Plūsmas modelis, kas nosaka L/D efektu
Iegremdējamais PTFE siltummainis, kas uzstādīts pārklājuma tvertnē ar mehānisku maisīšanu, darbojas ar procesa šķidrumu, kas plūst pa cauruļu saišķi. Maisīšana cauruļu saišķa tuvumā rada cirkulējošu plūsmas modeli ar ātrumu 0,2–0,8 m/s.
Plūsma, kas tuvojas katrai saišķa caurulei, nav vienmērīga. Caurules, kas atrodas netālu no komplekta priekšējās malas, redz pilnu tuvošanās ātrumu, savukārt caurulēm saišķa iekšpusē ir samazināts ātrums, jo plūsmu daļēji bloķē augšupējās caurules. Ātruma sadalījums ir atkarīgs no cauruļu atstatuma, saišķa ģeometrijas un plūsmas virziena.
Garuma -pret-diametra attiecība ietekmē plūsmas modeli, nosakot, vai cauruļu saišķī ieplūstošā plūsma veido robežslāni visā caurules garumā, vai arī robežslāni pārtrauc caurules balsti un kūļa ģeometrija. Augsta L/D attiecība ļauj pilnībā attīstīties robežslānim, kas samazina siltuma pārneses koeficientu. Zema L/D attiecība pārtrauc robežslāni, kas palielina siltuma pārneses koeficientu.
L/D attiecība un attīstošais robežslānis
Caurules robežslānis šķērsplūsmā{0}} veidojas no priekšējās malas un pieaug biezumā visā caurules garumā. Caurulei ar augstu L/D attiecību robežslānis kļūst pilnībā izveidots lielākajā daļā caurules garuma, un siltuma pārneses koeficientu nosaka pilnībā attīstītais plūsmas stāvoklis. Caurulei ar zemu L/D attiecību robežslānis joprojām veidojas lielākajā daļā caurules garuma, un siltuma pārneses koeficients ir augstāks, jo robežslānis ir plānāks.
Termiskā ieejas garums, kas ir attālums, kas nepieciešams, lai temperatūras profils kļūtu pilnībā izveidots, ir proporcionāls Reinoldsa skaitlim un Prandtl skaitlim. Viskozam šķidrumam ar Prandtl skaitli 100 un Reinoldsa skaitli 100 termiskā ieejas garums ir aptuveni 50 caurules diametri. Caurulei, kuras L/D attiecība ir mazāka par 50, plūsma ir siltuma ievades reģionā, un siltuma pārneses koeficients ir augstāks par pilnībā izstrādāto vērtību.
Ūdenim{0}}līdzīgam šķidrumam ar Prandtla skaitli 7 un Reinoldsa skaitli 500 termiskā ieejas garums ir aptuveni 20 caurules diametri. Caurulei, kuras L/D attiecība ir mazāka par 20, plūsma ir termiskās ievades reģionā.
L/D attiecība un uzbudinājuma plūsma
Sajauktā tvertnē plūsmas virziens attiecībā pret cauruļu saišķi nav fiksēts. Maisīšana rada cirkulējošu plūsmu, kas maina virzienu, maisītājam griežoties. Caurules redz plūsmu, kas svārstās virzienā un lielumā, kas ietekmē robežslāņa attīstību.
Cauruļu saišķis ar augstu L/D attiecību nodrošina garu plūsmas ceļu uz maisīšanas plūsmu, un plūsma var tikt novirzīta ap kūli, nevis caur to. Zemas L/D attiecības saišķis nodrošina īsāku plūsmas ceļu un ļauj plūsmai vieglāk iekļūt saišķī.
Saišķa ģeometrija ietekmē arī plūsmas sadalījumu. Komplektā ar augstu L/D attiecību ir lielāks cauruļu rindu skaits plūsmas virzienā, kas palielina plūsmas pretestību un samazina ātrumu saišķa iekšpusē. Komplektā ar zemu L/D attiecību ir mazāk cauruļu rindu, kas samazina plūsmas pretestību un palielina ātrumu iekšpusē.
Optimāla L/D attiecība maisīto tvertņu apkalpošanai
Optimālā L/D attiecība iegremdējamam PTFE siltummainim maisītā tvertnē ir atkarīga no maisīšanas intensitātes, šķidruma īpašībām un siltuma slodzes. Mērenai maisīšanai ar ātrumu 0,3–0,5 m/s optimālā L/D attiecība parasti ir 20–40. Lielai maisīšanai ar ātrumu 0,5–0,8 m/s optimālā L/D attiecība ir 15–30.
Zemāka L/D attiecība nodrošina augstāku siltuma pārneses koeficientu, taču, lai sasniegtu vajadzīgo virsmas laukumu, nepieciešams lielāks cauruļu skaits vai lielāks saišķa nospiedums. Lielāka L/D attiecība nodrošina zemāku siltuma pārneses koeficientu, bet ļauj izveidot kompaktāku komplektu.
Kompromiss-ir starp siltuma pārneses efektivitāti un komplekta izmēru. Optimālā L/D attiecība ir tāda, kas nodrošina nepieciešamo siltuma slodzi ar viszemākajām kopējām izmaksām, ieskaitot kapitāla izmaksas un ekspluatācijas izmaksas.
L/D ietekmes uz siltuma pārneses koeficienta kvantitatīva noteikšana
Nākamajā tabulā ir apkopots siltuma pārneses koeficients un nepieciešamais virsmas laukums dažādām L/D attiecībām maisītā tvertnē ar procesa šķidruma ātrumu 0,4 m/s un Prandtl skaitli 20.
| L/D attiecība | Plūsmas režīms | Siltuma pārneses koeficients | Nepieciešamā virsma 20 kW | Bundle Footprint | Spiediena kritums |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | Ieejas reģions, plāns robežslānis | 450 W/m²·K | 4.4 m² | Kompakts | Zems |
| 15 | Daļēji attīstīta | 400 W/m²·K | 5.0 m² | Mērens | Zems |
| 20 | Daļēji attīstīta | 360 W/m²·K | 5.6 m² | Mērens | Mērens |
| 30 | Tuvojas pilnībā attīstīta | 320 W/m²·K | 6.3 m² | Liels | Mērens |
| 40 | Pilnībā izstrādāts | 290 W/m²·K | 6.9 m² | Liels | Augsts |
| 50 | Pilnībā izstrādāts | 270 W/m²·K | 7.4 m² | Ļoti liels | Augsts |
| 60 | Pilnībā izstrādāts | 255 W/m²·K | 7.8 m² | Ļoti liels | Ļoti augsts |
Siltuma pārneses koeficienta vērtības ir balstītas uz Žukauska korelāciju šķērsplūsmas -cauruļu saišķiem, kas pielāgoti attīstošajam plūsmas režīmam pie zemām L/D attiecībām. Nepieciešamais virsmas laukums ir aprēķināts 20 kW siltuma slodzei ar 10 grādu temperatūras starpību.
Caurules diametra ietekme
Caurules diametrs ietekmē L/D attiecību noteiktam caurules garumam. Mazāka diametra caurulei ir lielāka L/D attiecība tādam pašam garumam, kas nozīmē, ka robežslānis, visticamāk, būs pilnībā izveidots. Lielāka diametra caurulei ir zemāka L/D attiecība, kas nozīmē, ka robežslānis, visticamāk, atrodas ieejas reģionā.
Caurulei, kuras garums ir 1,0 m, 6 mm caurules L/D attiecība ir 167, kas atbilst pilnībā izstrādātajam režīmam. 25 mm caurulei L/D attiecība ir 40, kas tuvojas pilnībā izstrādātajam režīmam. 50 mm caurulei L/D attiecība ir 20, kas ir daļēji izstrādātā režīmā.
Mazāka diametra caurulei ir lielāks siltuma pārneses koeficients uz laukuma vienību, bet mazāks virsmas laukums uz garuma vienību. Lielāka diametra caurulei ir zemāks siltuma pārneses koeficients uz laukuma vienību, bet lielāks virsmas laukums uz garuma vienību.
Dizaina funkcijas, kas optimizē L/D attiecību
Vairākas konstrukcijas iezīmes optimizē L/D attiecību maisītās tvertnes apkalpošanai.
Segmentēts cauruļu saišķis.Cauruļu saišķa sadalīšana segmentos ar starpbalstiem izjauc robežslāni un palielina siltuma pārneses koeficientu. Segmentētajam komplektam ir efektīva L/D attiecība, kas ir zemāka par faktisko caurules garumu.
Spuras vai uzlabotas caurules.Caurules virsma ar spurām vai rievām palielina siltuma pārneses koeficientu, palielinot virsmas laukumu un veicinot turbulenci. Uzlabotā virsma ir īpaši efektīva pie zemām L/D attiecībām.
Optimāls cauruļu atstatums.Caurules atstatums, kas ļauj maisīšanas plūsmai iekļūt saišķī, palielina ātrumu iekšpusē un siltuma pārneses koeficientu. Ieteicamais attālums ir 1,5–2,0 reizes lielāks par caurules ārējo diametru.
Paketes orientācija.Caurules saišķa orientēšana perpendikulāri maisīšanas plūsmai palielina šķērsplūsmas -ātrumu un siltuma pārneses koeficientu. Saišķa orientēšana paralēli plūsmai samazina ātrumu un koeficientu.
Aģitācijas optimizācija.Palielinot maisīšanas intensitāti, palielinās plūsmas ātrums pa caurules saišķi un siltuma pārneses koeficients. Maisīšanas jauda palielinās līdz ar lāpstiņriteņa ātruma kubu, tāpēc optimizācijā jāņem vērā jaudas izmaksas.
L/D attiecību salīdzināšana satrauktās tvertnes servisam
Šajā tabulā ir apkopotas piecu{0}}gadu kopējās izmaksas dažādām L/D attiecībām maisītā tvertnē ar siltuma slodzi 20 kW un ražošanas vērtību 400 ASV dolāru stundā.
| L/D attiecība | Siltuma pārneses koeficients | Nepieciešams virsmas laukums | Kapitāla izmaksas | Ikgadējās aģitācijas izmaksas | Piecu{0}}gadu kopējās izmaksas |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 450 W/m²·K | 4.4 m² | $16,000 | $4,500 | $38,500 |
| 15 | 400 W/m²·K | 5.0 m² | $17,000 | $4,200 | $38,000 |
| 20 | 360 W/m²·K | 5.6 m² | $18,000 | $4,000 | $38,000 |
| 30 | 320 W/m²·K | 6.3 m² | $20,000 | $3,800 | $39,000 |
| 40 | 290 W/m²·K | 6.9 m² | $22,000 | $3,600 | $40,000 |
| 50 | 270 W/m²·K | 7.4 m² | $24,000 | $3,500 | $41,500 |
| 60 | 255 W/m²·K | 7.8 m² | $26,000 | $3,400 | $43,000 |
Piecu{0}}gadu kopējās izmaksas tiek samazinātas līdz minimumam, ja L/D attiecība ir 15–20. Zemākām L/D attiecībām ir zemākas kapitāla izmaksas, bet augstākas maisīšanas izmaksas, jo kompaktākam komplektam ir nepieciešama lielāka maisīšanas jauda, lai sasniegtu tādu pašu plūsmas ātrumu. Augstākām L/D attiecībām ir lielākas kapitāla izmaksas, ko nekompensē zemākas maisīšanas izmaksas.
Specifikācijas parametri maisītās tvertnes apkalpošanai
Iekārtu inženieriem, kas nosaka iegremdējamo PTFE siltummaini maisītās tvertnes apkalpošanai, ar piegādātāju jāapstiprina šādi parametri.
Uzbudinājuma intensitāte.Norādiet maisīšanas veidu un plūsmas ātrumu cauruļu saišķa tuvumā.
Šķidruma īpašības.Norādiet procesa šķidruma viskozitāti, blīvumu un Prandtl numuru.
Siltuma slodze.Norādiet siltuma slodzi un paredzamo diapazonu.
L/D attiecība.Norādiet optimālo L/D attiecību, pamatojoties uz maisīšanas intensitāti un šķidruma īpašībām.
Caurules diametrs.Norādiet caurules diametru, pamatojoties uz L/D attiecību un virsmas laukuma prasību.
Cauruļu atstatums.Norādiet cauruļu atstarpi. Ieteicamais attālums ir 1,5–2,0 reizes lielāks par caurules ārējo diametru.
Paketes orientācija.Norādiet saišķa orientāciju attiecībā pret maisīšanas plūsmu.
Virsmas laukums.Norādiet siltuma slodzei nepieciešamo virsmas laukumu un siltuma pārneses koeficientu.
L/D attiecības atbilstība satrauktas tvertnes apstākļiem
Caurules garuma-līdz-diametra attiecība ietekmē siltuma pārneses koeficientu un nepieciešamo virsmas laukumu iegremdējamā PTFE siltummainī maisītās tvertnes apkalpošanai. Zemāka L/D attiecība nodrošina augstāku siltuma pārneses koeficientu, bet prasa kompaktāku komplektu un lielāku maisīšanas jaudu. Lielāka L/D attiecība nodrošina zemāku siltuma pārneses koeficientu, bet nodrošina plašāku komplektu un mazāku maisīšanas jaudu.
Optimālā L/D attiecība parasti ir 15–20 mērenam maisījumam un 10–15 lielam maisījumam. Optimālā attiecība samazina kopējās īpašuma izmaksas, tostarp kapitāla izmaksas un maisīšanas izmaksas.
Jauktām tvertnēm, kurās tiek novērtētas PTFE siltummaiņa iespējas, L/D attiecība ir jānorāda iepirkuma dokumentos un jāpārbauda, nododot ekspluatācijā. Ražotāja nodrošinātā noklusējuma konfigurācija var nebūt optimizēta konkrētiem maisīšanas apstākļiem, un iegūtais siltuma pārneses koeficients var neatbilst projektētajai vērtībai.
Iekārtu inženieri un iepirkumu speciālisti, kas novērtē PTFE siltummaiņa specifikācijas maisījuma tvertnei vai citam iegremdēšanas pakalpojumam, var pieprasīt projekta pārskatīšanu, kas aptver maisīšanas intensitāti, šķidruma īpašības, siltuma slodzi, L/D attiecību, caurules diametru un cauruļu attālumu, lai pārliecinātos, ka iekārta atbilst faktiskajiem tvertnes apstākļiem un iekārtas ekspluatācijas izmaksu struktūrai.
