Как кожухът-странично число на Рейнолдс влияе върху началото на потока-предизвикана вибрация на тръбата в PTFE обменник?

PTFE тръбите в топлообменник са тихи и стабилни при ниски скорости на потока от страната на корпуса. Въпреки това, нарастващата -странична скорост на корпуса може да премине скрит хидравличен праг. Скоростта на флуида, интензитетът на турбуленцията, гъвкавостта на тръбата и разстоянието между опорите се комбинират критично, за да позволят на течащата течност динамично да стимулира неочаквано тръбния сноп. Резултатът е вибрация,-предизвикана от потока, когато тръби, които преди това са били статични, започват да се люлеят, осцилират и в някои случаи тракат с доловим звук срещу опорите си.

Следователно връзката между числото на Рейнолдс от страната на корпуса и вибрациите на тръбата е едно от най-съществените механични-хидравлични взаимодействия при проектирането на флуорополимерни топлообменници и работата на PTFE обменника също е свързана с това.

Какво е числото на Рейнолдс в Shell Side Flow?
Числото на Рейнолдс е безразмерно число, описващо природата на потока течност. Това е комбинация от въздействията на:

Скорост на течността

Плътност на течността

Вискозитет на течности

Характеристика на хидравличния диаметър

При поток-от страната на обменника числото на Рейнолдс се използва, за да посочи дали потокът на флуида обикновено е гладък, ламинарен поток или енергичен, турбулентен поток.

По-високо число на Рейнолдс, повече турбулентна енергия
За конкретна геометрия на тръбния сноп увеличаването на числото на Рейнолдс-от страната на черупката често означава:

По-висока скорост на напречен поток

Турбуленция с по-висок интензитет

По-големи осцилиращи сили на натиск

По-голяма мощност на завихряне

Под някакво прагово ниво флуктуиращите сили са твърде малки, за да изместят тръбния сноп по някакъв значим начин. Системата все още е механично демпфирана и стабилна.

Въпреки това, след преминаване на критичната точка, енергията на потока може да започне да се свързва силно с присъщите честоти на вибрации на тръбите.

Защо PTFE тръбите са чувствителни към вибрации
Докато PTFE има висока химическа устойчивост и устойчивост на корозия, той е механично значително по-малко твърд от металните тръбни материали.

PTFE тръбите се сравняват с тръби от неръждаема стомана или титан:

Намален модул на Юнг

Повишена гъвкавост

Намалени естествени честоти

По-голяма деформация при натоварване

В резултат на това същественото число на Рейнолдс за започване на вибрация обикновено се постига при по-ниски скорости на -страни на корпуса, отколкото в сравними метални топлообменници.

Това прави отчитането на вибрациите особено важно при проектирането на флуорополимерни обменници.

Механизъм за вибрации на тръбата, предизвикан от потока
Турбулентният флуид-от страната на черупката, протичащ през тръбния сноп, предизвиква променящи се полета на налягане около всяка от тръбите.

Вихрови колебания и проливане
Променливите вихри зад тръбите осигуряват циклични странични напрежения. При ниски дебити тези сили са слаби и до голяма степен безвредни.

С увеличаване на числото на Рейнолдс:

Нивото на турбуленция се повишава

Промените в налягането стават все по-изразени

По-кохерентни осцилиращи сили По-кохерентни осцилиращи сили

Движението на тръбата започва да се подобрява

Ако честотата на стимулация е близка до естествената честота на тръбата, може да възникне резонансно явление.

Тогава амплитудата на вибрациите може да се увеличи бързо, а не постепенно.

Флуидна{0}}еластична нестабилност: Критичният праг
Критичната скорост за-еластична нестабилност на флуида е една от най-значимите проверки при проектирането на топлообменника.

Защо рискът се увеличава
Преминаването към нестабилност не е права линия. Под критичното състояние на потока процесите на затихване са доминиращи и потискат движението на тръбата. Над това самата течност започва да допринася с енергия в цикъла на трептене със скорост, по-бърза отколкото структурата може да я разсее.

Тогава дори незначителни увеличения на скоростта на потока могат да причинят непропорционално големи амплитуди на вибрации.

Самата тръба служи като собствена машина за изпитване на умора, като се разтяга отново и отново при голям брой цикли, докато настъпи износване, напукване или повреда на опората.

Типични ефекти от прекомерна вибрация
Вибрацията,-предизвикана от потока, ако не се управлява, ще доведе до:

Умора в стената на тръбата

Поддържа износване

Абразивно износване

Сблъсък-в-тръба

Неизправности при течове

Повреда на пакет - катастрофална

Сравнително мекият материал в PTFE топлообменниците може да бъде особено предразположен към дългосрочно-осцилиращо износване на опорните места.

Анализ на вибрациите на тръбата от страната на корпуса на PTFE топлообменник чрез числото на Рейнолдс
При проектирането на топлообменника комбинираното хидравлично и механично изчисление се използва за оценка на връзката между числото на Рейнолдс от страната на черупката, вибрациите на тръбата и стабилността на PTFE обменника.

Параметри, влияещи върху критичния праг
Няколко аспекта влияят върху появата на нестабилност.

Влияние на проектните променливи върху вибрациите
Скорост на черупката Страна на възбуждане Повишена сила
Дължина на участъка на тръбата По-дългите участъци намаляват твърдостта
Диаметър на тръбата Промени в естествената честота
Плътност на течността По-добро динамично натоварване
Разстояние между тръбите Управление на устойчивостта на вибрации
Коравина на стената (PTFE) Влияе на поведението при деформация
Взаимодействието на тези компоненти е по-сложно от просто -{1}}приблизително правило и изисква внимателно инженерно проучване.

Значението на разстоянието между опорите на тръбите
Един от най-ефективните инструменти за предотвратяване на проблеми с вибрациите в PTFE топлообменниците е разстоянието между опорите на тръбите.

Колкото по-къс е диапазонът, толкова по-висока е естествената честота.
Механично тръбата се държи като гъвкава греда. Присъщата честота на вибрациите на участъка е силно повлияна от неговата неподкрепена дължина.

Добавяне на още поддръжка:

Неподдържаната дължина намалява

Коравината на тръбата е успешно увеличена

Амплитудата на отклонение намалява

Естествената честота се повишава много

Важно е връзката на естествената честота да е чувствителна към дължината на обхвата. Тъй като неподдържаният обхват се намалява, естествената честота се увеличава около квадрата на въздействието на намаляването, следователно разстоянието между опорите е изключително мощно противодействие.

Това премества резонансната честота на тръбата до по-висока от основната област на турбулентно възбуждане, създадено от страничния поток на обвивката-.

Индустриална практика и насоки на TEMA
Анализът на вибрациите, предизвикани от потока, е рутинна дейност в кожухот{0}}и-тръбния топлообменник съгласно принципите на TEMA.

Съображения за дизайн от TEMA
В рамките на Асоциацията на производителите на тръбни топлообменници (TEMA) следните техники за оценка са:

Напречна скорост на потока

Чувствителност към вибрации 1.

Собствени честоти на тръба

Граници на еластична нестабилност на флуида

Отговор на завихряне

Същите основни концепции за вибрации се прилагат и за PTFE топлообменници, но трябва да се вземат предвид-специфичните опасения за допълнителни материали.

Те трябва да гарантират, че работните условия на потока са далеч от критичните области на нестабилност за очаквания работен диапазон на топлообменника.

Допълнителни дизайнерски подходи за намаляване на вибрациите
В допълнение към опорното разстояние, има много други подходи, които често се използват за ограничаване на риска от вибрации.

Намалена странична скорост на корпуса
Намаляването на скоростта-отстрани на корпуса директно намалява силите на турбулентно възбуждане и намалява числото на Рейнолдс.

Оптимизиране на геометрията на преградата
Разстоянието между преградите и геометрията на среза може да повлияе на:

Разпределение на потока: диагонално

Интензивност на турбуленцията

Пиковете на скоростта са локализирани

Използва се внимателно хидравлично балансиране, за да се избегнат концентрирани зони на възбуждане.

Снопово подреждане на тръбата
Генерирането на вихри и взаимодействието на следите са различни в триъгълното и квадратното разположение на стъпката. Следователно податливостта на вибрации зависи от избора на формата на снопа.

Подобрено структурно амортизиране
В някои конструкции на топлообменник са осигурени допълнителни амортизиращи елементи, за да помогнат за разсейването на енергията на колебанията, преди да бъдат изпълнени критериите за резонанс.

Топлообменниците от PTFE изискват внимателно балансиране
PTFE топлообменниците обикновено се избират заради способността им да управляват враждебни химически условия, за които металните системи не са подходящи.

Но същата гъвкавост, която позволява на PTFE тръбите да поемат термично напрежение, ги прави механично по-чувствителни към силите на турбулентния поток.

Оптимизацията на дизайна следователно трябва да балансира:

Устойчивост на корозия

Ефективност на преноса на топлина

Загуба на налягане

Механична стабилност

Граници на скоростта на потока

Агресивните странични скорости на корпуса могат да подобрят топлинните характеристики, но същевременно да увеличат риска от вибрации.

Резюме
Основна част от инженерството на PTFE топлообменника е предвиждането на началото на генерираната от потока вибрация. Енергията на турбулентния поток нараства значително с увеличаването на числото на Рейнолдс от -черупката. И накрая достига ниво, при което флуктуиращите флуидни сили могат да възбудят присъщите честоти на гъвкавия PTFE тръбен сноп.

Взаимодействието между числото на Рейнолдс от страната на корпуса, вибрациите на тръбата и производителността на PTFE обменника се определя от твърдостта на тръбата, опорния обхват, скоростта на напречния -поток и динамиката на флуида. Внимателните проектни изчисления, включително изследване на скоростта-еластична нестабилност на флуида според стандартите TEMA, помагат да се гарантира, че топлообменникът работи под опасните граници на вибрации.

Плътно разположените тръбни опори все още са една от най-ефективните контрамерки сред всички налични, тъй като те драстично повишават естествената честота на тръбата и намаляват амплитудата на отклонение. С правилния хидравличен и механичен дизайн, PTFE топлообменник може да бъде много тих и надежден в продължение на много години.

Безшумният поток обикновено е най-очевидният индикатор, че тръбният сноп работи сигурно в рамките на своите проектни ограничения в системите за термична обработка.