Wie beeinflusst die seitliche Reynolds-Zahl der Schale den Beginn der durch Strömung-induzierten Rohrvibration in einem PTFE-Austauscher?
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Die PTFE-Rohre in einem Wärmetauscher sind bei niedrigen Durchflussraten auf der Mantelseite leise und stabil. Eine zunehmende Seitengeschwindigkeit der Schale kann jedoch eine versteckte hydraulische Schwelle überschreiten. Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Turbulenzintensität, Rohrflexibilität und Stützabstand sind entscheidend dafür, dass die fließende Flüssigkeit das Rohrbündel unerwartet dynamisch stimulieren kann. Das Ergebnis sind strömungsinduzierte Vibrationen, bei denen zuvor statische Rohre zu schwanken beginnen, zu oszillieren beginnen und in manchen Fällen mit hörbarem Geräusch gegen ihre Halterungen klappern.
Daher ist der Zusammenhang zwischen der Reynolds-Zahl auf der Mantelseite und der Rohrvibration eine der wesentlichsten mechanischen -hydraulischen Wechselwirkungen bei der Konstruktion von Fluorpolymer-Wärmetauschern, und auch die Leistung von PTFE-Wärmetauschern hängt damit zusammen.
Was ist die Reynolds-Zahl in der Shell-Seitenströmung?
Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Zahl, die die Art der Flüssigkeitsströmung beschreibt. Dies ist eine Mischung aus den Auswirkungen von:
Geschwindigkeit der Flüssigkeit
Dichte der Flüssigkeit
Viskosität von Flüssigkeiten
Kennlinie des hydraulischen Durchmessers
Bei der mantelseitigen Austauscherströmung wird die Reynolds-Zahl verwendet, um anzugeben, ob es sich bei der Flüssigkeitsströmung im Allgemeinen um eine gleichmäßige, laminare Strömung oder um eine energiereiche, turbulente Strömung handelt.
Höhere Reynolds-Zahl, mehr turbulente Energie
Für eine bestimmte Rohrbündelgeometrie impliziert eine Erhöhung der mantelseitigen Reynolds-Zahl häufig Folgendes:
Höhere Querströmungsgeschwindigkeit
Turbulenzen höherer Intensität
Größere oszillierende Druckkräfte
Größere Kraft der Wirbelablösung
Unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts sind die schwankenden Kräfte zu gering, um das Rohrbündel sinnvoll zu verschieben. Das System ist weiterhin mechanisch gedämpft und stabil.
Nachdem der kritische Punkt jedoch überschritten wurde, kann es sein, dass die Energie der Strömung stark mit den Eigenschwingungsfrequenzen der Rohre gekoppelt wird.
Warum PTFE-Schläuche vibrationsempfindlich sind
Während PTFE eine hohe chemische Beständigkeit und Korrosionsimmunität aufweist, ist es mechanisch deutlich weniger steif als metallische Rohrmaterialien.
PTFE-Schläuche werden mit Edelstahl- oder Titanschläuchen verglichen:
Reduzierter Elastizitätsmodul
Erhöhte Flexibilität
Reduzierte Eigenfrequenzen
Größere Durchbiegung unter Last
Dadurch wird die für den Schwingungsbeginn wesentliche Reynolds-Zahl meist bei geringeren Schalenseitengeschwindigkeiten erreicht als bei vergleichbaren Metallaustauschern.
Daher ist die Berücksichtigung von Vibrationen bei der Konstruktion von Fluorpolymer-Wärmetauschern besonders wichtig.
Strömungsinduzierter Rohrvibrationsmechanismus
Die turbulente mantelseitige Flüssigkeit, die über das Rohrbündel strömt, induziert wechselnde Druckfelder um jedes der Rohre.
Wirbeloszillation und -ablösung
Wechselnde Wirbel hinter den Rohren sorgen für zyklische seitliche Spannungen. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten sind diese Kräfte schwach und weitgehend harmlos.
Mit steigender Reynolds-Zahl:
Das Turbulenzniveau steigt
Die Druckschwankungen werden immer ausgeprägter
Kohärentere oszillierende Kräfte. Kohärentere oszillierende Kräfte
Die Röhrenbewegung beginnt sich zu verbessern
Liegt die Stimulationsfrequenz nahe an der Eigenfrequenz des Rohres, kann es zu Resonanzerscheinungen kommen.
Dann kann die Schwingungsamplitude schnell und nicht allmählich ansteigen.
Fluid-Elastische Instabilität: Die kritische Schwelle
Die kritische Geschwindigkeit für die -elastische Instabilität von Flüssigkeiten ist eine der wichtigsten Entwurfsprüfungen bei der Konstruktion von Wärmetauschern.
Warum das Risiko steigt
Der Übergang zur Instabilität verläuft nicht geradlinig. Unterhalb des kritischen Strömungszustandes dominieren die Dämpfungsvorgänge und unterdrücken die Rohrbewegung. Darüber hinaus beginnt die Flüssigkeit selbst, schneller Energie in den Schwingungszyklus einzubringen, als die Struktur sie abführen kann.
Dann können bereits geringfügige Erhöhungen der Strömungsgeschwindigkeit zu unverhältnismäßig großen Schwingungsamplituden führen.
Das Rohr selbst dient als eigene Ermüdungsprüfmaschine, die sich bei hohen Zyklen immer wieder dehnt, bis Verschleiß, Rissbildung oder Stützschäden auftreten.
Typische Auswirkungen übermäßiger Vibration
Durch Strömung-induzierte Vibrationen führen, wenn sie nicht bewältigt werden, zu Folgendem:
Ermüdung der Rohrwand
Stützverschleiß
Abrasiver Verschleiß
Kollision von Rohr-zu-
Leckagefehler
Bündelschaden - katastrophal
Das relativ weiche Material in PTFE-Wärmetauschern kann besonders anfällig für langfristigen Schwingungsverschleiß an Stützstellen sein.
Analyse der Rohrvibration auf der Mantelseite eines PTFE-Austauschers anhand der Reynolds-Zahl
Bei der Konstruktion des Wärmetauschers wird die kombinierte hydraulische und mechanische Berechnung verwendet, um die Beziehung zwischen der mantelseitigen Reynolds-Zahl, der Rohrvibration und der Stabilität des PTFE-Wärmetauschers zu bewerten.
Parameter, die den kritischen Schwellenwert beeinflussen
Mehrere Aspekte beeinflussen die Entstehung von Instabilität.
Einfluss von Designvariablen auf Vibrationen
Geschwindigkeit der mantelseitigen Erregungskraft erhöht
Länge der Rohrspannweite Längere Spannweiten verringern die Steifigkeit
Rohrdurchmesser Eigenfrequenzänderungen
Flüssigkeitsdichte Bessere dynamische Belastung
RohrabstandVibrationswiderstandsmanagement
Wandsteifigkeit (PTFE)Beeinflusst das Durchbiegungsverhalten
Das Zusammenspiel dieser Komponenten ist komplizierter als eine einfache Faustregel und erfordert sorgfältige technische Forschung.
Die Bedeutung des Abstands der Rohrhalterungen
Eines der wirksamsten Mittel zur Vermeidung von Vibrationsproblemen in PTFE-Wärmetauschern ist der Abstand der Rohrhalterungen.
Je kürzer die Spanne, desto höher ist die Eigenfrequenz.
Mechanisch verhält sich das Rohr wie ein flexibler Balken. Die inhärente Schwingungsfrequenz der Spannweite wird stark von ihrer freitragenden Länge beeinflusst.
Weitere Unterstützungen hinzufügen:
Nicht unterstützte Länge nimmt ab
Die Rohrsteifigkeit wird erfolgreich erhöht
Die Auslenkungsamplitude nimmt ab
Die Eigenfrequenz steigt stark an
Es ist wichtig, dass die Eigenfrequenzbeziehung empfindlich auf die Spannweite reagiert. Wenn die freitragende Spannweite reduziert wird, erhöht sich die Eigenfrequenz etwa im Quadrat des Reduzierungseffekts, daher ist der Stützabstand eine außerordentlich wirksame Gegenmaßnahme.
Dadurch wird die Rohrresonanzfrequenz höher verschoben als der Hauptbereich der turbulenten Anregung, die durch die mantelseitige Strömung erzeugt wird.
Branchenpraxis und TEMA-Richtlinien
Die Analyse strömungsinduzierter Vibrationen ist eine Routinetätigkeit in der Konstruktion von Rohrbündelwärmetauschern nach den TEMA-Prinzipien.
Designüberlegungen von TEMA
Im Rahmen der Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) gibt es folgende Bewertungstechniken:
Querströmungsgeschwindigkeit
Vibrationsempfindlichkeit 1.
Eigenfrequenzen einer Röhre
Grenzen der flüssigkeitselastischen Instabilität
Reaktion auf Wirbelablösung
Für PTFE-Austauscher gelten die gleichen grundlegenden Vibrationskonzepte, es müssen jedoch zusätzliche materialspezifische-Bedenken berücksichtigt werden.
Sie müssen sicherstellen, dass die Betriebsströmungsbedingungen weit von den kritischen Instabilitätsbereichen für den geschätzten Betriebsbereich des Wärmetauschers entfernt sind.
Zusätzliche Designansätze zur Reduzierung von Vibrationen
Neben den Stützabständen gibt es zahlreiche weitere Ansätze, die häufig zur Begrenzung des Vibrationsrisikos eingesetzt werden.
Gesenkte Seitengeschwindigkeit der Schale
Eine Verringerung der Seitengeschwindigkeit der Schale verringert direkt die turbulenten Erregungskräfte und verringert die Reynolds-Zahl.
Optimierung der Schallwandgeometrie
Der Abstand der Leitbleche und die Schnittgeometrie können sich auf Folgendes auswirken:
Strömungsverteilung: diagonal
Intensität der Turbulenzen
Geschwindigkeitsspitzen lokalisiert
Durch einen sorgfältigen hydraulischen Abgleich werden konzentrierte Anregungsbereiche vermieden.
Bündelanordnung der Röhre
Die Wirbelerzeugung und die Wirbelschleppen-Wechselwirkung unterscheiden sich in der Anordnung mit dreieckiger und quadratischer Teilung. Daher ist die Vibrationsanfälligkeit von der Wahl der Bündelform abhängig.
Verbesserte Strukturdämpfung
In einigen Wärmetauscherkonstruktionen sind zusätzliche Dämpfungselemente vorgesehen, um die Ableitung der Schwingungsenergie zu unterstützen, bevor die Resonanzkriterien erfüllt sind.
PTFE-Austauscher erfordern eine sorgfältige Auswuchtung
PTFE-Austauscher werden im Allgemeinen aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, aggressive chemische Bedingungen zu bewältigen, für die metallische Systeme nicht geeignet sind.
Aber die gleiche Flexibilität, die es PTFE-Schläuchen ermöglicht, thermische Spannungen zu absorbieren, macht sie mechanisch empfindlicher gegenüber turbulenten Strömungskräften.
Die Designoptimierung muss daher Folgendes ausbalancieren:
Korrosionsbeständigkeit
Effizienz der Wärmeübertragung
Druckverlust
Mechanische Stabilität
Grenzen der Strömungsgeschwindigkeit
Aggressive Seitengeschwindigkeiten der Hülle können die thermische Leistung verbessern, erhöhen aber gleichzeitig das Vibrationsrisiko.
Zusammenfassung
Ein wesentlicher Bestandteil der PTFE-Wärmetauschertechnik ist die Vorhersage des Beginns der durch die Strömung erzeugten Vibration. Die turbulente Strömungsenergie wächst deutlich mit der Zunahme der schalenseitigen Reynolds-Zahl. Und erreicht schließlich ein Niveau, bei dem die schwankenden Flüssigkeitskräfte die Eigenfrequenzen des flexiblen PTFE-Rohrbündels anregen könnten.
Das Zusammenspiel zwischen der mantelseitigen Reynolds-Zahl, der Rohrvibration und der Leistung des PTFE-Wärmetauschers wird durch die Rohrsteifigkeit, die Stützweite, die Querströmungsgeschwindigkeit und die Fluiddynamik bestimmt. Sorgfältige Konstruktionsberechnungen, einschließlich der Untersuchung der elastischen Instabilitätsgeschwindigkeit der Flüssigkeit gemäß TEMA-Standards, tragen dazu bei, sicherzustellen, dass der Wärmetauscher unterhalb unsicherer Vibrationsgrenzen läuft.
Die eng beieinander liegenden Rohrhalterungen gehören nach wie vor zu den wirksamsten Gegenmaßnahmen überhaupt, da sie die Rohreigenfrequenz drastisch anheben und die Auslenkungsamplitude reduzieren. Mit der richtigen hydraulischen und mechanischen Konstruktion kann ein PTFE-Wärmetauscher über viele Jahre hinweg sehr leise und zuverlässig sein.
Eine stille Strömung ist im Allgemeinen der offensichtlichste Indikator dafür, dass ein Rohrbündel innerhalb seiner Konstruktionsgrenzen in thermischen Verarbeitungssystemen sicher läuft.
