Problém s dlhým prietokom v nádrži
Dlhé úzke nádrže-typické pre kontinuálne pokovovanie pásov, spracovanie drôtov a automatizované linky PCB-trpia skratom-. Procesná tekutina vstupujúca na jeden koniec prúdi priamo do výstupu na opačnom konci bez úplného premiešania cez šírku nádrže. Profil rýchlosti je nerovnomerný-. Kúrenie je nerovnomerné-. Kvalita spracovania alebo pokovovania sa líši v rámci šírky produktu.
Konvenčné riešenia pridávajú samostatné usmerňovače-vertikálne platne siahajúce po šírke nádrže-na presmerovanie toku a podporu miešania. Tieto priehradky zaberajú objem nádrže, zvyšujú náklady a komplikujú čistenie nádrže.
Výmenník tepla z PTFE, navrhnutý s vhodnou geometriou a konštrukčnou tuhosťou, môže slúžiť ako zdroj vykurovania aj ako usmerňovač-toku. Rúrkový zväzok, usporiadaný vo vertikálnej rovine kolmej na smer prúdenia, pôsobí ako čiastočná priehradka, pričom jeho veľká povrchová plocha zabezpečuje rovnomerný ohrev. Jedna zostava vykonáva dve funkcie, znižuje zložitosť nádrže a uvoľňuje objem pre výrobu.
Požiadavky na dizajn-dvojitých funkcií
Aby zväzok PTFE rúrok fungoval ako štrukturálna priehradka, musí sa rozprestierať cez celú šírku nádrže a značnú časť hĺbky nádrže. Rúrková mriežka je usporiadaná vo vertikálnej rovine s viacerými radmi a stĺpcami rúrok. Vzdialenosť medzi rúrkami určuje prietokový odpor usmerňovača: menší rozstup zvyšuje odklon toku a pokles tlaku; širší priestor umožňuje väčší prietok-a znižuje efekt usmerňovania.
Optimálny rozstup rúrok vyrovnáva funkciu usmerňovača (presmerovanie prietoku) proti funkcii ohrevu (maximalizácia teplosmennej plochy) a poklesu tlaku (ktorý ovplyvňuje čerpaciu energiu). Výpočtová analýza dynamiky kvapalín špecifickej geometrie nádrže určuje rozstup, ktorým sa dosiahne požadovaný vzor prúdenia pri splnení vykurovacej povinnosti.
Nosná konštrukcia pre výmenník-funkcie usmerňovača musí odolať hydrodynamickým silám z presmerovaného toku. Prúdenie spôsobuje rozložené zaťaženie na zväzok rúrok, ktoré sa prenáša rúrkami na nosný rám a nakoniec na steny alebo podlahu nádrže. Konštrukcia podpery je robustnejšia ako štandardná ponorná cievka a obsahuje ďalšie krížové-výstuhy a kotviace body.
Tabuľka 1: Dvojfunkčné PTFE tepelného výmenníka/parametre konštrukcie prepážky (6 m dĺžka × 1 m šírka × 1,5 m hlboká nádrž)
| Dizajnový parameter | Kúrenie-iba dizajn | Dizajn kúrenia + prepážky | Zdôvodnenie dizajnu |
|---|---|---|---|
| Orientácia mriežky rúrky | Horizontálne (podlahová mriežka) | Vertikálne (krížová-rovina tankov) | Vertikálna orientácia funguje ako prietoková bariéra |
| Počet jednotiek usmerňovača/výmenníka | 1 (koniec alebo stred) | 2-3 (rovnomerne rozmiestnené po dĺžke nádrže) | Viaceré prepážky vytvárajú hadovitú dráhu toku |
| Vzdialenosť rúrok (vertikálne × horizontálne, mm) | 25 × 25 | 20 × 20 (tesnejšie pre efekt ozvučnice) | Užší rozstup zvyšuje odklon toku |
| Pokrytie prierezu nádrže-mriežkou (%) | 60-70% (podlahová plocha) | 80-90 % (prierezová plocha) | Väčšie pokrytie pre efektívne tlmenie |
| Podporný dizajn rámu | ľahký; podporuje vlastnú{0}}hmotnosť | Robustný; podporuje hydrodynamické zaťaženie | Prúdové sily môžu presiahnuť vlastnú{0}}hmotnosť |
| Kotviace body rámu | 2-4 (okraj nádrže alebo podlaha) | 4-8 (steny a podlaha nádrže) | Prenáša zaťaženie prepážok na konštrukciu nádrže |
| Hrúbka steny rúry (mm) | 1.0 (štandard) | 1,2-1,5 (zvýšené pre tuhosť) | Znižuje priehyb trubice pri prietokovom zaťažení |
| Pokles tlaku cez jednotku (Pa) | < 50 | 100-300 | Prijateľné zvýšenie pre lepšie miešanie |
Výpočet hydrodynamického zaťaženia
Sila prúdenia na zväzok rúrok sa vypočíta z dynamického tlaku približujúceho sa prúdenia a koeficientu odporu sústavy rúrok. Pre priečnu- rýchlosť prúdenia 0,3 m/s v typickej pokovovacej nádrži je dynamický tlak približne 50 Pa. Unášacia sila na jednu 10 mm trubicu pri tejto rýchlosti je približne 0,15 N na meter dĺžky trubice.
Pre mriežku usmerňovačov so 40 rúrkami na štvorcový meter-prierezovej plochy je celkové rozložené zaťaženie približne 6 N/m² plochy čela usmerňovača. Toto mierne zaťaženie je ľahko podporované mriežkou rúrok z PTFE. Záťaž je však nepretržitá a cyklický-tok sa mení v závislosti od rýchlosti čerpadla a rýchlosti výroby-, takže návrh podpery musí riešiť únavu, ako aj statickú pevnosť.
Nosný rám obsahuje konštrukčné prvky z PTFE alebo PVDF dimenzované na vypočítané zaťaženie s koeficientom bezpečnosti 3 pri medze klzu pri maximálnej prevádzkovej teplote. Pripojenie rámu ku konštrukcii nádrže používa spojovacie prvky izolované PTFE-, aby sa zabránilo galvanickej korózii.
Tepelný a prietokový výkon
Dizajn s dvojitou{0}}funkciou poskytuje rovnomernejšie vykurovanie než štandardná mriežka namontovaná na podlahu-, pretože vertikálna orientácia usmerňovača núti procesnú tekutinu prúdiť cez zväzok rúrok, a nie stúpať cez neho. Každý tekutý prvok prechádza blízko povrchu vyhrievanej rúrky. Konfigurácia krížového-prúdenia dosahuje vyšší koeficient externého prestupu tepla ako prirodzená konvekcia, ktorá dominuje v nádržiach bez prepážok.
Kompromisom-je zvýšená čerpacia energia na prekonanie poklesu tlaku naprieč každou priehradkou. Vo väčšine-aplikácií s nízkorýchlostným pokovovaním je pokles tlaku 100-300 Pa na usmerňovač-ekvivalent 10-30 mm vodného stĺpca – a dodatočná čerpacia energia je zanedbateľná.
Zhrnutie
Výmenník tepla z PTFE navrhnutý ako štrukturálna priehradka kombinuje ohrev a smer prúdenia v jednej zostave. Vertikálna rúrková mriežka preklenuje prierez nádrže-, presmeruje tok, aby sa zabránilo skratu-a zároveň poskytuje rovnomerný ohrev v celej hĺbke nádrže. Menší rozstup rúrok, robustný podporný rám a väčšia hrúbka steny rúr prispôsobujú štandardný dizajn PTFE výmenníka požiadavkám na dvojitú-funkciu.
Integrovaný dizajn znižuje zložitosť nádrže, uvoľňuje objem výroby a zlepšuje tepelný aj hydraulický výkon v porovnaní so samostatnými vykurovacími a tlmiacimi systémami.
Technická podpora pre dvojfunkčný dizajn PTFE výmenníka tepla/prepážky je k dispozícii po predložení rozmerov nádrže, prietokov, konfigurácie miešania, výkonu ohrevu a požadovaného profilu prietoku.
