Skaalaprobleem
Hüdrometallurgilise autoklaavi jahutuspaagi jaoks on vaja PTFE-soojusvahetit, mille küttevõimsus on 500 kW. Torupakk sisaldab üle 600 toru, mis on paigutatud 3 meetri laiuseks ja 2 meetri kõrguseks võreks. Aur siseneb ühe 150 mm päise kaudu ja peab jaotuma ühtlaselt kõigi 600 toru vahel.
Sellel skaalal ei saa eeldada ühtlast aurujaotust. Poodi sisselaskeava lähedal olevad torud saavad suurima auruvoolu. Päise kaugemas otsas olevad torud võivad vastu võtta oluliselt vähem. Tulemuseks on voolu ebaõige jaotus: mõned torud töötavad kuumalt, teised on aurupuuduses, üldine soojusülekandevõime jääb konstruktsiooni alla vaatamata piisavale kogupinnale.
Kohandatud auru{0}}voo simulatsioon, kasutades vedeliku arvutuslikku dünaamikat, tuvastab ja parandab need jaotusprobleemid enne valmistamist. Simulatsiooni maksumus on murdosa halvasti toimiva suure soojusvaheti muutmise või asendamise kuludest.
Voolu jaotuse füüsika
Päisesse sisenev aur on suunatud mitme paralleelse voolutee kaudu läbi torukimbu. Vooluhulk jaguneb vastavalt iga tee hüdraulilisele takistusele. Ideaalis on kõigil teedel võrdne takistus ja vool jaotub ühtlaselt. Praktikas tekitavad ebaühtluse mitmed tegurid.
Päise geomeetria loob kiiruse gradiente. Auru sisselaskejoa tungib päisesse, luues suure -kiirusega tsooni sisselaskeava lähedal ja madalama kiirusega päise otstes. Sisselaskeava lähedal olevad torud näevad kõrgemat sõidurõhku. Torud kaugemates otstes näevad madalamat rõhku. Voolu tasakaalustamatus võib parima-toite ja halvima etteandega torude vahel olla 30{6}}50%.
Kahe-faasi voog muudab levitamise keerulisemaks. Poodi sisenev aur võib toitetorustikust kaasa tuua kondensaadi. See kondensaat siseneb eelistatavalt päise põhja lähedal asuvatesse torudesse, koormates neid üle. Teise võimalusena kondenseerub aur torudes, mis on algselt jahedamad, tekitades lokaalseid rõhulangusi, mis ise-reguleerivad voolu-rohkem auru kandvad torud kondenseeruvad rohkem, suurendades tihedust ja rõhulangust, vähendades edasist sissevoolu. See isereguleerimine- aitab, kuid on ebatäiuslik.
Tabel 1: CFD simulatsiooni sisendid ja analüüsi eesmärgid suure PTFE soojusvaheti projekteerimiseks
| Simulatsiooni parameeter | Sisend/eesmärk | Mõju disainile |
|---|---|---|
| Auru toiterõhk ja temperatuur | 4 barg küllastunud, 152 kraadi | Piirtingimus päise sisselaskeava juures |
| Auru massivoolukiirus | 0,25 kg/s (500 kW varjatud soojus) | Jaotatav koguvool |
| Päise geomeetria | Läbimõõt 150mm, pikkus 3m | CFD võrgusilma genereerimine |
| Torude arv | 600 (20 rida × 30 veergu) | Modelleeritud paralleelsed vooluteed |
| Toru mõõtmed | 10mm OD × 1mm sein × 2m pikkus | Üksiku toru takistus |
| Simulatsiooni väljundid | ||
| Vooluvool toru kohta (kg/h) | Vahemik: 1,2–1,8 (sihtmärk 1,5 ühtlane) | Tuvastab nälginud ja ülekoormatud torud |
| Kiiruse jaotus päises | Kiiruse kontuurid ja vektorid | Tuvastab retsirkulatsioonitsoonid |
| Rõhu jaotus torude sisselaskeavadel | Vahemik: 3,8-4,0 barg | Kvantifitseerib väärjaotuse liikumapaneva jõu |
| Kondensaadi kogunemise prognoos | Vedeliku mahuosa alumistes torudes | Tuvastab üleujutusohu |
| Optimeeritud päise koonus | Läbimõõdu vähendamine 15% pikkuses | Tasakaalustab rõhu jaotust |
Kujundusparandused simulatsioonitulemustest
Simulatsiooni tulemused juhivad konkreetseid disainimuudatusi. Kui päises on kogu pikkuses märkimisväärne rõhulangus, kompenseerib koonusekujuline päise konstruktsioon, et päise läbimõõt väheneb järk-järgult sisselaskeotsast kaugemasse otsa, säilitades ühtlasema staatilise rõhu. Koonuse nurk määratakse simuleeritud rõhuprofiiliga.
Kui sisselaskejoa tekitab liigseid lokaalseid kiirusi, hajutab jaotusplaat või perforeeritud deflektor päise sees joa ja jaotab voolu ühtlasemalt. Plaadi augumuster ja avatud ala on optimeeritud iteratiivse simulatsiooni abil.
Kui alumiste torude ridadel on näha kondensaadi üleujutust, projekteeritakse kondensaadi äravoolutee ümber. Eraldi kondensaadi kogumispead alumistele ridadele või veidi allapoole suunatud kalle madalamatel torudel kondensaadi väljalaske suunas tagavad vedeliku eemaldamise ilma aktiivsetesse torudesse kogunemata.
Simulatsiooni vahelejätmise hind
Suur PTFE-soojusvaheti, millel on voolu väärjaotus, töötab alla kavandatud võimsuse. Temperatuuriregulaator nõuab rohkem auru. Aururõhk on suurenenud. Mõned torud saavad veelgi rohkem voolu, samas kui teised jäävad nälga. Ülekoormatud torude seinatemperatuur on kõrgem, mis võib põhjustada lokaalset vannikeemia halvenemist või kiirendatud roomamist. Nälginud torud annavad vähe soojust.
Vahetaja lõpuks eemaldatakse ja seda muudetakse, -lisades jaotusseadised, päised ümber konfigureeritud või toruosade asendamine. Modifikatsioonikulud, millele lisandub alatalitlusperioodi jooksul kaotatud toodang, ületavad tunduvalt eelvalmistussimulatsiooni-kulusid.
Kokkuvõte
Kohandatud auru{0}}voolu simuleerimine on oluline enne massiivsete PTFE-soojusvahetite valmistamist kriitiliste rakenduste jaoks, nagu autoklaavi jahutuspaagid. CFD analüüs tuvastab voolu väärjaotuse, heedri rõhu gradiendid ja kondensaadi kogunemise, mis vähendavad soojuslikku jõudlust suures mastaabis alla kavandatud võimsuse.
Simulatsiooniga-juhitavad konstruktsiooniparandused-kitsenevad päised, jaotusplaadid, optimeeritud drenaaž-tagavad, et valmistatud soojusvaheti täidab oma täisväärtuslikku tööd alates esimesest kasutuskorrast. Simulatsiooni maksumus on väike osa halvasti toimiva suure soojusvaheti parandamise kuludest pärast paigaldamist.
Suurte PTFE-soojusvahetite konstruktsioonide CFD-simulatsiooni tehniline tugi on saadaval soojusvõimsuse, aurutingimuste, torukimbu geomeetria, päise konfiguratsiooni ja jõudluse ühtsuse nõuete esitamisel.
