Il-Qasam tal-Pressjoni Li Issir il-Livell tad-Disinn
Faċilità ta 'proċessar kimiku li ssaħħan soluzzjoni ta' polimeru viskuż b'viskożità ta '500 cP f'60 grad teħtieġ skambjatur tas-sħana PTFE b'tagħbija tas-sħana ta' 40 kW. Il-fluwidu jiġi ppumpjat mill-iskambjatur tas-sħana b'rata ta 'fluss ta' 15 m³/h.
Disinn preliminari jagħżel tubu ta '9.5 mm bi ħxuna tal-ħajt ta' 0.8 mm u veloċità tal-fluss ta '1.5 m/s. In-numru Reynolds għal din il-kundizzjoni huwa bejn wieħed u ieħor 28, li huwa fir-reġim tal-fluss laminari. Il-fattur ta' frizzjoni għall-fluss laminari huwa 64/Re=2.3, u l-waqgħa tal-pressjoni fuq tul ta' tubu ta' 3 m hija bejn wieħed u ieħor 85 kPa.
Il-waqgħa tal-pressjoni ta '85 kPa hija ogħla mil-limitu permess ta' 50 kPa għall-pompa taċ-ċirkolazzjoni. Id-dijametru tat-tubu għandu jiżdied biex titnaqqas il-waqgħa tal-pressjoni, jew il-veloċità tal-fluss għandha titnaqqas. Iż-żewġ bidliet jaffettwaw il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana.
Il-Liġijiet tal-Iskala tal-Qasam tal-Pressjoni
Il-waqgħa tal-pressjoni f'tubu hija mogħtija mill-ekwazzjoni ta' Darcy-Weisbach: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2), fejn f huwa l-fattur tal-frizzjoni, L huwa t-tul tat-tubu, D huwa d-dijametru tat-tubu, ρ hija d-densità tal-fluwidu, u v hija l-veloċità tal-fluss.
Għal fluss laminari (Re < 2,300), il-fattur tal-frizzjoni huwa f=64/Re=64μ/(ρvD), fejn μ hija l-viskożità dinamika. Is-sostituzzjoni ta' dan fl-ekwazzjoni ta' Darcy-Weisbach tagħti ΔP=32μLv/D².
It-tnaqqis fil-pressjoni fil-fluss laminari huwa proporzjonali għall-viskożità, it-tul tat-tubu, u l-veloċità, u inversament proporzjonali għall-kwadru tad-dijametru tat-tubu. L-irduppjar tad-dijametru tat-tubu inaqqas il-waqgħa tal-pressjoni b'fattur ta 'erba' b'veloċità kostanti.
Għal fluss turbulenti (Re > 4,000), il-fattur tal-frizzjoni jiddependi min-numru Reynolds u l-ħruxija tal-wiċċ. Il-waqgħa tal-pressjoni hija bejn wieħed u ieħor proporzjonali għall-veloċità mgħollija għall-qawwa 1.8 u inversament proporzjonali għad-dijametru tat-tubu mgħolli għall-qawwa 1.2.
Il-Koeffiċjent tat-Trasferiment tas-Sħana fil-Fluss Viskuż
Il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana fil-fluss laminari huwa mogħti mill-korrelazzjoni Sieder-Tate: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0.14, fejn Nu huwa n-numru Nusselt, Pr huwa n-numru Prandtl, u μw hija l-viskożità fit-temperatura tal-ħajt.
Għal fluwidu viskuż b'numru Prandtl ta '1,000, in-numru Nusselt huwa bejn wieħed u ieħor 5-10, li jikkorrispondi għal koeffiċjent ta' trasferiment tas-sħana ta '100-200 W/m²·K għal tubu ta' 9.5 mm. Il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana huwa ħafna aktar baxx milli fil-fluss turbolenti, fejn in-numru Nusselt huwa tipikament 50-100.
Il-koeffiċjent baxx tat-trasferiment tas-sħana fil-fluss viskuż ifisser li żona tal-wiċċ kbira hija meħtieġa biex tinkiseb it-tagħbija tas-sħana. L-erja tal-wiċċ kbira, flimkien mal-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni, tillimita l-għażla tat-tubu.
Il-Limitu tal-Qasam tal-Pressjoni għal Dijametri tat-Tubi Differenti
It-tabella li ġejja tiġbor fil-qosor il-waqgħa tal-pressjoni u l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana għal dijametri ta 'tubi differenti f'fluwidu viskuż b'viskożità ta' 500 cP u veloċità tal-fluss ta '1.0 m/s.
| Dijametru tat-tubu | Numru Reynolds | Fattur ta' Frizzjoni | Qasgħa tal-Pressjoni għal kull Meter | Koeffiċjent tat-Trasferiment tas-Sħana | Reġim tal-Fluss |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 12 | 5.3 | 44 kPa/m | 180 W/m²·K | Laminari |
| 9.5 mm | 19 | 3.4 | 18 kPa/m | 150 W/m²·K | Laminari |
| 12.7 mm | 25 | 2.6 | 10 kPa/m | 130 W/m²·K | Laminari |
| 16 mm | 32 | 2.0 | 6.3 kPa/m | 115 W/m²·K | Laminari |
| 19 mm | 38 | 1.7 | 4.5 kPa/m | 105 W/m²·K | Laminari |
| 25 mm | 50 | 1.3 | 2.6 kPa/m | 90 W/m²·K | Laminari |
| 32 mm | 64 | 1.0 | 1.6 kPa/m | 80 W/m²·K | Laminari |
Il-waqgħa tal-pressjoni għal kull metru hija kkalkulata għal densità ta 'fluwidu ta' 1,100 kg/m³ u veloċità ta '1.0 m/s. Il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana huwa kkalkulat mill-korrelazzjoni Sieder-Tate għal numru Prandtl ta' 1,000.
Il-Kummerċ-Off Bejn Waqgħa fil-Pressjoni u Trasferiment tas-Sħana
Id-dijametru tat-tubu li jimminimizza l-waqgħa tal-pressjoni huwa l-akbar dijametru, iżda l-akbar dijametru għandu wkoll l-inqas koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana. Id-dijametru ottimali huwa dak li jissodisfa kemm il-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni kif ukoll ir-rekwiżit tat-trasferiment tas-sħana.
Għall-każ eżempju b'tagħbija tas-sħana ta '40 kW, viskożità ta' 500 cP, u limitu ta 'waqgħa fil-pressjoni ta' 50 kPa, l-għażla tat-tubu tipproċedi kif ġej.
Iż-żona meħtieġa għat-trasferiment tas-sħana tiddependi fuq il-koeffiċjent ġenerali tat-trasferiment tas-sħana, li huwa ddominat mill-koeffiċjent tal-film tal-proċess-ġenb. Għal tubu ta '12.7 mm b'koeffiċjent ta' trasferiment tas-sħana ta '130 W/m²·K u differenza fit-temperatura ta' 20 grad, l-erja meħtieġa hija 15.4 m². Il-waqgħa tal-pressjoni għal tul ta 'tubu ta' 3 m hija ta '30 kPa, li hija fil-limitu ta' 50 kPa.
Għal tubu ta '9.5 mm b'koeffiċjent ta' trasferiment tas-sħana ta '150 W/m²·K, l-erja meħtieġa hija 13.3 m². Il-waqgħa tal-pressjoni għal tul ta 'tubu ta' 3 m hija ta '54 kPa, li taqbeż il-limitu ta' 50 kPa.
It-tubu ta '12.7 mm huwa l-aħjar għażla minħabba li jissodisfa kemm il-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni kif ukoll ir-rekwiżit tat-trasferiment tas-sħana, minkejja li jeħtieġ erja tal-wiċċ kemmxejn akbar.
L-Effett tal-Veloċità tal-Fluss
Il-veloċità tal-fluss taffettwa kemm il-waqgħa tal-pressjoni kif ukoll il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana. Veloċità ogħla żżid il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana iżda żżid ukoll il-waqgħa tal-pressjoni.
Fil-fluss laminari, il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana huwa proporzjonali għall-veloċità mgħollija għall-qawwa 1/3, filwaqt li l-waqgħa tal-pressjoni hija proporzjonali għall-veloċità. L-irduppjar tal-veloċità żżid il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana b'26% iżda żżid il-waqgħa tal-pressjoni b'100%.
L-effett tal-veloċità huwa inqas favorevoli fil-fluss laminari milli fil-fluss turbulenti. Fil-fluss turbulenti, il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana huwa proporzjonali għall-veloċità mgħollija għall-qawwa 0.8, filwaqt li l-waqgħa tal-pressjoni hija proporzjonali għall-veloċità mgħollija għall-qawwa 1.8. L-irduppjar tal-veloċità żżid il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana b'74% iżda żżid il-waqgħa tal-pressjoni b'248%.
Il-veloċità għandha tintgħażel biex tibbilanċja r-rekwiżit tat-trasferiment tas-sħana kontra l-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni. Veloċità ta '0.5–1.5 m/s hija tipika għal servizz viskuż.
Karatteristiċi tad-disinn li jnaqqsu l-waqgħa tal-pressjoni
Diversi karatteristiċi tad-disinn inaqqsu l-waqgħa tal-pressjoni fis-servizz viskuż.
Dijametru tat-tubu akbar.Dijametru tat-tubu akbar inaqqas il-waqgħa tal-pressjoni iżda jnaqqas ukoll il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana. Id-dijametru ottimali jibbilanċja ż-żewġ effetti.
Tul ta 'tubu iqsar.Tul ta 'tubu iqsar inaqqas il-waqgħa tal-pressjoni iżda jeħtieġ numru akbar ta' tubi b'mod parallel biex tinkiseb l-erja tal-wiċċ meħtieġa.
Tubi multipli jgħaddu b'mod parallel.Id-diviżjoni tal-fluss fost tubi multipli b'mod parallel tnaqqas il-veloċità f'kull pass u l-waqgħa tal-pressjoni. L-arranġament parallel inaqqas ukoll il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana.
Superfiċje mtejba tat-tubu.Wiċċ ta 'tubu bi xewk jew skanalaturi jżid il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana mingħajr ma jżid il-waqgħa tal-pressjoni proporzjonalment. Il-wiċċ imtejjeb huwa partikolarment effettiv fil-fluss viskuż.
Veloċità tal-ġenb tas-servizz ogħla-.Il-veloċità tal-ġenb tas-servizz-taffettwa l-koeffiċjent tal-film tal-ġenb tas-servizz-imma mhux il-waqgħa tal-pressjoni-tal-ġenb tal-proċess. Veloċità tal-ġenb tas-servizz ogħla-ttejjeb il-koeffiċjent ġenerali mingħajr ma żżid il-waqgħa tal-pressjoni tal--ġenb tal-proċess.
Tqabbil tad-Djametri tat-Tubi għal Servizz Viskuż
It-tabella li ġejja tiġbor fil-qosor l-erja tal-wiċċ meħtieġa, il-waqgħa tal-pressjoni, u l-ispiża totali ta’ ħames-snin għal dijametri ta’ tubi differenti f’applikazzjoni ta’ tisħin kimiku viskuż b’tagħbija tas-sħana ta’ 40 kW u limitu ta’ tnaqqis fil-pressjoni ta’ 50 kPa.
| Dijametru tat-tubu | Koeffiċjent tat-Trasferiment tas-Sħana | Żona tal-wiċċ Meħtieġa | Qasgħa tal-Pressjoni (3 m) | Kost Kapitali | Spiża Annwali tal-Ippumpjar | Spiża Totali ta' Ħames-Snin |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 180 W/m²·K | 11.1 m² | 132 kPa | $22,000 | $8,500 | $64,500 |
| 9.5 mm | 150 W/m²·K | 13.3 m² | 54 kPa | $26,000 | $4,200 | $47,000 |
| 12.7 mm | 130 W/m²·K | 15.4 m² | 30 kPa | $30,000 | $2,800 | $44,000 |
| 16 mm | 115 W/m²·K | 17.4 m² | 19 kPa | $34,000 | $2,100 | $44,500 |
| 19 mm | 105 W/m²·K | 19.0 m² | 13.5 kPa | $38,000 | $1,700 | $46,500 |
| 25 mm | 90 W/m²·K | 22.2 m² | 7.8 kPa | $45,000 | $1,200 | $51,000 |
L-ispiża totali ta' ħames-snin hija minimizzata f'dijametru ta' tubu ta' 12.7–16 mm. It-tubu ta '9.5 mm għandu spiża ogħla tal-ippumpjar minħabba li l-waqgħa tal-pressjoni taqbeż il-limitu u teħtieġ pompa akbar. It-tubi ta '19 mm u akbar għandhom spiża kapitali ogħla li mhix ikkumpensata mill-ispiża tal-ippumpjar aktar baxxa.
Parametri ta' Speċifikazzjoni għat-Tisħin Kimiku Viskuż
L-inġiniera tat-tagħmir li jispeċifikaw skambjatur tas-sħana PTFE għal tisħin kimiku viskuż għandhom jikkonfermaw il-parametri li ġejjin mal-fornitur.
Viskożità tal-fluwidu.Speċifika l-viskożità fit-temperatura operattiva u l-firxa mistennija.
Rata tal-fluss.Speċifika r-rata tal-fluss tad-disinn u l-firxa mistennija.
Limitu tal-waqgħa tal-pressjoni.Speċifika l-waqgħa massima tal-pressjoni permissibbli madwar l-iskambjatur tas-sħana.
Tagħbija tas-sħana.Speċifika t-tagħbija tas-sħana u l-firxa mistennija.
Dijametru tat-tubu.Speċifika d-dijametru tat-tubu bbażat fuq il-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni u r-rekwiżit tat-trasferiment tas-sħana.
Veloċità tal-fluss.Speċifika l-veloċità tad-disinn u l-firxa mistennija.
Wiċċ tat-tubu.Speċifika jekk humiex meħtieġa tubi tal-wiċċ imsaħħa.
Għażla tal-pompa.Speċifika r-ras tal-pompa u r-rekwiżiti tar-rata tal-fluss.
Tqabbil tal-Għażla tat-Tubi mal-Kundizzjonijiet tal-Fluss Viskuż
Il-waqgħa tal-pressjoni fuq skambjatur tas-sħana PTFE f'servizz ta 'tisħin kimiku viskuż huwa l-parametru tad-disinn li jillimita. Il-waqgħa tal-pressjoni hija proporzjonali għall-viskożità u l-veloċità u inversament proporzjonali għall-kwadru tad-dijametru tat-tubu fil-fluss laminari. Il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana huwa proporzjonali għall-veloċità mgħollija għall-qawwa 1/3 u inversament relatat mad-dijametru tat-tubu.
L-għażla tat-tubu għandha tibbilanċja l-limitu tal-waqgħa tal-pressjoni kontra r-rekwiżit tat-trasferiment tas-sħana. Dijametru tat-tubu akbar inaqqas il-waqgħa tal-pressjoni iżda jnaqqas ukoll il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana, li jeħtieġ erja tal-wiċċ akbar. Id-dijametru ottimali huwa dak li jimminimizza l-ispiża totali tas-sjieda matul il-ħajja tas-servizz.
Għal faċilitajiet ta 'tisħin kimiku viskuż li jevalwaw l-għażliet tal-iskambjatur tas-sħana PTFE, l-għażla tat-tubu għandha tkun ibbażata fuq l-ispiża totali tas-sjieda, inkluża l-ispiża kapitali, l-ispiża tal-enerġija tal-ippumpjar u l-ispiża tal-manutenzjoni. Dijametru ta 'tubu li huwa ottimizzat għat-trasferiment tas-sħana waħdu jista' jkollu spiża totali ogħla minħabba l-enerġija tal-ippumpjar eċċessiv.
Inġiniera tat-tagħmir u speċjalisti tal-akkwist li jevalwaw l-ispeċifikazzjonijiet tal-iskambjatur tas-sħana PTFE għal tisħin kimiku viskuż jew servizz ieħor ta'-viskożità għolja jistgħu jitolbu reviżjoni tad-disinn li tkopri viskożità tal-fluwidu, rata tal-fluss, limitu ta 'waqgħa fil-pressjoni, tagħbija tas-sħana, dijametru tat-tubu u veloċità tal-fluss biex jikkonfermaw li l-unità hija mqabbla mal-proprjetajiet attwali tal-fluwidu u l-istruttura tal-ispiża operattiva tal-faċilità.
