Problém s mierkou
Hydrometalurgická ochladzovacia nádrž autoklávu vyžaduje PTFE výmenník tepla s výkonom 500 kW. Rúrkový zväzok obsahuje viac ako 600 rúrok usporiadaných do mriežky šírky 3 metre a výšky 2 metre. Para vstupuje cez jeden 150 mm zberač a musí sa rovnomerne distribuovať do všetkých 600 trubíc.
V tomto meradle nemožno predpokladať rovnomernú distribúciu pary. Rúrky v blízkosti vstupu do zberača prijímajú najvyšší prietok pary. Rúry na vzdialenom konci hlavičky môžu prijať podstatne menej. Výsledkom je nesprávna distribúcia toku: niektoré rúrky sú horúce, iné sú zbavené pary, celková kapacita prenosu tepla je pod navrhovanou hodnotou napriek primeranej celkovej ploche.
Vlastná simulácia prúdenia- pary pomocou výpočtovej dynamiky tekutín identifikuje a opraví tieto problémy s distribúciou ešte pred výrobou. Náklady na simuláciu sú zlomkom nákladov na úpravu alebo výmenu zle fungujúceho veľkého výmenníka.
Fyzika distribúcie toku
Para vstupujúca do zberača čelí viacerým paralelným dráham prúdenia cez zväzok rúrok. Prietok sa rozdeľuje podľa hydraulického odporu každej cesty. V ideálnom prípade majú všetky cesty rovnaký odpor a prietok sa distribuuje rovnomerne. V praxi vytvára nejednotnosť niekoľko faktorov.
Geometria hlavičky vytvára gradienty rýchlosti. Prúd vstupu pary preniká do zberača a vytvára zónu s vysokou{1}}rýchlosťou v blízkosti vstupu a nižšími rýchlosťami na koncoch zberača. Rúry v blízkosti vstupu vidia vyšší hnací tlak. Rúry na vzdialených koncoch vidia nižší tlak. Nerovnováha prietoku môže byť 30-50 % medzi najlepšie-napájanými a najhoršie napájanými rúrkami.
Dvoj{0}}fázový tok komplikuje distribúciu. Para vstupujúca do zberača môže prenášať unášaný kondenzát z prívodného potrubia. Tento kondenzát sa prednostne dostáva do rúrok v blízkosti dna zberača a preťažuje ich. Alternatívne para kondenzuje v rúrkach, ktoré sú na začiatku chladnejšie, čím sa vytvárajú lokalizované tlakové straty, ktoré samy -regulujú prietok{5}}. Táto samo-regulácia pomáha, ale je nedokonalá.
Tabuľka 1: Vstupy a ciele analýzy CFD simulácie pre návrh veľkého PTFE výmenníka
| Parameter simulácie | Vstup/Cieľ | Vplyv na dizajn |
|---|---|---|
| Tlak a teplota prívodu pary | 4 barg nasýtený, 152 stupňov | Hraničný stav na vstupe do hlavice |
| Hmotnostný prietok pary | 0,25 kg/s (500 kW latentného tepla) | Celkový prietok, ktorý sa má rozdeliť |
| Geometria hlavičky | Priemer 150 mm, dĺžka 3 m | Generovanie CFD siete |
| Počet rúrok | 600 (20 riadkov × 30 stĺpcov) | Modelované paralelné dráhy prúdenia |
| Rozmery trubice | 10 mm OD × 1 mm steny × 2 m dĺžka | Odpor jednotlivých rúrok |
| Simulačné výstupy | ||
| Prietok na skúmavku (kg/h) | Rozsah: 1,2-1,8 (cieľ 1,5 jednotný) | Identifikuje vyhladované a preťažené trubice |
| Rozloženie rýchlosti v hlavičke | Obrysy rýchlosti a vektory | Identifikuje recirkulačné zóny |
| Rozloženie tlaku na vstupoch rúrok | Rozsah: 3,8-4,0 barg | Kvantifikuje hnaciu silu nesprávneho rozdelenia |
| Predikcia akumulácie kondenzátu | Objemová frakcia kvapaliny v spodných skúmavkách | Identifikuje riziko povodní |
| Optimalizované zúženie hlavičky | Zníženie priemeru o 15 % pozdĺž dĺžky | Vyrovnáva rozloženie tlaku |
Opravy návrhu z výsledkov simulácie
Výsledky simulácie usmerňujú špecifické úpravy návrhu. Ak zberač vykazuje významný pokles tlaku pozdĺž svojej dĺžky, kužeľová konštrukcia zberača kompenzuje-priemer zberača sa postupne zmenšuje od vstupného konca k vzdialenému koncu, čím sa zachováva rovnomernejší statický tlak. Uhol kužeľa je určený simulovaným profilom tlaku.
Ak vstupný prúd vytvára nadmerné lokálne rýchlosti, distribučná doska alebo perforovaná priehradka vo vnútri zberača rozptyľuje prúd a distribuuje prúd rovnomernejšie. Vzor dier a otvorená oblasť dosky sú optimalizované pomocou iteračnej simulácie.
Ak spodné rady rúrok vykazujú zaplavenie kondenzátu, trasa odvádzania kondenzátu sa prerobí. Samostatné zberače kondenzátu pre spodné rady alebo mierny sklon dolných rúrok smerom k výstupu kondenzátu zaisťuje odstránenie kvapaliny bez hromadenia v aktívnych rúrach.
Náklady na preskočenie simulácie
Veľký PTFE výmenník tepla s nesprávnym rozdelením prietoku pracuje pod projektovanou kapacitou. Regulátor teploty vyžaduje viac pary. Tlak pary sa zvýši. Niektoré trubice dostávajú ešte väčší prietok, zatiaľ čo iné zostávajú hladné. Preťažené rúrky majú vyššiu teplotu steny, čo môže spôsobiť lokalizovanú chemickú degradáciu kúpeľa alebo zrýchlené tečenie. Vyhladované trubice prispievajú malým množstvom tepla.
Výmenník je nakoniec odstránený a upravený-pridaním distribučných usmerňovačov, prekonfigurovaním zberačov alebo výmenou častí rúrok. Náklady na úpravu plus strata produkcie počas obdobia nedostatočnej výkonnosti ďaleko prevyšujú náklady na simuláciu pred{2}}výroby.
Zhrnutie
Vlastná simulácia prúdenia pary-je nevyhnutná pred výrobou masívnych PTFE výmenníkov tepla pre kritické aplikácie, ako sú autoklávové ochladzovacie nádrže. CFD analýza identifikuje nesprávnu distribúciu prietoku, tlakové gradienty zberača a akumuláciu kondenzátu, ktoré vo veľkom meradle znižujú tepelný výkon pod navrhovanú kapacitu.
Simulačné{0}}riadené úpravy návrhu-kužeľové zberače, rozdeľovacie dosky, optimalizované odvádzanie vody-zabezpečujú, že vyrobený výmenník plní svoju plnú menovitý výkon od prvej prevádzky. Náklady na simuláciu predstavujú malý zlomok nákladov na opravu zle fungujúceho veľkého výmenníka po inštalácii.
Technická podpora pre CFD simuláciu veľkých konštrukcií PTFE výmenníkov tepla je k dispozícii po predložení požiadaviek na tepelný výkon, podmienky pary, geometriu zväzku rúrok, konfiguráciu zberača a požiadavky na jednotnosť výkonu.
