Enamiku inseneride jaokssoojusvaheti deflektoron järelmõte. Torud valitakse soojusülekande jaoks, kesta suurus on rõhu piiramiseks ja deflektorid on määratletud standardmustri järgi. See lähenemisviis töötab paljude rakenduste puhul, kuid jätab kasutamata võimalused täiustamiseks. Selles artiklis vaadeldakse mitmeid välipraktika juhtumeid, kus deflektori disainile tähelepanu pööramine parandas oluliselt jõudlust, vähendas kulusid või pikendas kasutusiga.
1. juhtum: üle-survega jahuti
Lahe ranniku piirkonnas asuvas keemiatehases oli 600 mm läbimõõduga kesta ja torujahuti, mis töötas kergel süsivesinikuvoolul. Jahuti oli kasutusel olnud kaheksa aastat ja toimis piisavalt, kuid rõhulangus oli kasvanud nii suureks, et tehas kaalus pumba väljavahetamist või möödaviigu paigaldamist.
Algses disainis kasutati üksikuid segmentaalseid deflektoreid 25% lõikega ja 200 mm vahedega. Deflektorid täpsustati standardse TEMA paigutusega. Tööandmete läbivaatamine näitas, et kesta{4}}rõhulangus oli suurenenud projekteeritud väärtuselt 35 kPa 85 kPa-ni. Kasv oli tingitud saastumisest, kuid saastumise määr oli oodatust suurem.
Lahenduseks ei olnud deflektori vahekauguse või deflektori lõike muutmine, vaid deflektori konfiguratsiooni muutmine. Üksikud segmentaalsed deflektorid asendati kahekordsete segmentide deflektoritega. Rõhulangust vähendati 40 kPa-ni ilma soojusülekande olulise vähenemiseta. Jaam säästis uue pumba maksumust ja vältis paigaldamise seisakuid.
Õppetund: kui rõhulangus on liiga suur, kaaluge enne pumba vahetamist deflektori tüübi muutmist.
2. juhtum: vibreeriv komplekt
Elektrijaamas oli 900 mm kesta läbimõõduga toiteveesoojendi. Seade oli kasutuses olnud kolm aastat, kui hakkasid ilmnema torurikked. Vead ilmnesid torude -to-torude lehtede ühendustes ja kohtades, kus torud puutusid kokku deflektoritega. Rikke põhjustas voolu{6}}indutseeritud vibratsioon.
Disainis oli 25% deflektori lõige, üksikud segmendid ja 300 mm vahekaugus. Torude arvutuslik omasagedus oli 45 Hz. Korpus{5}}poolse voolu ergutussageduseks hinnati 30–50 Hz, olenevalt voolukiirusest. Vibratsioon oli resonantsis.
Lahenduseks oli deflektori vahekauguse vähendamine 200 mm-ni. See suurendas omasagedust 70 Hz-ni, väljaspool ergastusvahemikku. Torud vahetati välja, deflektoreid muudeti ja seade viidi uuesti kasutusele. Modifikatsiooni maksumus oli murdosa toru jätkuvate rikete kuludest. Elektrijaam hindas, et vibratsioon põhjustas kolme aasta jooksul üle 200 000 dollari hooldust ja kaotas toodangut.
Õppetund: sagedussuhe ei ole detail, mida eirata. Kui omasagedus on lähedane ergastussagedusele, on tulemuseks vibratsioon ja rike.
3. juhtum: soojusülekande defitsiit
Toidukäitlemisettevõttes oli 500 mm läbimõõduga kest ja torusoojusvaheti, mida kasutati viskoosse toiduaine jahutamiseks. Seade oli projekteeritud standardsete deflektoritega, kuid see ei saavutanud nõutavat väljalasketemperatuuri. Tootja tegi ettepaneku pindala suurendamiseks suurema soojusvaheti lisamisega, kuid tehas otsis odavamat-lahendust.
Disaini ülevaatus näitas, et deflektori vahekaugus oli 250 mm, mis oli kõrge viskoossusega vedeliku jaoks optimaalsest suurem. Voolumustris domineeris pikisuunaline vool läbi deflektori akende. Rist-vool torude kohal oli madal ja soojusülekandetegur jäi alla projekteeritud väärtuse.
Deflektoreid muudeti, vähendades vahekaugust 150 mm-ni. Ristvoolu -kiirus suurenes, soojusülekandetegur suurenes ja seade saavutas vajaliku väljalasketemperatuuri. Muudatus viidi lõpule plaanilise hooldusseisaku ajal ja maksis vähem kui 10% uue soojusvaheti maksumusest.
Õppetund: viskoossete vedelike puhul on standardne deflektori vahe sageli liiga suur. Väiksem vahemaa suurendab rist-voolu ja parandab soojusülekannet.
Baffle'i jõudluse mehaanika
Deflektorisüsteemi toimivuse määravad kolm tegurit: voolumuster, kiiruse jaotus ja rõhulangus. Igaüht neist mõjutab deflektori disain.
- Voolumuster. Deflektori konstruktsioon määrab, kas vool on valdavalt rist-vool või pikisuunaline vool. Ristvool- on soojusülekande jaoks tõhusam, kuna see rikub piirkihti. Pikisuunaline vool on soojusülekande jaoks vähem efektiivne, kuid see on vajalik vedeliku transportimiseks deflektori sektsioonide vahel.
- Kiiruse jaotus. Deflektori konstruktsioon määrab, kas vool on kogu torukimbu ulatuses ühtlane või koondunud teatud piirkondadesse. Ebaühtlane jaotus vähendab soojusülekannet ja suurendab lokaalse saastumise ohtu.
- Rõhu langus. Deflektori konstruktsioon määrab rõhu languse läbi soojusvaheti. Rõhulangus sõltub kiirusest läbi deflektori akende ja ristvoolukiirusest. Suhe ei ole lineaarne; kiiruse kahekordistamine suurendab rõhulangust ligikaudu neli korda.
Baffle'i lõige
Deflektori lõige on deflektori konstruktsiooni kõige olulisem muutuja. See määrab tasakaalu rist-voolu ja pikisuunalise voolu vahel. Väiksem lõige suurendab rist-voolu ja soojusülekannet, kuid suurendab ka rõhulangust ja toru vibratsiooni ohtu. Suurem lõige vähendab rist-voolu ja rõhulangust, kuid vähendab ka soojusülekannet.
Enamiku rakenduste jaoks on optimaalne lõige 20–25% deflektori alast. See tagab tasakaalu soojusülekande ja rõhulanguse vahel. Kõrge rõhulanguse piiranguga rakenduste puhul võib olla vajalik suurem lõige. Rakendustes, kus soojusülekanne on prioriteet, võib kasutada väiksemat lõiget.
Arvesse võetakse ka lõike orientatsiooni. Enamiku kujunduste puhul on lõige horisontaalne, aken on kesta üla- või alaosas. See on vertikaalse töö standardseade. Horisontaalses töös on lõige tavaliselt vertikaalne, et vältida vedeliku kogunemist kesta alumisse ossa.
Deflektori vahekaugus
Deflektori vahemaa määrab ristvoolu -kiiruse ja torude toetamata vahemiku. Vahekaugus on tavaliselt 20% kuni 100% kesta läbimõõdust. Optimaalne vahekaugus sõltub soojusülekande nõuetest, rõhulanguse piirangutest ja toru vibratsiooniriskist.
- Soojusülekanne. Soojusülekandetegur suureneb, kui vahekaugus väheneb. Antud kesta läbimõõdu korral on koefitsient ligikaudu võrdeline vahekauguse pöördväärtuse ruutjuurega. See seos kehtib praktiliste vahekauguste vahemiku puhul.
- Rõhu langus. Rõhulangus on ligikaudu võrdeline vahekauguse pöördväärtusega. Väiksem vahemaa suurendab rõhulangust. Suhe ei ole lineaarne; 20% vahekauguse vähendamine võib suurendada rõhulangust 30% kuni 40%.
- Toru vibratsioon. Vibratsioonirisk väheneb, kui vahe väheneb. Väiksem vahemaa vähendab toetamata vahemikku ja suurendab loomulikku sagedust. Vibratsiooniriski mõjutavad ka voolumuster ja toru paigutus.
Vahekaugus tuleks valida nende kolme teguri tasakaalustamiseks. Soojusülekande{1}}domineerivate rakenduste puhul on vahekaugus tavaliselt vahemiku alumises otsas. Survelanguse-piiratud rakenduste puhul on see kõrgem. Kõrge vibratsiooniriskiga rakenduste puhul peab vahekaugus olema piisavalt väike, et hoida torud lubatud vibratsiooni piirides.
Toru samm ja toru paigutus
Toru samm-külgnevate torude vaheline kaugus-mõjutab voolujaotust ja rõhulangust. Suurem samm annab rohkem ruumi kesta-külgvoolule, vähendades rõhulangust ja võimaldades suuremat voolukiirust. Väiksem samm suurendab torude arvu antud kesta läbimõõdu korral, suurendades soojusülekande pindala, kuid piirates voolu.
Toru paigutus-torude paigutus kimbus-mõjutab voolujaotust ja vibratsiooniomadusi. Kolm standardset paigutust on järgmised:
- Kolmnurkne (30 kraadi). See paigutus tagab suurima torude arvu antud kesta läbimõõdu jaoks. See on kõige levinum paigutus rakendustes, kus soojusülekandeala maksimeerimine on prioriteet. Voolu jaotus on hea ja rõhulangus mõõdukas.
- Ruut (90 kraadi). See paigutus võimaldab juurdepääsu torude mehaaniliseks puhastamiseks. Seda kasutatakse rakendustes, kus kesta{3}}külgne vedelik määrdub või kus torusid tuleb puhastada. Torude arv on sama kesta läbimõõdu puhul väiksem kui kolmnurkne.
- Pööratud ruut (45 kraadi). See paigutus pakub kompromissi kolmnurkse paigutuse suure torude arvu ja ruudukujulise paigutuse puhastusjuurdepääsu vahel. Seda kasutatakse rakendustes, kus on vaja juurdepääsu puhastamisele.
Deflektor-to-toru kliirens
Vahe deflektori aukude ja torude vahel mõjutab möödavoolu ja toru vibratsiooni omadusi. Tavaliste konstruktsioonide puhul on kliirens tavaliselt 0,5–1,5 mm. Väiksem kliirens vähendab möödavoolu voolu ja parandab soojusülekannet, kuid võib suurendada toru kahjustamise ohtu monteerimise ajal. Suurem kliirens vähendab koostu kahjustamise ohtu, kuid suurendab möödavoolu voolu ja vähendab soojusülekannet.
Kliirens tuleks kindlaks määrata toru materjali, toru läbimõõdu ja montaažimeetodi põhjal. Roostevabast terasest torude puhul võib kliirens olla suurem kui süsinikterasest torude puhul, et võtta arvesse suuremat soojuspaisumistegurit.
Disaini metoodika
Konkreetse rakenduse jaoks mõeldud deflektori disaini väljatöötamiseks saab kasutada järgmist metoodikat:
1. samm: määrake protsessi nõuded.
Määrake soojuskoormus, vedeliku omadused, lubatud rõhulangus ja toru vibratsiooni piirid. Need on piirangud, millele disain peab vastama.
2. samm: valige deflektori tüüp.
Valige deflektori konfiguratsioon protsessinõuete ja ruumipiirangute põhjal. Vaikimisi on üksikud segmentaalsed deflektorid. Kui rõhulangus on liiga suur, kasutatakse topeltsegment- või ketas-ja-sõõrikuid.
3. samm: määrake deflektori vahe.
Arvutage soovitud soojusülekandeteguri saavutamiseks ja torude hoidmiseks lubatud vibratsioonipiirides vajalik vahekaugus.
4. samm: määrake deflektori lõige.
Arvutage ristvoolu ja pikisuunalise voolu{0}}tasakaalu saavutamiseks vajalik lõige. Lõige on tavaliselt 20–25% deflektori alast.
5. samm: kontrollige kujundust.
Arvutage soojusülekandetegur, rõhulangus ja vibratsioonirisk. Tulemused peaksid vastama protsessi nõuetele.
6. samm: määrake materjalid.
Valige deflektori materjal vedeliku omaduste ja töötemperatuuri alusel. Deflektori materjal peab sobima toru materjaliga ja kesta materjaliga.
Paigaldamine ja hooldus
Deflektorite paigaldamine ja hooldamine on tavaliselt lihtne, kuid on mitmeid olulisi kaalutlusi.
- Paigaldamine. Deflektorid tuleb paigaldada õige suunaga. Lõige peaks olema joondatud sisselaske- ja väljalaskeotsikutega. Toru augud peavad olema torudega joondatud. Vale joondamine võib kokkupanemise või kasutamise ajal toru kahjustada.
- Ülevaatus. Deflektoreid tuleks kontrollida hooldusseiskamise ajal. Ülevaatus peaks hõlmama korrosiooni, erosiooni ja deformatsiooni kontrollimist. Kontrollida tuleks torude ja deflektori aukude vahelisi vahesid, et veenduda, et need ei ole kulumise tõttu suurenenud.
- Puhastamine. Deflektoreid tuleb puhastada, kui esineb määrdumist. Puhastusmeetod sõltub hoiuse tüübist. Keemiline puhastus on tüüpiline orgaaniliste hoiuste puhul. Mehaaniline puhastus on tüüpiline anorgaaniliste ladestuste korral.
Järeldus
Deflektorisüsteem on kesta ja toru soojusvaheti kriitiline komponent. Selle konstruktsioon määrab voolumustri, soojusülekandeteguri, rõhulanguse ja toru vibratsiooni omadused. Disain peab tasakaalustama konkureerivaid soojusülekande, rõhulanguse ja mehaanilise toe nõudeid.
Deflektori tüübi, vahekauguse ja lõike valik peaks põhinema protsessitingimuste, vooluomaduste ja mehaaniliste nõuete süstemaatilisel hindamisel. Analüüs peaks sisaldama soojusülekande arvutust, rõhulanguse arvutust ja vibratsioonianalüüsi. Disain tuleks kontrollida sobivate meetodite abil.
Õigesti projekteeritud ja paigaldatud deflektorisüsteem tagab usaldusväärse soojusülekande kogu soojusvaheti kavandatud eluea jooksul. Kui see on halvasti projekteeritud, võib see põhjustada ebapiisavat jõudlust, liigset rõhulangust, toru vibratsiooni või varajast riket.