مشکل مقیاس
یک مخزن خاموش کننده اتوکلاو هیدرومتالورژیکی به یک مبدل حرارتی PTFE نیاز دارد که 500 کیلووات وظیفه گرمایشی را ارائه می دهد. بسته نرم افزاری لوله شامل بیش از 600 لوله است که در شبکه ای به عرض 3 متر و ارتفاع 2 متر مرتب شده اند. بخار از طریق یک هدر 150 میلی متری وارد می شود و باید به طور یکنواخت در تمام 600 لوله پخش شود.
در این مقیاس، توزیع یکنواخت بخار را نمی توان فرض کرد. لوله های نزدیک ورودی هدر بیشترین جریان بخار را دریافت می کنند. لوله ها در انتهای هدر ممکن است به میزان قابل توجهی کمتر دریافت کنند. نتیجه، توزیع نادرست جریان است: برخی از لوله ها داغ کار می کنند، برخی دیگر از بخار گرسنگی می گیرند، ظرفیت انتقال حرارت کلی کمتر از طراحی با وجود مساحت کل کافی است.
شبیهسازی جریان{0}}بخار سفارشی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، این مشکلات توزیع را قبل از ساخت شناسایی و اصلاح میکند. هزینه شبیه سازی کسری از هزینه اصلاح یا جایگزینی یک مبدل بزرگ با عملکرد ضعیف است.
فیزیک توزیع جریان
بخاری که وارد یک هدر می شود با مسیرهای جریان موازی متعدد از طریق بسته لوله روبرو می شود. جریان بر اساس مقاومت هیدرولیکی هر مسیر تقسیم می شود. در حالت ایده آل، همه مسیرها دارای مقاومت برابر هستند و جریان به طور یکنواخت توزیع می شود. در عمل، عوامل متعددی باعث ایجاد عدم یکنواختی-می شود.
هندسه هدر شیب سرعت ایجاد می کند. جت ورودی بخار به داخل هدر نفوذ میکند و یک ناحیه با سرعت بالا-در نزدیکی ورودی و سرعتهای پایینتر در انتهای هدر ایجاد میکند. لوله های نزدیک ورودی فشار حرکتی بالاتری را مشاهده می کنند. لوله ها در انتهای دور، فشار کمتری را می بینند. عدم تعادل جریان می تواند 30-50% بین بهترین-لوله های تغذیه شده و بدترین تغذیه شده باشد.
جریان دو فازی توزیع را پیچیده می کند. بخار وارد شده به هدر ممکن است میعانات وارد شده را از لوله های تغذیه حمل کند. این میعانات ترجیحاً وارد لولههای نزدیک به هدر میشود و آنها را بیش از حد بارگذاری میکند. از طرف دیگر، بخار در لولههایی که در ابتدا خنکتر هستند، متراکم میشود، و افت فشار موضعی ایجاد میکند که خود{4}}جریان را تنظیم میکند-لولههایی که بخار بیشتری حمل میکنند، تراکم بیشتری میکنند، چگالی و افت فشار را افزایش میدهند و جریان ورودی بیشتر را کاهش میدهند. این خود تنظیمی کمک می کند اما ناقص است.
جدول 1: ورودی های شبیه سازی CFD و اهداف تحلیل برای طراحی مبدل های PTFE بزرگ
| پارامتر شبیه سازی | ورودی/هدف | تاثیر بر طراحی |
|---|---|---|
| فشار و دمای تامین بخار | 4 بارگ اشباع، 152 درجه | شرایط مرزی در ورودی هدر |
| نرخ جریان جرمی بخار | 0.25 کیلوگرم بر ثانیه (500 کیلو وات گرمای نهان) | جریان کل باید توزیع شود |
| هندسه هدر | قطر 150 میلی متر، طول 3 متر | تولید مش CFD |
| تعداد لوله ها | 600 (20 سطر × 30 ستون) | مسیرهای جریان موازی مدل شده است |
| ابعاد لوله | 10 میلی متر OD × 1 میلی متر دیوار × طول 2 متر | مقاومت لوله فردی |
| خروجی های شبیه سازی | ||
| جریان در هر لوله (کیلوگرم در ساعت) | برد: 1.2-1.8 (هدف یکنواخت 1.5) | لوله های گرسنه و پر بار را شناسایی می کند |
| توزیع سرعت در هدر | خطوط و بردارهای سرعت | مناطق گردش مجدد را مشخص می کند |
| توزیع فشار در ورودی لوله | محدوده: 3.8-4.0 بارگ | نیروی محرکه توزیع نادرست را کمی می کند |
| پیش بینی تجمع میعانات | کسر حجمی مایع در لوله های پایین تر | خطر سیل را شناسایی می کند |
| مخروطی هدر بهینه شده | کاهش 15 درصدی قطر در طول | توزیع فشار را متعادل می کند |
اصلاحات طراحی از نتایج شبیه سازی
نتایج شبیه سازی تغییرات طراحی خاص را راهنمایی می کند. اگر هدر افت فشار قابل توجهی را در طول خود نشان دهد، طراحی هدر مخروطی جبران میکند-قطر هدر به تدریج از انتهای ورودی به انتهای دور کاهش مییابد و فشار استاتیکی یکنواختتری را حفظ میکند. زاویه مخروطی توسط پروفیل فشار شبیه سازی شده تعیین می شود.
اگر جت ورودی سرعت های محلی بیش از حد ایجاد کند، یک صفحه توزیع یا بافل سوراخ شده در داخل هدر جت را پخش می کند و جریان را به طور یکنواخت توزیع می کند. الگوی سوراخ صفحه و ناحیه باز از طریق شبیه سازی تکراری بهینه شده است.
اگر ردیف های لوله پایینی سیل میعانات را نشان دهند، مسیر زهکشی میعانات دوباره طراحی می شود. هدرهای مجزای جمع آوری میعانات برای ردیف های پایین تر، یا شیب اندک رو به پایین در لوله های پایینی به سمت خروجی میعانات، حذف مایع را بدون تجمع در لوله های فعال تضمین می کند.
هزینه شبیه سازی پرش
یک مبدل حرارتی PTFE بزرگ با توزیع نادرست جریان کمتر از ظرفیت طراحی کار می کند. کنترل کننده دما نیاز به بخار بیشتر دارد. فشار بخار افزایش یافته است. برخی از لوله ها جریان بیشتری دریافت می کنند در حالی که برخی دیگر گرسنه می مانند. لوله های بارگذاری شده دمای دیواره بالاتری را تجربه می کنند و به طور بالقوه باعث تخریب موضعی شیمی حمام یا خزش تسریع می شوند. لوله های گرسنه گرمای کمی ایجاد می کنند.
مبدل در نهایت حذف و اصلاح میشود-باافهای توزیع اضافه میشود، سرصفحهها مجدداً پیکربندی میشوند یا بخشهای لوله جایگزین میشوند. هزینه اصلاح، به علاوه تولید از دست رفته در طول دوره عملکرد ضعیف، بسیار بیشتر از هزینه شبیه سازی قبل از ساخت-است.
خلاصه
شبیهسازی جریان{0}}بخار سفارشی قبل از ساخت مبدلهای حرارتی عظیم PTFE برای کاربردهای حیاتی مانند مخازن خاموش کردن اتوکلاو ضروری است. تجزیه و تحلیل CFD توزیع نادرست جریان، گرادیان فشار هدر، و تجمع میعانات را شناسایی می کند که عملکرد حرارتی را زیر ظرفیت طراحی در مقیاس بزرگ کاهش می دهد.
شبیهسازی-اصلاحات طراحی هدایتشده-سربرگهای مخروطی، صفحات توزیع، زهکشی بهینه-اطمینان حاصل میکند که مبدل ساخته شده، وظیفه نامی کامل خود را از اولین عملیات انجام میدهد. هزینه شبیه سازی کسری کوچک از هزینه تعمیر یک مبدل بزرگ با عملکرد ضعیف پس از نصب است.
پشتیبانی مهندسی برای شبیهسازی CFD طرحهای مبدل حرارتی بزرگ PTFE پس از ارائه وظیفه گرمایی، شرایط بخار، هندسه بستهبندی لوله، پیکربندی هدر و الزامات یکنواختی عملکرد در دسترس است.
