
צמיגות של נוזלים
מאפיין קוטר הידראולי
בזרימת מחליף צד-, משתמשים במספר ריינולדס כדי לציין אם זרימת הנוזל היא בדרך כלל חלקה, זרימה למינרית או זרימה אנרגטית וסוערת.
מספר ריינולדס גבוה יותר, אנרגיה סוערת יותר
עבור גיאומטריה מסוימת של צרור צינורות, עלייה במספר -הצד של ריינולדס מרמז לעתים קרובות:
מהירות זרימה צולבת גבוהה יותר
מערבולות בעוצמה גבוהה יותר
כוחות לחץ מתנודדים גדולים יותר
כוח גדול יותר של שפיכת מערבולת
מתחת לרמת סף כלשהי, הכוחות המתנודדים קטנים מדי כדי לעקור את צרור הצינורות בצורה משמעותית כלשהי. המערכת עדיין משוככת מכנית ויציבה.
עם זאת, לאחר שהנקודה הקריטית עברה, אנרגיית הזרימה עשויה להתחיל להצטרף חזק עם תדרי הרטט המובנים של הצינורות.
מדוע צינורות PTFE רגישים לרעידות
בעוד של-PTFE יש עמידות כימית גבוהה וחסינות בפני קורוזיה, הוא מבחינה מכנית פחות קשיחה משמעותית מחומרי צינור מתכתי.
צינורות PTFE מושווים לצינורות נירוסטה או טיטניום:
מודולוס של יאנג מופחת
גמישות מוגברת
הורדת תדרים טבעיים
סטיה גדולה יותר תחת עומס
כתוצאה מכך, מספר ריינולדס החיוני לתחילת הרטט מושג בדרך כלל במהירויות צד- נמוכות יותר מאשר במחלפי מתכת דומים.
זה הופך את השיקול של רעידות למכריע במיוחד בתכנון של מחליפי פלואורפולימר.
מנגנון רטט צינור המושרה בזרימה
הנוזל הצדדי של המעטפת הסוער- הזורם על פני צרור הצינורות גורם לשדות לחץ משתנים סביב כל אחד מהצינורות.
תנודת וורטקס ונשירה
מערבולות מתחלפות מאחורי הצינורות מספקות מתחים רוחביים מחזוריים. בקצבי זרימה נמוכים כוחות אלו חלשים ובמידה רבה בלתי מזיקים.
עם מספר ריינולדס הולך וגדל:
רמת המערבולת עולה
שינויים בלחץ הופכים בולטים יותר
יותר כוחות נדנוד קוהרנטיים יותר כוחות נדנוד קוהרנטיים
תנועת הצינור מתחילה להשתפר
אם תדר הגירוי קרוב לתדר הטבעי של הצינור, עלולות להופיע תופעות תהודה.
אז משרעת הרטט יכולה לגדול במהירות, לא בהדרגה.
נוזל-אי-יציבות אלסטית: הסף הקריטי
מהירות קריטית לאי-יציבות גמישה-בנוזל היא אחת מבדיקות התכנון המשמעותיות ביותר בתכנון מחליף.
מדוע הסיכון עולה
המעבר לחוסר יציבות אינו קו ישר. מתחת למצב הזרימה הקריטי, תהליכי השיכוך דומיננטיים ומדכאים את תנועת הצינור. מעל זה, הנוזל עצמו מתחיל לתרום אנרגיה למחזור התנודה בקצב מהיר יותר ממה שהמבנה יכול לפזר אותו.
אז אפילו עליות קלות במהירות הזרימה יכולות לגרום לאמפליטודות רטט עצומות באופן לא פרופורציונלי.
הצינור עצמו משמש כמכונת בדיקת עייפות משלו, נמתח שוב ושוב בספירת מחזור גבוהה עד להתרחשות בלאי, סדק או נזק לתמיכה.
השפעות אופייניות של רטט מוגזם
רטט המושרה בזרימה-אם לא מנוהל יביא ל:
עייפות בדופן הצינור
ללבוש תמיכה
בלאי שוחק
התנגשות מצינור-ל-צינור
כשלי דליפה
נזק לצרור - קטסטרופלי
החומר הרך יחסית במחלפי PTFE עלול להיות מועד במיוחד לבלאי-לטווח ארוך באתרי תמיכה.
ניתוח של רטט צינור בצד מעטפת של מחליף PTFE לפי מספר ריינולדס
בתכנון המחליף, החישוב ההידראולי והמכני המשולב משמש להערכת הקשר בין מספר ריינולדס בצד המעטפת, רטט הצינור ויציבות מחליף PTFE.
פרמטרים המשפיעים על הסף הקריטי
מספר היבטים משפיעים על הופעת חוסר היציבות.
השפעת משתני עיצוב על רטט
מהירות צד המעטפת כוח התעוררות מוגבר
אורך תוחלת הצינור טווחים ארוכים יותר מפחיתים את הקשיחות
קוטר הצינור שינויים בתדר טבעי
צפיפות נוזלים טעינה דינמית טובה יותר
מרווח צינורות ניהול עמידות בפני רעידות
קשיחות קיר (PTFE) משפיעה על התנהגות הסטייה
האינטראקציה של רכיבים אלה מסובכת יותר מאומדן פשוט-של-אצבע ודורשת מחקר הנדסי קפדני.
החשיבות של מרווח תמיכת צינורות
אחד הכלים היעילים ביותר למניעת בעיות רטט במחלפי PTFE הוא מרווח תמיכת צינורות.
ככל שהטווח קצר יותר, כך התדר הטבעי גבוה יותר.
מבחינה מכנית הצינור מתנהג כקורה גמישה. תדירות הרטט המובנית של הטווח מושפעת מאוד מהאורך הלא נתמך שלו.
הוספת תומכים נוספים:
אורך לא נתמך הולך ופוחת
קשיחות הצינור מוגברת בהצלחה
משרעת הסטייה פוחתת
התדר הטבעי עולה מאוד
חשוב שיחס התדר הטבעי יהיה רגיש לאורך הטווח. ככל שהטווח הלא נתמך מצטמצם, התדר הטבעי גדל בערך כריבוע של פגיעת ההפחתה, ומכאן שמרווח התמיכה הוא אמצעי נגד חזק במיוחד.
זה מעביר את תדר תהודה של הצינור לגבוה מהאזור הראשי של עירור סוער שנוצר על ידי זרימת הצד של הקונכייה-.
שיטות תעשייה והנחיות TEMA
ניתוח רטט המושרה על ידי זרימה הוא פעילות שגרתית בהנדסת מחליפי חום-ו-צינורות תחת עקרונות TEMA.
שיקולי עיצוב של TEMA
במסגרת התאחדות יצרני מחליף צינורות (TEMA), טכניקות ההערכה הבאות הן:
מהירות זרימה רוחבית
רגישות לרטט 1.
תדרים טבעיים של צינור
גבולות של חוסר יציבות אלסטית של נוזל
תגובה לשפיכת מערבולת
אותם מושגי רטט בסיסיים חלים על מחליפי PTFE, אולם יש לקחת בחשבון חששות ספציפיים של חומר נוסף-.
עליהם להבטיח שתנאי הזרימה התפעוליים רחוקים מאזורי אי היציבות הקריטיים לטווח הפעולה המשוער של המחליף.
גישות עיצוב נוספות להפחתת רעידות
בנוסף למרווח התמיכה, ישנן גישות רבות נוספות המשמשות לעתים קרובות כדי להגביל את הסיכון לרטט.
מהירות צד נמוכה של מעטפת
הפחתת מהירות הצד-מפחיתה ישירות את כוחות העירור הסוערים ומקטינה את מספר ריינולדס.
אופטימיזציה של גיאומטריית Baffle
מרווח הבלבול וגיאומטריית החיתוך עשויים להשפיע על:
חלוקת זרימה: אלכסונית
עוצמת המערבולת
פסגות מהירות מקומיות
נעשה שימוש באיזון הידראולי קפדני כדי למנוע אזורים מרוכזים של עירור.
סידור צרור של צינור
יצירת המערבולת ואינטראקציית הערות שונים בסידורי הגובה המשולש והמרובע. לכן, הרגישות לרטט תלויה בבחירת צורת החבילה.
שיכוך מבני משופר
בעיצובים מסוימים של מחליף מסופקים אלמנטי שיכוך נוספים כדי לסייע בפיזור אנרגיית תנודה לפני עמידה בקריטריונים של תהודה.
מחליפי PTFE דורשים איזון קפדני
מחליפי PTFE נבחרים בדרך כלל בשל יכולתם לנהל תנאים כימיים עוינים שמערכות מתכתיות אינן מתאימות להם.
אבל אותה גמישות שמאפשרת לצינורות PTFE לספוג מתח תרמי הופכת אותם לרגישים יותר מבחינה מכנית לכוחות זרימה סוערים.
אופטימיזציה של עיצוב צריכה לאזן:
עמידות בפני קורוזיה
יעילות העברת חום
אובדן לחץ
יציבות מכנית
גבולות מהירות הזרימה
מהירויות צד אגרסיביות של המעטפת עשויות לשפר את הביצועים התרמיים אך להגדיל את הסיכון לרטט בו זמנית.
תַקצִיר
חלק מהותי בהנדסת מחליף חום PTFE הוא חיזוי ההתחלה של רטט שנוצר בזרימה. אנרגיית הזרימה הסוערת גדלה באופן משמעותי עם העלייה במספר -הצד של ריינולדס. ולבסוף מגיע לרמה שבה כוחות הנוזל המשתנים יכולים לעורר את התדרים המובנים של צרור צינורות ה-PTFE הגמיש.
יחסי הגומלין בין מספר ריינולדס בצד המעטפת, רטט הצינור וביצועי מחליף PTFE נקבעים על ידי קשיחות הצינור, טווח תמיכה, מהירות זרימה צולבת ודינמיקת נוזלים. חישובי תכנון קפדניים, כולל בחינה של מהירות אי-יציבות אלסטית של נוזל- לפי תקני TEMA, מסייעים להבטיח שהמחלף פועל מתחת לגבולות רעידות לא בטוחים.
תומכי הצינור המרווחים בצמוד הם עדיין אחד מאמצעי הנגד היעילים ביותר מבין כל אלה הזמינים, מכיוון שהם מעלים באופן דרסטי את התדר הטבעי של הצינור ומפחיתים את משרעת ההטיה. עם התכנון ההידראולי והמכני הנכון, מחליף PTFE יכול להיות שקט ואמין מאוד למשך שנים רבות.
זרימה שקטה היא בדרך כלל האינדיקטור הברור ביותר לכך שצרור צינורות פועל בצורה מאובטחת במסגרת מגבלות התכנון שלו במערכות עיבוד תרמי.
