Hvordan påvirker Shell-Side Reynolds-tallet starten af ​​flow-induceret rørvibration i en PTFE-veksler?

PTFE-rørene i en varmeveksler er støjsvage og stabile ved lave strømningshastigheder på skalsiden. En stigende skal-sidehastighed kan dog krydse en skjult hydraulisk tærskel. Væskehastighed, turbulensintensitet, rørfleksibilitet og støtteafstand kombineres kritisk for at tillade den strømmende væske dynamisk at stimulere rørbundtet uventet. Resultatet er flow-induceret vibration, når rør, som tidligere var statiske, begynder at svaje, oscillere og i nogle tilfælde klirre med hørbar lyd mod deres understøtninger.

Derfor er forbindelsen mellem Reynolds-tal på skalsiden og rørvibration en af ​​de mest essentielle mekaniske-hydrauliske interaktioner i designet af fluorpolymervarmevekslere, og PTFE-vekslerens ydeevne er også relateret til dette.

Hvad er Reynolds nummer i Shell Side Flow?
Reynolds tal er et dimensionsløst tal, der beskriver arten af ​​væskestrømmen. Dette er en blanding af virkningerne af:

Væskens hastighed

Væskedensitet

Viskositet af væsker

Hydraulisk diameterkarakteristik

I skal-sidevekslerstrøm bruges Reynolds-tallet til at angive, om væskestrømmen generelt er jævn, laminær strømning eller energisk, turbulent strømning.

Højere Reynolds-tal, mere turbulent energi
For en bestemt rørbundtgeometri indebærer en stigning i Reynolds-tallet på skal-siden ofte:

Højere tværstrømningshastighed

Højere intensitet turbulens

Større oscillerende trykkræfter

Større kraft af hvirvelafgivelse

Under et vist tærskelniveau er de fluktuerende kræfter for små til at forskyde rørbundtet på nogen meningsfuld måde. Systemet er stadig mekanisk dæmpet og stabilt.

Efter at det kritiske punkt er passeret, kan strømningsenergien imidlertid begynde at koble sig stærkt med rørenes iboende vibrationsfrekvenser.

Hvorfor PTFE-rør er følsomme over for vibrationer
Mens PTFE har høj kemisk resistens og korrosionsimmunitet, er det mekanisk betydeligt mindre stivt end metalliske rørmaterialer.

PTFE-rør sammenlignes med rør af rustfrit stål eller titanium:

Reduceret Youngs modul

Øget fleksibilitet

Sænkede naturlige frekvenser

Større afbøjning under belastning

Som et resultat opnås det essentielle Reynolds-tal for påbegyndelse af vibrationer normalt ved lavere skal-sidehastigheder end i sammenlignelige metalvekslere.

Dette gør hensynet til vibrationer særligt afgørende i designet af fluorpolymervekslere.

Flow-induceret rørvibrationsmekanisme
Den turbulente skal-sidevæske, der strømmer hen over rørbundtet, inducerer skiftende trykfelter omkring hvert af rørene.

Vortex Oscillation og Shedding
Skiftende hvirvler bag rørene giver cykliske sidespændinger. Ved lave strømningshastigheder er disse kræfter svage og stort set harmløse.

Med stigende Reynolds-tal:

Turbulensniveauet stiger

Trykvariation bliver mere udtalt

Mere sammenhængende oscillerende kræfter Mere sammenhængende oscillerende kræfter

Rørbevægelsen begynder at blive bedre

Hvis stimulationsfrekvensen er tæt på rørets naturlige frekvens, kan der opstå resonansfænomener.

Så kan vibrationsamplituden stige hurtigt, ikke gradvist.

Fluid-Elastisk Instabilitet: Den Kritiske Tærskel
Kritisk hastighed for væske-elastisk ustabilitet er en af ​​de mest betydningsfulde designkontroller i vekslerdesign.

Hvorfor er risikoen stigende
Overgangen til ustabilitet er ikke en lige linje. Under den kritiske flowtilstand er dæmpningsprocesserne dominerende og undertrykker rørets bevægelse. Over dette begynder væsken selv at bidrage med energi til oscillationscyklussen med en hastighed, der er hurtigere, end strukturen kan sprede den.

Så kan selv mindre stigninger i strømningshastighed forårsage uforholdsmæssigt store vibrationsamplituder.

Selve røret fungerer som sin egen træthedstestmaskine, der strækker sig igen og igen ved høje cyklustal, indtil der opstår slid, revner eller støtteskader.

Typiske virkninger af overdreven vibration
Flow-induceret vibration, hvis den ikke styres, vil resultere i:

Træthed i rørvæggen

Støtteslid

Slibende slid

Rør-til-rør kollision

Lækagefejl

Bundleskade - katastrofal

Det relativt bløde materiale i PTFE-vekslere kan være særligt udsat for langvarig-oscillerende slid på støttesteder.

Analyse af rørvibrationer i skalsiden af ​​PTFE-veksleren efter Reynolds nummer
I vekslerdesignet bruges den kombinerede hydrauliske og mekaniske beregning til at evaluere forholdet mellem Reynolds-tal på skalsiden, rørvibration og PTFE-vekslerstabilitet.

Parametre, der påvirker den kritiske tærskel
Flere aspekter påvirker fremkomsten af ​​ustabilitet.

Indflydelse af designvariabler på vibration
Hastighed på skallens side. Excitationskraften hæves
Rørspændelængde Længere spænd mindsker stivheden
Rørdiameter Naturlige frekvensændringer
Væskedensitet Bedre dynamisk belastning
Rørafstand Styring af vibrationsmodstand
Vægstivhed (PTFE) Påvirker afbøjningsadfærden
Interaktionen mellem disse komponenter er mere kompliceret end en simpel-tommelfingerregel-estimat og kræver omhyggelig teknisk forskning.

Vigtigheden af ​​rørstøtteafstand
Et af de mest effektive værktøjer til at forhindre vibrationsproblemer i PTFE-vekslere er afstand mellem rørstøtter.

Jo kortere spændvidde, jo højere egenfrekvens.
Mekanisk opfører røret sig som en fleksibel bjælke. Spændets iboende vibrationsfrekvens er meget påvirket af dens ikke-understøttede længde.

Tilføjelse af flere understøtter:

Ikke-understøttet længde aftagende

Rørstivheden er med succes øget

Afbøjningsamplituden falder

Den naturlige frekvens stiger meget

Det er vigtigt, at egenfrekvensrelationen er følsom over for spændvidden. Efterhånden som det ikke-understøttede spænd reduceres, stiger egenfrekvensen omtrent som kvadratet for reduktionspåvirkningen, hvorfor støtteafstand er en usædvanlig potent modforanstaltning.

Dette flytter rørresonansfrekvensen til højere end hovedområdet for turbulent excitation, der er skabt af skallens-sideflow.

Branchepraksis og TEMA-retningslinjer
Flow-induceret vibrationsanalyse er en rutineaktivitet inden for skal-og-rørvarmevekslerkonstruktion under TEMA-principperne.

Designovervejelser fra TEMA
Inden for rammerne af Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) er følgende evalueringsteknikker:

Tværgående strømningshastighed

Vibrationsfølsomhed 1.

Et rørs naturlige frekvenser

Grænser for væskeelastisk ustabilitet

Reaktion på hvirvelafgivelse

De samme grundlæggende vibrationskoncepter gælder for PTFE-vekslere, men der skal tages hensyn til ekstra materiale-specifikke bekymringer.

De skal sikre, at de operationelle strømningsbetingelser er langt fra de kritiske ustabilitetsområder for vekslerens estimerede driftsområde.

Yderligere designtilgange til at reducere vibrationer
Ud over støtteafstand er der adskillige flere tilgange, der ofte bruges til at begrænse risikoen for vibrationer.

Sænket skalsidehastighed
Faldende skal-sidehastighed reducerer direkte turbulente excitationskræfter og reducerer Reynolds tal.

Optimering af baffelgeometri
Skærmeafstand og skåret geometri kan påvirke:

Flowfordeling: diagonal

Intensitet af turbulens

Hastighedstoppe lokaliseret

Omhyggelig hydraulisk afbalancering bruges for at undgå koncentrerede områder med excitation.

Bundle Arrangement af Tube
Vortexgenereringen og kølvandsinteraktionen er forskellige i arrangementerne med trekantede og firkantede pitch. Derfor er vibrationsfølsomheden afhængig af valget af bundtform.

Forbedret strukturel dæmpning
I nogle vekslerdesign er der tilvejebragt yderligere dæmpningselementer for at hjælpe med at sprede oscillerende energi, før resonanskriterierne er opfyldt.

Udvekslere af PTFE kræver omhyggelig afbalancering
PTFE-vekslere vælges almindeligvis for deres evne til at håndtere fjendtlige kemiske forhold, som metalsystemer ikke er egnede til.

Men den samme fleksibilitet, som tillader PTFE-rør at absorbere termisk spænding, gør dem mere mekanisk følsomme over for turbulente strømningskræfter.

Designoptimering skal derfor balancere:

Modstand mod korrosion

Effektivitet af varmetransmission

Tab af tryk

Mekanisk stabilitet

Grænser for strømningshastighed

Aggressive skalsidehastigheder kan forbedre den termiske ydeevne, men samtidig øge vibrationsrisikoen.

Oversigt
En grundlæggende del af PTFE varmevekslerteknik er forudsigelsen af ​​begyndelsen af ​​flowgenereret vibration. Den turbulente strømningsenergi vokser betydeligt med stigningen i Reynolds-tallet på skal-siden. Og når endelig et niveau, hvor de fluktuerende væskekræfter kunne excitere de iboende frekvenser af det fleksible PTFE-rørbundt.

Samspillet mellem Reynolds-tal på skalsiden, rørvibration og PTFE-vekslerydelse bestemmes af rørstivhed, støttespænd, kryds-strømningshastighed og væskedynamik. Omhyggelige designberegninger, herunder undersøgelse af væske-elastisk ustabilitetshastighed i henhold til TEMA-standarder, hjælper med at garantere, at veksleren kører under usikre vibrationsgrænser.

De tæt placerede rørstøtter er stadig en af ​​de mest effektive modforanstaltninger blandt alle tilgængelige, da de drastisk hæver rørets egenfrekvens og reducerer afbøjningsamplituden. Med det rigtige hydrauliske og mekaniske design kan en PTFE-veksler være meget støjsvag og pålidelig i mange år.

Silent flow er generelt den mest åbenlyse indikator for, at et rørbundt kører sikkert inden for dets designbegrænsninger i termiske behandlingssystemer.