Voolumuster, mis määrab L/D efekti
Mehaanilise segamisega plaadistuspaaki paigaldatud sukel-PTFE-soojusvaheti töötab protsessivedelikuga, mis voolab läbi torukimbu. Segamine tekitab torukimbu läheduses tsirkuleeriva voolukuju, mille kiirus on 0,2–0,8 m/s.
Kimbu igale torule lähenev vool ei ole ühtlane. Kimbu esiserva lähedal asuvad torud näevad kogu lähenemiskiirust, samas kui kimbu sisemuses olevad torud näevad kiirust vähendatud, kuna voolu blokeerivad osaliselt ülesvoolu torud. Kiiruse jaotus sõltub torude vahekaugusest, kimbu geomeetriast ja voolu suunast.
Pikkuse - ja -läbimõõdu suhe mõjutab voolumustrit, määrates kindlaks, kas torukimbu sisenev vool moodustab toru pikkuses piirkihi või katkestavad piirkihi toru toed ja kimbu geomeetria. Kõrge L/D suhe võimaldab piirkihil täielikult areneda, mis vähendab soojusülekandetegurit. Madal L/D suhe katkestab piirkihi, mis suurendab soojusülekandetegurit.
L/D suhe ja arenev piirkiht
Piirikiht torul ristvoolus{0}}areneb esiservast ja kasvab piki toru pikkust. Kõrge L/D suhtega toru puhul muutub piirkiht suurema osa toru pikkusest täielikult välja ja soojusülekande koefitsiendi määrab täielikult arenenud voolutingimus. Madala L/D suhtega toru puhul on piirkiht suurema osa toru pikkusest alles kujunemas ja soojusülekandetegur on suurem, kuna piirkiht on õhem.
Termilise sisenemise pikkus, mis on temperatuuriprofiili täielikuks väljakujunemiseks vajalik kaugus, on võrdeline Reynoldsi arvu ja Prandtli arvuga. Viskoosse vedeliku puhul, mille Prandtli arv on 100 ja Reynoldsi arv 100, on termilise sisendi pikkus ligikaudu 50 toru läbimõõtu. Toru puhul, mille L/D suhe on alla 50, on vool termilise sisenemise piirkonnas ja soojusülekandetegur on kõrgem kui täielikult arenenud väärtus.
Veetaolise vedeliku puhul, mille Prandtli arv on 7 ja Reynoldsi arv 500, on termilise sisendi pikkus ligikaudu 20 toru läbimõõtu. Toru puhul, mille L/D suhe on alla 20, on vool termilise sisenemise piirkonnas.
L/D suhe ja segamisvoog
Segatud paagis ei ole voolu suund torukimbu suhtes fikseeritud. Segamine tekitab tsirkuleeriva voolu, mis muudab segisti pöörlemisel suunda. Torud näevad suunas ja suuruses võnkuvat voolu, mis mõjutab piirkihi arengut.
Kõrge L/D suhtega torukimp kujutab endast pikka vooluteekonda segamisvooluni ja voolu võib suunata ümber kimbu, mitte läbi selle. Madala L/D suhtega kimp tagab lühema vooluteekonna ja võimaldab voolul kergemini kimbust läbi tungida.
Kimbu geomeetria mõjutab ka voolu jaotust. Kõrge L/D suhtega kimbul on voolusuunas suurem arv toruridu, mis suurendab voolutakistust ja vähendab kiirust kimbu sisemuses. Madala L/D suhtega komplektil on vähem toruridu, mis vähendab voolutakistust ja suurendab kiirust sisemuses.
Optimaalne L/D suhe segatud paagi teenindamiseks
PTFE sukelsoojusvaheti optimaalne L/D suhe segatud paagis sõltub segamise intensiivsusest, vedeliku omadustest ja soojuskoormusest. Mõõduka segamise korral kiirusega 0,3–0,5 m/s on optimaalne L/D suhe tavaliselt 20–40. Tugeva segamise korral kiirusega 0,5–0,8 m/s on optimaalne L/D suhe 15–30.
Madalam L/D suhe tagab suurema soojusülekandeteguri, kuid nõuab suuremat torukäikude arvu või suuremat kimbu jalajälge, et saavutada nõutav pindala. Kõrgem L/D suhe tagab madalama soojusülekandeteguri, kuid võimaldab kompaktsemat komplekti.
Kompromiss- on soojusülekande efektiivsuse ja kimbu suuruse vahel. Optimaalne L/D suhe on see, mis tagab vajaliku soojuskoormuse väikseima kogukuluga, sealhulgas kapitalikulu ja tegevuskulu.
L/D mõju soojusülekandetegurile kvantifitseerimine
Järgmises tabelis on kokku võetud soojusülekande koefitsient ja nõutav pindala erinevate L/D vahekordade korral segatud mahutis protsessivedeliku kiirusega 0,4 m/s ja Prandtli arvuga 20.
| L/D suhe | Voolurežiim | Soojusülekande koefitsient | Vajalik pindala 20 kW jaoks | Kimbu jalajälg | Surve langus |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | Sisenemispiirkond, õhuke piirkiht | 450 W/m²·K | 4.4 m² | Kompaktne | Madal |
| 15 | Osaliselt arenenud | 400 W/m²·K | 5.0 m² | Mõõdukas | Madal |
| 20 | Osaliselt arenenud | 360 W/m²·K | 5.6 m² | Mõõdukas | Mõõdukas |
| 30 | Läheneb täielikult välja arenenud | 320 W/m²·K | 6.3 m² | Suur | Mõõdukas |
| 40 | Täielikult arenenud | 290 W/m²·K | 6.9 m² | Suur | Kõrge |
| 50 | Täielikult arenenud | 270 W/m²·K | 7.4 m² | Väga suur | Kõrge |
| 60 | Täielikult arenenud | 255 W/m²·K | 7.8 m² | Väga suur | Väga kõrge |
Soojusülekandeteguri väärtused põhinevad Zukauskase korrelatsioonil rist-voolutoru kimpude jaoks, mis on kohandatud areneva voolurežiimi jaoks madala L/D suhtega. Vajalik pindala on arvestatud 20 kW soojuskoormusele 10 kraadise temperatuuride vahega.
Toru läbimõõdu mõju
Toru läbimõõt mõjutab L/D suhet antud toru pikkuse puhul. Väiksema läbimõõduga torul on sama pikkusega suurem L/D suhe, mis tähendab, et piirkiht on tõenäolisemalt täielikult välja arenenud. Suurema läbimõõduga torul on madalam L/D suhe, mis tähendab, et piirkiht asub tõenäolisemalt sisendpiirkonnas.
1,0 m pikkuse toru puhul on 6 mm toru L/D suhe 167, mis on täielikult välja töötatud režiimis. 25 mm toru L/D suhe on 40, mis läheneb täielikult välja töötatud režiimile. 50 mm toru L/D suhe on 20, mis on osaliselt välja töötatud režiimis.
Väiksema läbimõõduga torul on suurem soojusülekandetegur pindalaühiku kohta, kuid väiksem pindala pikkuseühiku kohta. Suurema läbimõõduga torul on madalam soojusülekandetegur pindalaühiku kohta, kuid suurem pindala pikkuseühiku kohta.
Disainifunktsioonid, mis optimeerivad L/D suhet
Mitmed disainifunktsioonid optimeerivad L/D suhet segatud paagi teenindamiseks.
Segmenteeritud torukimp.Torukimbu jagamine vahetugedega segmentideks lõhub piirdekihi ja suurendab soojusülekandetegurit. Segmenteeritud kimbu efektiivne L/D suhe on väiksem kui toru tegelik pikkus.
Uimedega või täiustatud torud.Uimede või soontega torupind suurendab soojusülekandetegurit, suurendades pindala ja soodustades turbulentsi. Täiustatud pind on eriti tõhus madala L/D suhte korral.
Optimaalne torude vahe.Toruvahe, mis võimaldab segamisvoolul kimbust läbi tungida, suurendab kiirust sisemuses ja soojusülekandetegurit. Soovitatav vahekaugus on 1,5–2,0 korda toru välisläbimõõdust.
Kimbu orientatsioon.Torukimbu suunamine segamisvooluga risti suurendab -ristvoolu kiirust ja soojusülekandetegurit. Kimbu vooluga paralleelne orienteerimine vähendab kiirust ja koefitsienti.
Agitatsiooni optimeerimine.Segamise intensiivsuse suurendamine suurendab voolukiirust torukimbu kohal ja soojusülekandetegurit. Segamisvõimsus suureneb koos tiiviku pöörlemissageduse kuubikuga, seega tuleb optimeerimisel arvestada võimsuskuluga.
Agitated Tank Service L/D suhtarvude võrdlemine
Järgmises tabelis on kokkuvõte viie{0}}aasta kogukulu erinevate L/D vahekordadega segatud paagis soojuskoormusega 20 kW ja tootmisväärtusega 400 $ tunnis.
| L/D suhe | Soojusülekande koefitsient | Nõutav pindala | Kapitali maksumus | Iga-aastane segamiskulu | Viie-aasta kogukulu |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Viie{0}}aasta kogukulu on minimeeritud, kui L/D suhe on 15–20. Madalamatel L / D suhtarvudel on madalam kapitalikulu, kuid suurem segamiskulu, kuna kompaktsem kimp nõuab sama voolukiiruse saavutamiseks rohkem segamisvõimsust. Kõrgematel L/D suhtarvudel on suurem kapitalikulu, mida ei kompenseeri madalamad segamiskulud.
Spetsifikatsiooniparameetrid segamispaagi teenuse jaoks
Seadmeinsenerid, kes määravad PTFE sukelsoojusvaheti segamispaagi hooldamiseks, peaksid tarnijaga kinnitama järgmised parameetrid.
Agitatsiooni intensiivsus.Määrake segamise tüüp ja voolukiirus torukimbu läheduses.
Vedeliku omadused.Määrake protsessivedeliku viskoossus, tihedus ja Prandtli number.
Soojuskoormus.Määrake soojuskoormus ja eeldatav vahemik.
L/D suhe.Määrake segamise intensiivsuse ja vedeliku omaduste põhjal optimaalne L/D suhe.
Toru läbimõõt.Määrake toru läbimõõt L/D suhte ja pinna nõude alusel.
Torude vahekaugus.Määrake torude vahe. Soovitatav vahekaugus on 1,5–2,0 korda toru välisläbimõõdust.
Kimbu orientatsioon.Määrake kimbu orientatsioon segamisvoolu suhtes.
Pinnaala.Määrake soojuskoormuse jaoks vajalik pindala ja soojusülekandetegur.
L/D suhte sobitamine segatud paagitingimustega
Toru pikkuse -ja-läbimõõdu suhe mõjutab soojusülekandetegurit ja nõutavat pinda PTFE sukelsoojusvahetis segamispaagi hooldamiseks. Madalam L/D suhe tagab suurema soojusülekandeteguri, kuid nõuab kompaktsemat kimpu ja suuremat segamisvõimsust. Kõrgem L/D suhe tagab madalama soojusülekandeteguri, kuid võimaldab laiendada kimbu ja väiksemat segamisvõimsust.
Optimaalne L/D suhe on tavaliselt 15–20 mõõduka segamise ja 10–15 tugeva segamise korral. Optimaalne suhe minimeerib omamise kogumaksumust, sealhulgas kapitalikulusid ja segamiskulusid.
PTFE-soojusvaheti valikuid hindavate segatud mahutite puhul tuleks L/D suhe täpsustada hankedokumentides ja kontrollida kasutuselevõtul. Tootja pakutav vaikekonfiguratsioon ei pruugi olla konkreetsete segamistingimuste jaoks optimeeritud ja sellest tulenev soojusülekandetegur ei pruugi vastata projekteeritud väärtusele.
Seadmeinsenerid ja hankespetsialistid, kes hindavad PTFE-soojusvaheti spetsifikatsioone segamispaagi või muu sukeldusteenuse jaoks, võivad taotleda projekti ülevaatamist, mis hõlmab segamise intensiivsust, vedeliku omadusi, soojuskoormust, L/D suhet, toru läbimõõtu ja torude vahekaugust, et veenduda, et seade vastab tegelikele paagitingimustele ja rajatise kasutuskulude struktuurile.
