Problém s měřítkem
Hydrometalurgická autoklávová ochlazovací nádrž vyžaduje PTFE výměník tepla s výkonem 500 kW. Svazek trubek obsahuje přes 600 trubic uspořádaných do mřížky o šířce 3 metry a výšce 2 metry. Pára vstupuje přes jediný 150mm sběrač a musí se rovnoměrně distribuovat do všech 600 trubic.
V tomto měřítku nelze předpokládat rovnoměrnou distribuci páry. Trubky v blízkosti vstupu do sběrače přijímají nejvyšší proud páry. Trubky na vzdáleném konci sběrače mohou přijímat podstatně méně. Výsledkem je špatná distribuce proudění: některé trubky jsou horké, jiné nedostatečná pára, celková kapacita přenosu tepla je pod navrženou konstrukcí navzdory dostatečné celkové ploše.
Vlastní simulace proudění páry- využívající výpočetní dynamiku tekutin identifikuje a opraví tyto distribuční problémy před výrobou. Náklady na simulaci jsou zlomkem nákladů na úpravu nebo výměnu špatně fungujícího velkého výměníku.
Fyzika distribuce toku
Pára vstupující do sběrače čelí několika paralelním průtokovým cestám svazkem trubek. Proud se rozděluje podle hydraulického odporu každé cesty. V ideálním případě mají všechny cesty stejný odpor a proudění se rozděluje rovnoměrně. V praxi vytváří nejednotnost několik faktorů.
Geometrie záhlaví vytváří gradienty rychlosti. Vstupní proud páry proniká do sběrače a vytváří zónu s vysokou rychlostí v blízkosti vstupu a nižší rychlosti na koncích sběrače. Trubky v blízkosti vstupu vidí vyšší hnací tlak. Trubky na vzdálených koncích vidí nižší tlak. Nerovnováha průtoku může být 30-50 % mezi nejlépe-napájenými a nejhůře napájenými trubicemi.
Dvou{0}}fázový tok komplikuje distribuci. Pára vstupující do sběrače může odnášet stržený kondenzát z přívodního potrubí. Tento kondenzát se přednostně dostává do trubek poblíž dna sběrače a přetěžuje je. Alternativně pára kondenzuje v trubkách, které jsou zpočátku chladnější, čímž vznikají lokalizované tlakové ztráty, které samy -regulují průtok{5}}trubice nesoucí více páry, více kondenzuje, zvyšuje se hustota a tlaková ztráta a snižuje se další přítok. Tato samo-regulace pomáhá, ale je nedokonalá.
Tabulka 1: Vstupy a cíle analýzy CFD simulace pro návrh velkého PTFE výměníku
| Parametr simulace | Vstup/Cíl | Dopad na design |
|---|---|---|
| Tlak a teplota přívodu páry | 4 barg nasycený, 152 stupňů | Hraniční stav na vstupu sběrače |
| Hmotnostní průtok páry | 0,25 kg/s (500 kW latentního tepla) | Celkový průtok, který má být rozdělen |
| Geometrie záhlaví | Průměr 150mm, délka 3m | Generování CFD sítě |
| Počet trubek | 600 (20 řádků × 30 sloupců) | Modelované paralelní dráhy proudění |
| Rozměry trubky | OD 10 mm × 1 mm stěna × 2 m délka | Odpor jednotlivých trubek |
| Simulační výstupy | ||
| Průtok na trubku (kg/h) | Rozsah: 1,2-1,8 (cíl 1,5 jednotný) | Identifikuje hladovějící a přetížené trubky |
| Rozložení rychlosti v záhlaví | Rychlostní obrysy a vektory | Identifikuje zóny recirkulace |
| Rozložení tlaku na vstupech do trubek | Rozsah: 3,8-4,0 barg | Kvantifikuje hnací sílu špatné distribuce |
| Predikce akumulace kondenzátu | Objemový podíl kapaliny ve spodních trubkách | Identifikuje riziko povodní |
| Optimalizovaný kužel hlavičky | Snížení průměru o 15 % podél délky | Vyrovnává rozložení tlaku |
Opravy návrhu z výsledků simulace
Výsledky simulace vedou ke konkrétním úpravám návrhu. Pokud sběrač vykazuje významný pokles tlaku podél své délky, zkosená konstrukce sběrače kompenzuje-průměr sběrače se postupně zmenšuje od vstupního konce ke vzdálenému konci a udržuje rovnoměrnější statický tlak. Úhel kužele je určen simulovaným profilem tlaku.
Pokud vstupní proud vytváří nadměrné místní rychlosti, distribuční deska nebo perforovaná přepážka uvnitř sběrače rozptyluje proud a distribuuje proud rovnoměrněji. Vzor děr a otevřená plocha desky jsou optimalizovány pomocí iterativní simulace.
Pokud spodní řady trubek vykazují zaplavení kondenzátu, je trasa odvodu kondenzátu přepracována. Samostatné sběrače kondenzátu pro nižší řady nebo mírný sklon spodních trubek směrem k výstupu kondenzátu zajišťuje odstranění kapaliny bez hromadění v aktivních trubkách.
Náklady na vynechání simulace
Velký PTFE výměník tepla s nesprávným rozdělením proudění pracuje pod projektovanou kapacitou. Regulátor teploty vyžaduje více páry. Tlak páry se zvýší. Některé zkumavky dostávají ještě větší průtok, zatímco jiné zůstávají hladovějící. Přetížené trubky jsou vystaveny vyšším teplotám stěn, což může způsobit lokalizovanou chemickou degradaci lázně nebo zrychlené tečení. Vyhladovělé trubky přispívají málo tepla.
Výměník je nakonec odstraněn a upraven-přidáním distribučních přepážek, překonfigurováním sběračů nebo výměnou sekcí trubek. Náklady na úpravu plus ztráta produkce během období nedostatečného výkonu daleko převyšují náklady na před{2}}výrobní simulaci.
Shrnutí
Vlastní simulace proudění páry-je nezbytná před výrobou masivních PTFE výměníků tepla pro kritické aplikace, jako jsou autoklávové kalicí nádrže. CFD analýza identifikuje nesprávnou distribuci průtoku, tlakové gradienty sběrače a akumulaci kondenzátu, které ve velkém měřítku snižují tepelný výkon pod navrhovanou kapacitu.
Simulace-řízené konstrukční opravy-kuželové sběrače, rozdělovací desky, optimalizované odvodnění-zajišťují, že vyrobený výměník od prvního uvedení do provozu plní svůj plný jmenovitý výkon. Náklady na simulaci představují malý zlomek nákladů na opravu špatně fungujícího velkého výměníku po instalaci.
Technická podpora pro CFD simulaci velkých konstrukcí PTFE výměníků tepla je k dispozici po předložení požadavků na tepelný výkon, podmínky páry, geometrii svazku trubek, konfiguraci sběrače a stejnoměrnost výkonu.
