Provocarea stresului de randament
Fluidele non-newtoniene cu efort de curgere-noroiurile de foraj, soluțiile polimerice, pastele alimentare și anumite suspensii farmaceutice-se comportă ca solide până când se aplică o tensiune de forfecare critică. Fluidul curge numai atunci când efortul de forfecare local depășește limita de curgere. Într-un rezervor încălzit, fluidul adiacent tuburilor schimbătorului de căldură poate fi încălzit suficient pentru a-și reduce vâscozitatea, dar dacă forțele de flotabilitate termică sunt sub limita de curgere, fluidul încălzit nu crește. Rămâne stagnant în jurul tuburilor. Transferul de căldură se prăbușește de la convecție la conducție.
Design-urile convenționale ale schimbătoarelor de căldură, dezvoltate pentru fluidele newtoniene în care convecția naturală asigură o mișcare continuă a fluidului, au un efect slab la fluidele cu tensiune de curgere-. Distanța dintre tuburi și geometria fasciculului trebuie să fie proiectate special pentru a crea tensiuni de forfecare care depășesc efortul de curgere în întregul volum al fluidului, asigurând circulația continuă și încălzirea uniformă.
Un schimbător de căldură PTFE cu geometrie personalizată a fasciculului de tuburi abordează acest lucru prin concentrarea suprafeței de încălzire în zonele în care flotabilitatea naturală este cea mai puternică și prin furnizarea de canale de curgere care ghidează circulația fluidului.
Principiile de proiectare a geometriei
Mănunchiul de tuburi este aranjat pentru a crea un model de convecție structurat. În loc de o grilă uniformă, tuburile sunt grupate în coloane verticale cu o distanță mai mare între coloane decât în interiorul coloanelor. Coloanele acționează ca coșuri de fum încălzite. Fluidul din coloane este încălzit, vâscozitatea acestuia scade, iar flotabilitatea creează un flux ascendent. Spațiile mai largi dintre coloane asigură căi de retur pentru fluidul rece care coboară din zonele superioare ale rezervorului.
Distanța dintre tuburi în fiecare coloană este setată pentru a produce o efort de forfecare în fluid între tuburile adiacente care depășește limita de curgere la temperatura de funcționare. Efortul de forfecare este calculat din forța de flotabilitate asupra elementului fluid încălzit și a suprafeței tubului. Dacă efortul de forfecare calculat este sub limita de curgere, distanța dintre tuburi este redusă pentru a crește viteza de forfecare.
În partea de jos a fasciculului, unde fluidul este cel mai rece și tensiunea de curgere este cea mai mare, tuburile sunt mai dens împachetate. Densitatea mai mare a tubului crește viteza de încălzire locală și forța de flotabilitate, ajutând la depășirea stresului de curgere și la inițierea circulației. În partea de sus a fasciculului, unde fluidul este mai cald și tensiunea de curgere este mai mică, distanța dintre tuburi poate fi mai mare.
| Parametrul de geometrie a pachetului | Design fluid newtonian | Randament-Design fluid de stres |
|---|---|---|
| Aranjament tub | Grilă uniformă | Coloane verticale cu spații inter{0}}mai largi între coloane |
| Spațierea tuburilor intra-coloană | 2,0-2,5 × tub OD | 1,5-2,0 × tub OD (mai strâns pentru forfecare mai mare) |
| Inter{0}}decalaj între coloane | La fel ca intra-coloană | 3,0-5,0 × tub OD (canale de retur) |
| Densitatea tubului din zona inferioară | Uniformă | 20-30% mai mare decat uniforma |
| Densitatea tubului din zona superioară | Uniformă | 20-30% mai mic decât uniform |
| Înălțimea coloanei | Adâncimea rezervorului | Adâncimea rezervorului (imersie completă) |
| Numărul de coloane | N/A (model de grilă) | 3-8 (în funcție de diametrul rezervorului) |
| Design plăci suport | Model uniform de găuri | Asimetric; se potrivește cu aspectul coloanei |
Strategia de-încălzire de pornire
Fluidele cu stres-de curgere reprezintă o provocare-de pornire: întregul conținut al rezervorului poate fi sub limita de curgere și nu are loc nicio circulație când începe încălzirea. Designul schimbătorului de căldură din PTFE încorporează o strategie de încălzire de pornire-. Presiunea aburului este inițial limitată pentru a produce o temperatură moderată a peretelui tubului care încălzește fluidul local fără a provoca degradare termică. Încălzirea localizată reduce treptat tensiunea de curgere a fluidului care înconjoară imediat tuburile.
Odată ce un volum suficient de fluid în jurul tuburilor a fost încălzit peste trecerea limitei de curgere, începe circulația. Circulația extinde zona încălzită progresiv până când întregul conținut al rezervorului circulă. Presiunea aburului poate fi apoi crescută la nivelul normal de funcționare. Procesul este analog cu dezghețarea unui solid-topit localizat, urmată de lărgirea progresivă a zonei topite până la stabilirea convecției.
Avantajul PTFE pentru fluidele de stres de randament{0}
Energia de suprafață scăzută a PTFE oferă un avantaj specific pentru fluidele cu tensiune de curgere-. Aceste fluide aderă adesea puternic la suprafețele metalice, formând un strat stagnant care rezistă la inițierea circulației. Suprafața anti-PTFE reduce aderența, permițând fluidului încălzit să se desprindă de suprafața tubului și să se ridice la o forță de flotabilitate mai mică decât ar fi necesară pe o suprafață metalică. Circulația inițiază mai devreme, iar zona de stagnare este eliminată mai eficient.
Rezumat
Geometria personalizată a fasciculului de tuburi PTFE pentru schimbătorul de căldură pentru fluide non-newtoniene cu efort de curgere utilizează coloane verticale cu distanță intra-strânsă între coloane pentru a genera forfecare care depășește limita de curgere și spații mari între coloane pentru fluxul de retur. Densitatea mai mare a tubului la partea inferioară a fasciculului depășește tensiunea de curgere mai mare a fluidului rece. O strategie de pornire-controlată inițiază circulația progresiv. Energia de suprafață scăzută a PTFE ajută la detașarea fluidului de pe suprafețele tuburilor, favorizând apariția mai devreme a convecției.
Suportul de inginerie pentru proiectarea schimbătorului de căldură pentru fluidul cu tensiuni de curgere este disponibil la trimiterea datelor de reologie a fluidului (tensiunea de curgere în funcție de temperatură, vâscozitate față de rata de forfecare), dimensiunile rezervorului, intervalul de temperatură de funcționare și sarcina de încălzire.
