Как -число Рейнольдса на стороне корпуса влияет на возникновение потока-вызванной вибрации трубки в теплообменнике из ПТФЭ?

Трубки из ПТФЭ в теплообменнике работают бесшумно и стабильно при низких скоростях потока со стороны корпуса. Однако возрастающая боковая скорость-оболочки может пересечь скрытый гидравлический порог. Скорость жидкости, интенсивность турбулентности, гибкость трубок и расстояние между опорами в совокупности позволяют текущей жидкости неожиданно динамически стимулировать пучок труб. Результатом является вибрация,-индуцированная потоком, когда трубы, которые ранее были статичными, начинают раскачиваться, колебаться и в некоторых случаях слышимым стуком о свои опоры.

Таким образом, связь между числом Рейнольдса на корпусе и вибрацией трубки является одним из наиболее важных механо--гидравлических взаимодействий в конструкции теплообменников из фторполимера, и с этим также связаны рабочие характеристики теплообменника из ПТФЭ.

Что такое число Рейнольдса в боковом течении оболочки?
Число Рейнольдса – безразмерное число, описывающее характер течения жидкости. Это сочетание эффектов:

Скорость жидкости

Плотность жидкости

Вязкость жидкостей

Гидравлическая характеристика диаметра

В потоке теплообменника со стороны оболочки- число Рейнольдса используется для указания того, является ли поток жидкости обычно плавным, ламинарным или энергичным, турбулентным.

Чем выше число Рейнольдса, тем больше турбулентной энергии
Для конкретной геометрии пучка труб увеличение числа Рейнольдса на стороне оболочки-часто означает:

Более высокая скорость поперечного потока

Турбулентность более высокой интенсивности

Большие силы осциллирующего давления

Большая сила выброса вихрей

Ниже некоторого порогового уровня флуктуирующие силы слишком малы, чтобы сместить пучок труб каким-либо значимым образом. Система по-прежнему механически демпфирована и устойчива.

Однако после прохождения критической точки энергия потока может начать сильно связываться с собственными частотами вибрации трубок.

Почему трубы из ПТФЭ чувствительны к вибрации
Хотя ПТФЭ обладает высокой химической стойкостью и устойчивостью к коррозии, он механически значительно менее жесткий, чем металлические трубчатые материалы.

Трубки из ПТФЭ сравнивают с трубками из нержавеющей стали или титана:

Приведенный модуль Юнга

Повышенная гибкость

Пониженные собственные частоты

Большее прогибание под нагрузкой

В результате необходимое число Рейнольдса для начала вибрации обычно достигается при более низких боковых скоростях корпуса, чем в сопоставимых металлических теплообменниках.

Это делает учет вибраций особенно важным при проектировании фторполимерных теплообменников.

Механизм вибрации трубки, индуцированный потоком
Турбулентная жидкость со стороны оболочки-, текущая через пучок труб, вызывает изменение полей давления вокруг каждой из трубок.

Вихревые колебания и выбросы
Переменные вихри за трубками создают циклические боковые напряжения. При низких скоростях потока эти силы слабы и в основном безвредны.

С увеличением числа Рейнольдса:

Уровень турбулентности увеличивается

Изменение давления становится более выраженным

Более когерентные осциллирующие силы Более когерентные осциллирующие силы

Движение трубки начинает улучшаться

Если частота стимуляции близка к собственной частоте трубки, могут возникнуть резонансные явления.

Тогда амплитуда вибрации может увеличиваться стремительно, а не постепенно.

Гибкая-эластичная нестабильность: критический порог
Критическая скорость упругой-неустойчивости жидкости – это одна из наиболее важных проверок при проектировании теплообменника.

Почему риск возрастает
Движение к нестабильности не является прямой линией. Ниже критического состояния течения процессы демпфирования являются доминирующими и подавляют движение трубки. Выше этого уровня жидкость сама начинает вносить энергию в цикл колебаний со скоростью, превышающей способность конструкции рассеивать ее.

Тогда даже незначительное увеличение скорости потока может вызвать непропорционально большие амплитуды вибрации.

Сама труба служит собственной машиной для испытаний на усталость, снова и снова растягиваясь с большим количеством циклов, пока не произойдет износ, растрескивание или повреждение опоры.

Типичные последствия чрезмерной вибрации
Вибрация, вызванная потоком-, если ее не контролировать, приведет к:

Усталость стенки трубы

Поддержка износа

Абразивный износ

Столкновение труб-с-трубами

Утечки

Повреждение пакета - катастрофическое

Относительно мягкий материал теплообменников из ПТФЭ может быть особенно склонен к долговременному-колебательному износу в опорных точках.

Анализ вибрации трубок со стороны корпуса теплообменника из ПТФЭ по числу Рейнольдса
При проектировании теплообменника комбинированные гидравлические и механические расчеты используются для оценки взаимосвязи между числом Рейнольдса на стороне корпуса, вибрацией трубки и стабильностью теплообменника из ПТФЭ.

Параметры, влияющие на критический порог
На появление нестабильности влияют несколько аспектов.

Влияние конструктивных переменных на вибрацию
Скорость стороны оболочкиПовышенная сила возбуждения
Длина пролета трубы. Более длинные пролеты уменьшают жесткость.
Диаметр трубки Изменения собственной частоты
Плотность жидкости Улучшенная динамическая нагрузка
Расстояние между трубами Управление устойчивостью к вибрации
Жесткость стенки (ПТФЭ)Влияет на поведение при прогибе
Взаимодействие этих компонентов сложнее, чем простое правило--оценки, и требует тщательного инженерного исследования.

Важность расстояния между опорами труб
Одним из наиболее эффективных инструментов предотвращения проблем с вибрацией в теплообменниках из ПТФЭ является расстояние между опорами трубок.

Чем короче интервал, тем выше собственная частота.
Механически трубка ведет себя как гибкая балка. На собственную частоту вибрации пролета очень сильно влияет его неопорная длина.

Добавление дополнительных опор:

Уменьшение неподдерживаемой длины

Жесткость трубки успешно увеличена

Амплитуда отклонения уменьшается

Собственная частота значительно возрастает

Важно, чтобы соотношение собственных частот было чувствительным к длине пролета. По мере уменьшения пролета без опоры собственная частота увеличивается примерно пропорционально квадрату воздействия уменьшения, следовательно, расстояние между опорами является исключительно мощной контрмерой.

Это перемещает резонансную частоту трубки выше основной области турбулентного возбуждения, создаваемой боковым потоком оболочки-.

Отраслевая практика и рекомендации TEMA
Анализ вибрации, вызванной потоком, является рутинной деятельностью при проектировании кожухо-и-трубчатых теплообменников в соответствии с принципами TEMA.

Рекомендации по проектированию от TEMA
В рамках Ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA) используются следующие методы оценки:

Поперечная скорость потока

Чувствительность к вибрации 1.

Собственные частоты лампы

Пределы упруго-жидкостной неустойчивости

Реакция на выброс вихря

Те же основные концепции вибрации применимы и к теплообменникам из ПТФЭ, однако необходимо учитывать дополнительные аспекты,-специфичные для материала.

Они должны обеспечить, чтобы условия эксплуатации были далеки от критических областей нестабильности для расчетного рабочего диапазона теплообменника.

Дополнительные подходы к проектированию для снижения вибрации
Помимо расстояния между опорами, существует множество других подходов, часто используемых для ограничения риска вибрации.

Пониженная боковая скорость оболочки
Уменьшение боковой скорости-оболочки непосредственно уменьшает турбулентные силы возбуждения и уменьшает число Рейнольдса.

Оптимизация геометрии перегородки
Расстояние между перегородками и геометрия выреза могут повлиять на:

Распределение потока: диагональное

Интенсивность турбулентности

Пики скорости локализованы

Используется тщательная гидравлическая балансировка, чтобы избежать концентрированных зон возбуждения.

Комплектация трубок
Генерация вихрей и взаимодействие следа различны при треугольном и квадратном расположении шага. Следовательно, вибрационная восприимчивость зависит от выбора формы жгута.

Улучшенное структурное демпфирование
В некоторых конструкциях теплообменников предусмотрены дополнительные демпфирующие элементы, помогающие рассеивать энергию колебаний до того, как будут выполнены критерии резонанса.

Теплообменники из ПТФЭ требуют тщательной балансировки.
Теплообменники из ПТФЭ обычно выбираются из-за их способности выдерживать агрессивные химические условия, к которым металлические системы не подходят.

Но та же гибкость, которая позволяет трубкам из ПТФЭ поглощать тепловые нагрузки, делает их более механически чувствительными к силам турбулентного потока.

Следовательно, оптимизация дизайна должна сбалансировать:

Устойчивость к коррозии

Эффективность передачи тепла

Потеря давления

Механическая стабильность

Пределы скорости потока

Агрессивная боковая скорость корпуса может улучшить тепловые характеристики, но одновременно увеличить риск возникновения вибрации.

Краткое содержание
Фундаментальной частью проектирования теплообменников из ПТФЭ является прогнозирование начала вибрации, создаваемой потоком. Энергия турбулентного потока существенно возрастает с увеличением числа Рейнольдса со стороны оболочки. И, наконец, достигает уровня, на котором флуктуирующие силы жидкости могут возбуждать собственные частоты гибкого пучка труб из ПТФЭ.

Взаимодействие между числом Рейнольдса на стороне корпуса, вибрацией трубки и характеристиками теплообменника из ПТФЭ определяется жесткостью трубки, пролетом опоры, скоростью поперечного-потока и динамикой жидкости. Тщательные расчеты конструкции, включая проверку скорости упругой нестабильности жидкости-в соответствии со стандартами TEMA, помогают гарантировать, что теплообменник будет работать ниже небезопасных пределов вибрации.

Плотно расположенные опоры труб по-прежнему являются одним из наиболее эффективных средств противодействия среди всех существующих, поскольку они резко повышают собственную частоту трубы и уменьшают амплитуду отклонения. При правильной гидравлической и механической конструкции теплообменник из ПТФЭ может работать очень тихо и надежно в течение многих лет.

Бесшумный поток, как правило, является наиболее очевидным индикатором того, что пучок труб надежно работает в пределах своих конструктивных ограничений в системах термической обработки.