Spiediena kritums, kas kļūst par dizaina ierobežojumu
Ķīmiskās apstrādes iekārtai, kas silda viskozu polimēra šķīdumu ar viskozitāti 500 cP pie 60 grādiem, nepieciešams PTFE siltummainis ar 40 kW siltuma slodzi. Šķidrums tiek sūknēts caur siltummaini ar plūsmas ātrumu 15 m³/h.
Sākotnējā projektā tiek izvēlēta 9,5 mm caurule ar sieniņu biezumu 0,8 mm un plūsmas ātrumu 1,5 m/s. Reinoldsa skaitlis šim nosacījumam ir aptuveni 28, kas ir laminārās plūsmas režīmā. Berzes koeficients laminārajai plūsmai ir 64/Re=2.3, un spiediena kritums 3 m caurules garumā ir aptuveni 85 kPa.
Spiediena kritums 85 kPa ir lielāks par cirkulācijas sūkņa pieļaujamo robežu 50 kPa. Caurules diametrs ir jāpalielina, lai samazinātu spiediena kritumu, vai arī jāsamazina plūsmas ātrums. Abas izmaiņas ietekmē siltuma pārneses koeficientu.
Spiediena krituma mērogošanas likumi
Spiediena kritumu caurulē nosaka Darcy-Weisbach vienādojums: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2), kur f ir berzes koeficients, L ir caurules garums, D ir caurules diametrs, ρ ir šķidruma blīvums un v ir plūsmas ātrums.
Laminārajai plūsmai (Re < 2300) berzes koeficients ir f=64/Re=64μ/(ρvD), kur μ ir dinamiskā viskozitāte. Aizstājot to ar Darcy-Weisbach vienādojumu, iegūst ΔP=32μLv/D².
Spiediena kritums laminārajā plūsmā ir proporcionāls viskozitātei, caurules garumam un ātrumam un apgriezti proporcionāls caurules diametra kvadrātam. Caurules diametra dubultošana samazina spiediena kritumu četras reizes pie nemainīga ātruma.
Turbulentai plūsmai (Re > 4000) berzes koeficients ir atkarīgs no Reinoldsa skaitļa un virsmas raupjuma. Spiediena kritums ir aptuveni proporcionāls ātrumam, kas palielināts līdz 1,8 jaudai, un apgriezti proporcionāls caurules diametram, kas palielināts līdz 1,2 jaudai.
Siltuma pārneses koeficients viskozā plūsmā
Siltuma pārneses koeficientu laminārajā plūsmā nosaka Sieder-Tate korelācija: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0,14, kur Nu ir Nuselta skaitlis, Pr ir Prandtl skaitlis un μw ir viskozitāte pie sienas temperatūras.
Viskozam šķidrumam ar Prandtl skaitli 1000 Nuselta skaitlis ir aptuveni 5–10, kas atbilst siltuma pārneses koeficientam 100–200 W/m²·K 9,5 mm caurulei. Siltuma pārneses koeficients ir daudz zemāks nekā turbulentā plūsmā, kur Nuselta skaitlis parasti ir 50–100.
Zemais siltuma pārneses koeficients viskozā plūsmā nozīmē, ka siltuma slodzes sasniegšanai ir nepieciešams liels virsmas laukums. Lielais virsmas laukums apvienojumā ar spiediena krituma ierobežojumu ierobežo caurules izvēli.
Spiediena krituma robeža dažādiem cauruļu diametriem
Nākamajā tabulā ir apkopots spiediena kritums un siltuma pārneses koeficients dažādiem caurules diametriem viskozā šķidrumā ar viskozitāti 500 cP un plūsmas ātrumu 1,0 m/s.
| Caurules diametrs | Reinoldsa numurs | Berzes faktors | Spiediena kritums uz metru | Siltuma pārneses koeficients | Plūsmas režīms |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 12 | 5.3 | 44 kPa/m | 180 W/m²·K | Laminārs |
| 9,5 mm | 19 | 3.4 | 18 kPa/m | 150 W/m²·K | Laminārs |
| 12,7 mm | 25 | 2.6 | 10 kPa/m | 130 W/m²·K | Laminārs |
| 16 mm | 32 | 2.0 | 6,3 kPa/m | 115 W/m²·K | Laminārs |
| 19 mm | 38 | 1.7 | 4,5 kPa/m | 105 W/m²·K | Laminārs |
| 25 mm | 50 | 1.3 | 2,6 kPa/m | 90 W/m²·K | Laminārs |
| 32 mm | 64 | 1.0 | 1,6 kPa/m | 80 W/m²·K | Laminārs |
Spiediena kritumu uz metru aprēķina šķidruma blīvumam 1100 kg/m³ un ātrumam 1,0 m/s. Siltuma pārneses koeficients tiek aprēķināts no Sieder-Tate korelācijas Prandtl skaitlim 1000.
Spiediena krituma un siltuma pārneses maiņa-
Caurules diametrs, kas samazina spiediena kritumu, ir lielākais diametrs, bet lielākajam diametram ir arī zemākais siltuma pārneses koeficients. Optimālais diametrs ir tāds, kas atbilst gan spiediena krituma robežai, gan siltuma pārneses prasībām.
Piemēra gadījumā ar siltuma slodzi 40 kW, viskozitāti 500 cP un spiediena krituma robežu 50 kPa, caurules izvēle notiek šādi.
Nepieciešamais siltuma pārneses laukums ir atkarīgs no kopējā siltuma pārneses koeficienta, kurā dominē procesa -sānu plēves koeficients. 12,7 mm caurulei ar siltuma pārneses koeficientu 130 W/m²·K un temperatūras starpību 20 grādi, nepieciešamais laukums ir 15,4 m². Spiediena kritums 3 m caurules garumā ir 30 kPa, kas ir 50 kPa robežās.
9,5 mm caurulei ar siltuma pārneses koeficientu 150 W/m²·K nepieciešamais laukums ir 13,3 m². Spiediena kritums 3 m caurules garumā ir 54 kPa, kas pārsniedz 50 kPa robežu.
12,7 mm caurule ir labāka izvēle, jo tā atbilst gan spiediena krituma robežai, gan siltuma pārneses prasībām, lai gan tai ir nepieciešams nedaudz lielāks virsmas laukums.
Plūsmas ātruma ietekme
Plūsmas ātrums ietekmē gan spiediena kritumu, gan siltuma pārneses koeficientu. Lielāks ātrums palielina siltuma pārneses koeficientu, bet arī palielina spiediena kritumu.
Laminārajā plūsmā siltuma pārneses koeficients ir proporcionāls ātrumam, kas palielināts līdz 1/3 jaudai, savukārt spiediena kritums ir proporcionāls ātrumam. Ātruma dubultošana palielina siltuma pārneses koeficientu par 26%, bet palielina spiediena kritumu par 100%.
Ātruma efekts laminārā plūsmā ir mazāk labvēlīgs nekā turbulentā plūsmā. Turbulentā plūsmā siltuma pārneses koeficients ir proporcionāls ātrumam, kas palielināts līdz 0,8 jaudām, savukārt spiediena kritums ir proporcionāls ātrumam, kas palielināts līdz 1,8 jaudām. Ātruma dubultošana palielina siltuma pārneses koeficientu par 74%, bet palielina spiediena kritumu par 248%.
Ātrums jāizvēlas tā, lai līdzsvarotu siltuma pārneses prasību pret spiediena krituma robežu. Viskozai darbībai raksturīgs ātrums 0,5–1,5 m/s.
Dizaina funkcijas, kas samazina spiediena kritumu
Vairākas konstrukcijas iezīmes samazina spiediena kritumu viskozā ekspluatācijā.
Lielāks caurules diametrs.Lielāks caurules diametrs samazina spiediena kritumu, bet arī samazina siltuma pārneses koeficientu. Optimālais diametrs līdzsvaro abus efektus.
Īsāks caurules garums.Īsāks caurules garums samazina spiediena kritumu, bet nepieciešams lielāks skaits cauruļu paralēli, lai sasniegtu vajadzīgo virsmas laukumu.
Paralēli iet vairākas caurules.Plūsmas sadalīšana starp vairākām cauruļu gājieniem paralēli samazina ātrumu katrā gājienā un spiediena kritumu. Paralēlais izvietojums samazina arī siltuma pārneses koeficientu.
Uzlabota caurules virsma.Caurules virsma ar spurām vai rievām palielina siltuma pārneses koeficientu, proporcionāli nepalielinot spiediena kritumu. Uzlabotā virsma ir īpaši efektīva viskozā plūsmā.
Lielāks apkalpošanas -puses ātrums.Apkalpošanas-ātrums ietekmē apkalpošanas-puses plēves koeficientu, bet ne procesa-puses spiediena kritumu. Lielāks apkalpošanas ātrums{4}palielina kopējo koeficientu, nepalielinot procesa sānu spiediena kritumu.
Cauruļu diametru salīdzināšana viskozai apkopei
Šajā tabulā ir apkopots nepieciešamais virsmas laukums, spiediena kritums un piecu gadu kopējās izmaksas dažādiem cauruļu diametriem viskozā ķīmiskā karsēšanas pielietojumā ar siltuma slodzi 40 kW un spiediena krituma ierobežojumu 50 kPa.
| Caurules diametrs | Siltuma pārneses koeficients | Nepieciešamais virsmas laukums | Spiediena kritums (3 m) | Kapitāla izmaksas | Ikgadējās sūknēšanas izmaksas | Piecu{0}}gadu kopējās izmaksas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 180 W/m²·K | 11.1 m² | 132 kPa | $22,000 | $8,500 | $64,500 |
| 9,5 mm | 150 W/m²·K | 13.3 m² | 54 kPa | $26,000 | $4,200 | $47,000 |
| 12,7 mm | 130 W/m²·K | 15.4 m² | 30 kPa | $30,000 | $2,800 | $44,000 |
| 16 mm | 115 W/m²·K | 17.4 m² | 19 kPa | $34,000 | $2,100 | $44,500 |
| 19 mm | 105 W/m²·K | 19.0 m² | 13,5 kPa | $38,000 | $1,700 | $46,500 |
| 25 mm | 90 W/m²·K | 22.2 m² | 7,8 kPa | $45,000 | $1,200 | $51,000 |
Piecu{0}}gadu kopējās izmaksas tiek samazinātas līdz minimumam, ja caurules diametrs ir 12,7–16 mm. 9,5 mm caurulei ir augstākas sūknēšanas izmaksas, jo spiediena kritums pārsniedz robežu un ir nepieciešams lielāks sūknis. 19 mm un lielākām caurulēm ir lielākas kapitāla izmaksas, ko nekompensē zemākas sūknēšanas izmaksas.
Specifikācijas parametri viskozai ķīmiskai karsēšanai
Iekārtu inženieriem, kas nosaka PTFE siltummaini viskozai ķīmiskai karsēšanai, ar piegādātāju jāapstiprina šādi parametri.
Šķidruma viskozitāte.Norādiet viskozitāti darba temperatūrā un paredzamo diapazonu.
Plūsmas ātrums.Norādiet paredzēto plūsmas ātrumu un paredzamo diapazonu.
Spiediena krituma robeža.Norādiet maksimālo pieļaujamo spiediena kritumu siltummainī.
Siltuma slodze.Norādiet siltuma slodzi un paredzamo diapazonu.
Caurules diametrs.Norādiet caurules diametru, pamatojoties uz spiediena krituma robežu un siltuma pārneses prasību.
Plūsmas ātrums.Norādiet projektēto ātrumu un paredzamo diapazonu.
Caurules virsma.Norādiet, vai ir nepieciešamas uzlabotas virsmas caurules.
Sūkņa izvēle.Norādiet sūkņa galvu un plūsmas ātruma prasības.
Caurules izvēles atbilstība viskozas plūsmas apstākļiem
Spiediena kritums PTFE siltummainī viskozās ķīmiskās sildīšanas pakalpojumā ir ierobežojošais konstrukcijas parametrs. Spiediena kritums ir proporcionāls viskozitātei un ātrumam un apgriezti proporcionāls caurules diametra kvadrātam laminārā plūsmā. Siltuma pārneses koeficients ir proporcionāls ātrumam, kas palielināts līdz 1/3 jaudai, un apgriezti saistīts ar caurules diametru.
Caurules izvēlei ir jāsabalansē spiediena krituma robeža ar siltuma pārneses prasību. Lielāks caurules diametrs samazina spiediena kritumu, bet arī samazina siltuma pārneses koeficientu, kas prasa lielāku virsmas laukumu. Optimālais diametrs ir tāds, kas samazina kopējās īpašuma izmaksas visā kalpošanas laikā.
Viskozās ķīmiskās apkures iekārtām, kurās tiek novērtētas PTFE siltummaiņa iespējas, caurules izvēlei jābalstās uz kopējām īpašuma izmaksām, tostarp kapitāla izmaksām, sūknēšanas enerģijas izmaksām un uzturēšanas izmaksām. Caurules diametram, kas ir optimizēts tikai siltuma pārnesei, var būt lielākas kopējās izmaksas pārmērīgas sūknēšanas enerģijas dēļ.
Iekārtu inženieri un iepirkumu speciālisti, kas novērtē PTFE siltummaiņa specifikācijas viskozai ķīmiskai karsēšanai vai citam augstas -viskozitātes pakalpojumam, var pieprasīt projekta pārskatīšanu, kas aptver šķidruma viskozitāti, plūsmas ātrumu, spiediena krituma ierobežojumu, siltuma slodzi, caurules diametru un plūsmas ātrumu, lai pārliecinātos, ka iekārta atbilst faktiskajām šķidruma īpašībām un iekārtas ekspluatācijas izmaksu struktūrai.
