दबाव में गिरावट जो डिज़ाइन बाधा बन जाती है
एक रासायनिक प्रसंस्करण सुविधा में 500 सीपी की चिपचिपाहट वाले चिपचिपे पॉलिमर घोल को 60 डिग्री पर गर्म करने के लिए 40 किलोवाट के ताप भार वाले पीटीएफई हीट एक्सचेंजर की आवश्यकता होती है। द्रव को हीट एक्सचेंजर के माध्यम से 15 m³/h की प्रवाह दर पर पंप किया जाता है।
प्रारंभिक डिज़ाइन में 0.8 मिमी की दीवार मोटाई और 1.5 मीटर/सेकेंड के प्रवाह वेग के साथ 9.5 मिमी ट्यूब का चयन किया जाता है। इस स्थिति के लिए रेनॉल्ड्स संख्या लगभग 28 है, जो लैमिनर प्रवाह व्यवस्था में है। लैमिनर प्रवाह के लिए घर्षण कारक 64/रे=2.3 है, और 3 मीटर ट्यूब की लंबाई पर दबाव ड्रॉप लगभग 85 केपीए है।
85 kPa का दबाव ड्रॉप परिसंचरण पंप के लिए 50 kPa की स्वीकार्य सीमा से अधिक है। दबाव में कमी को कम करने के लिए ट्यूब का व्यास बढ़ाया जाना चाहिए, या प्रवाह वेग को कम किया जाना चाहिए। दोनों परिवर्तन ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक को प्रभावित करते हैं।
दबाव ड्रॉप स्केलिंग कानून
एक ट्यूब में दबाव ड्रॉप डार्सी {{0} वेसबैक समीकरण द्वारा दिया गया है: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2), जहां f घर्षण कारक है, L ट्यूब की लंबाई है, D ट्यूब का व्यास है, ρ द्रव घनत्व है, और v प्रवाह वेग है।
लामिना प्रवाह (Re <2,300) के लिए, घर्षण कारक f=64/Re=64μ/(ρvD) है, जहां μ गतिशील चिपचिपाहट है। इसे डार्सी-वीसबैक समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर ΔP=32μLv/D² प्राप्त होता है।
लामिना के प्रवाह में दबाव ड्रॉप चिपचिपाहट, ट्यूब की लंबाई और वेग के समानुपाती होता है, और ट्यूब व्यास के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है। ट्यूब के व्यास को दोगुना करने से स्थिर वेग पर दबाव में चार गुना कमी आ जाती है।
अशांत प्रवाह (रे > 4,000) के लिए, घर्षण कारक रेनॉल्ड्स संख्या और सतह खुरदरापन पर निर्भर करता है। दबाव ड्रॉप 1.8 शक्ति तक बढ़ाए गए वेग के लगभग आनुपातिक है और 1.2 शक्ति तक बढ़ाए गए ट्यूब व्यास के व्युत्क्रमानुपाती है।
श्यान प्रवाह में ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक
लामिना के प्रवाह में गर्मी हस्तांतरण गुणांक सीडर -टेट सहसंबंध द्वारा दिया गया है: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0.14, जहां Nu नुसेल्ट संख्या है, Pr Prandtl संख्या है, और μw दीवार के तापमान पर चिपचिपाहट है।
1,000 की प्रैंडटल संख्या वाले चिपचिपे तरल पदार्थ के लिए, नुसेल्ट संख्या लगभग 5-10 है, जो 9.5 मिमी ट्यूब के लिए 100-200 W/m²·K के गर्मी हस्तांतरण गुणांक से मेल खाती है। गर्मी हस्तांतरण गुणांक अशांत प्रवाह की तुलना में बहुत कम है, जहां नुसेल्ट संख्या आम तौर पर 50-100 होती है।
चिपचिपा प्रवाह में कम गर्मी हस्तांतरण गुणांक का मतलब है कि गर्मी भार प्राप्त करने के लिए एक बड़े सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है। बड़ा सतह क्षेत्र, दबाव ड्रॉप सीमा के साथ मिलकर, ट्यूब चयन को बाधित करता है।
विभिन्न ट्यूब व्यासों के लिए दबाव ड्रॉप सीमा
निम्न तालिका 500 सीपी की चिपचिपाहट और 1.0 मीटर/सेकेंड के प्रवाह वेग के साथ एक चिपचिपे तरल पदार्थ में विभिन्न ट्यूब व्यास के लिए दबाव ड्रॉप और गर्मी हस्तांतरण गुणांक का सारांश देती है।
| ट्यूब व्यास | रेनॉल्ड्स संख्या | घर्षण कारक | प्रति मीटर दबाव में गिरावट | ऊष्मा अंतरण गुणांक | शासन प्रवाह |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 मिमी | 12 | 5.3 | 44 केपीए/एम | 180 W/m²·K | लामिना का |
| 9.5 मिमी | 19 | 3.4 | 18 केपीए/एम | 150 W/m²·K | लामिना का |
| 12.7 मिमी | 25 | 2.6 | 10 केपीए/एम | 130 W/m²·K | लामिना का |
| 16 मिमी | 32 | 2.0 | 6.3 केपीए/एम | 115 W/m²·K | लामिना का |
| 19 मिमी | 38 | 1.7 | 4.5 केपीए/एम | 105 W/m²·K | लामिना का |
| 25 मिमी | 50 | 1.3 | 2.6 केपीए/एम | 90 W/m²·K | लामिना का |
| 32 मिमी | 64 | 1.0 | 1.6 केपीए/एम | 80 W/m²·K | लामिना का |
प्रति मीटर दबाव ड्रॉप की गणना 1,100 किलोग्राम/वर्ग मीटर के द्रव घनत्व और 1.0 मीटर/सेकेंड के वेग के लिए की जाती है। गर्मी हस्तांतरण गुणांक की गणना 1,000 की प्रांटल संख्या के लिए साइडर - टेट सहसंबंध से की जाती है।
दबाव ड्रॉप और हीट ट्रांसफर के बीच व्यापार - बंद
ट्यूब का व्यास जो दबाव ड्रॉप को न्यूनतम करता है वह सबसे बड़ा व्यास है, लेकिन सबसे बड़े व्यास में सबसे कम गर्मी हस्तांतरण गुणांक भी होता है। इष्टतम व्यास वह है जो दबाव ड्रॉप सीमा और गर्मी हस्तांतरण आवश्यकता दोनों को संतुष्ट करता है।
40 किलोवाट के ताप भार, 500 सीपी की चिपचिपाहट और 50 केपीए की दबाव ड्रॉप सीमा वाले उदाहरण के मामले में, ट्यूब का चयन निम्नानुसार आगे बढ़ता है।
आवश्यक ऊष्मा स्थानांतरण क्षेत्र समग्र ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक पर निर्भर करता है, जिस पर प्रक्रिया {{0}साइड फिल्म गुणांक का प्रभुत्व होता है। 130 W/m²·K के ताप अंतरण गुणांक और 20 डिग्री के तापमान अंतर के साथ 12.7 मिमी ट्यूब के लिए, आवश्यक क्षेत्र 15.4 वर्ग मीटर है। 3 मीटर ट्यूब लंबाई के लिए दबाव ड्रॉप 30 kPa है, जो 50 kPa सीमा के भीतर है।
150 W/m²·K के ताप अंतरण गुणांक वाली 9.5 मिमी ट्यूब के लिए, आवश्यक क्षेत्र 13.3 वर्ग मीटर है। 3 मीटर ट्यूब लंबाई के लिए दबाव ड्रॉप 54 kPa है, जो 50 kPa सीमा से अधिक है।
12.7 मिमी ट्यूब बेहतर विकल्प है क्योंकि यह दबाव ड्रॉप सीमा और गर्मी हस्तांतरण आवश्यकता दोनों को पूरा करती है, भले ही इसके लिए थोड़े बड़े सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है।
प्रवाह वेग का प्रभाव
प्रवाह वेग दबाव ड्रॉप और गर्मी हस्तांतरण गुणांक दोनों को प्रभावित करता है। उच्च वेग से ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक बढ़ जाता है लेकिन दबाव में गिरावट भी बढ़ जाती है।
लामिना प्रवाह में, ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक 1/3 शक्ति तक बढ़ाए गए वेग के समानुपाती होता है, जबकि दबाव ड्रॉप वेग के समानुपाती होता है। वेग को दोगुना करने से ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक 26% बढ़ जाता है लेकिन दबाव में 100% की वृद्धि हो जाती है।
अशांत प्रवाह की तुलना में लामिना प्रवाह में वेग प्रभाव कम अनुकूल होता है। अशांत प्रवाह में, ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक 0.8 शक्ति तक बढ़ाए गए वेग के समानुपाती होता है, जबकि दबाव ड्रॉप 1.8 शक्ति तक बढ़ाए गए वेग के समानुपाती होता है। वेग को दोगुना करने से ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक 74% बढ़ जाता है लेकिन दबाव में 248% की वृद्धि हो जाती है।
दबाव ड्रॉप सीमा के विरुद्ध गर्मी हस्तांतरण आवश्यकता को संतुलित करने के लिए वेग का चयन किया जाना चाहिए। चिपचिपी सेवा के लिए 0.5-1.5 मीटर/सेकेंड का वेग विशिष्ट है।
डिज़ाइन विशेषताएँ जो दबाव ड्रॉप को कम करती हैं
कई डिज़ाइन सुविधाएँ चिपचिपी सेवा में दबाव की गिरावट को कम करती हैं।
बड़ा ट्यूब व्यास.बड़ा ट्यूब व्यास दबाव ड्रॉप को कम करता है लेकिन गर्मी हस्तांतरण गुणांक को भी कम करता है। इष्टतम व्यास दो प्रभावों को संतुलित करता है।
छोटी ट्यूब की लंबाई.छोटी ट्यूब की लंबाई दबाव ड्रॉप को कम करती है लेकिन आवश्यक सतह क्षेत्र को प्राप्त करने के लिए समानांतर में बड़ी संख्या में ट्यूबों की आवश्यकता होती है।
एकाधिक ट्यूब समानांतर में गुजरती हैं।समानांतर में कई ट्यूब पासों के बीच प्रवाह को विभाजित करने से प्रत्येक पास में वेग कम हो जाता है और दबाव कम हो जाता है। समानांतर व्यवस्था से ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक भी कम हो जाता है।
उन्नत ट्यूब सतह.पंख या खांचे वाली एक ट्यूब की सतह दबाव में आनुपातिक वृद्धि के बिना गर्मी हस्तांतरण गुणांक को बढ़ाती है। बढ़ी हुई सतह चिपचिपे प्रवाह में विशेष रूप से प्रभावी है।
उच्चतर सेवा-साइड वेलोसिटी.सर्विस {{0}साइड वेलोसिटी सर्विस{{1}साइड फिल्म गुणांक को प्रभावित करती है लेकिन प्रक्रिया को नहीं{{2}साइड प्रेशर ड्रॉप को प्रभावित करती है। एक उच्च सेवा {{4}पार्श्व वेग, प्रक्रिया को बढ़ाए बिना, {{5}पार्श्व दबाव ड्रॉप के बिना समग्र गुणांक में सुधार करता है।
विस्कोस सेवा के लिए ट्यूब व्यास की तुलना करना
निम्नलिखित तालिका 40 किलोवाट के ताप भार और 50 केपीए की दबाव ड्रॉप सीमा के साथ एक चिपचिपे रासायनिक हीटिंग अनुप्रयोग में विभिन्न ट्यूब व्यास के लिए आवश्यक सतह क्षेत्र, दबाव ड्रॉप और पांच- वर्ष की कुल लागत का सारांश देती है।
| ट्यूब व्यास | ऊष्मा अंतरण गुणांक | आवश्यक सतह क्षेत्र | दबाव ड्रॉप (3 मीटर) | पूंजीगत लागत | वार्षिक पम्पिंग लागत | पांच-वर्ष कुल लागत |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 मिमी | 180 W/m²·K | 11.1 m² | 132 केपीए | $22,000 | $8,500 | $64,500 |
| 9.5 मिमी | 150 W/m²·K | 13.3 m² | 54 केपीए | $26,000 | $4,200 | $47,000 |
| 12.7 मिमी | 130 W/m²·K | 15.4 m² | 30 केपीए | $30,000 | $2,800 | $44,000 |
| 16 मिमी | 115 W/m²·K | 17.4 m² | 19 केपीए | $34,000 | $2,100 | $44,500 |
| 19 मिमी | 105 W/m²·K | 19.0 m² | 13.5 केपीए | $38,000 | $1,700 | $46,500 |
| 25 मिमी | 90 W/m²·K | 22.2 m² | 7.8 केपीए | $45,000 | $1,200 | $51,000 |
12.7-16 मिमी के एक ट्यूब व्यास पर पाँच - वर्ष की कुल लागत न्यूनतम की जाती है। 9.5 मिमी ट्यूब की पंपिंग लागत अधिक होती है क्योंकि दबाव ड्रॉप सीमा से अधिक हो जाता है और एक बड़े पंप की आवश्यकता होती है। 19 मिमी और बड़ी ट्यूबों की पूंजी लागत अधिक होती है जिसकी भरपाई कम पंपिंग लागत से नहीं होती है।
चिपचिपा रासायनिक तापन के लिए विशिष्टता पैरामीटर
चिपचिपे रासायनिक हीटिंग के लिए पीटीएफई हीट एक्सचेंजर निर्दिष्ट करने वाले उपकरण इंजीनियरों को आपूर्तिकर्ता के साथ निम्नलिखित मापदंडों की पुष्टि करनी चाहिए।
द्रव चिपचिपापन.ऑपरेटिंग तापमान पर चिपचिपाहट और अपेक्षित सीमा निर्दिष्ट करें।
प्रवाह दर।डिज़ाइन प्रवाह दर और अपेक्षित सीमा निर्दिष्ट करें।
दबाव ड्रॉप सीमा.हीट एक्सचेंजर में अधिकतम स्वीकार्य दबाव ड्रॉप निर्दिष्ट करें।
ताप भार.ताप भार और अपेक्षित सीमा निर्दिष्ट करें।
ट्यूब व्यास.दबाव ड्रॉप सीमा और गर्मी हस्तांतरण आवश्यकता के आधार पर ट्यूब व्यास निर्दिष्ट करें।
प्रवाह वेग.डिज़ाइन वेग और अपेक्षित सीमा निर्दिष्ट करें।
ट्यूब की सतह.निर्दिष्ट करें कि क्या उन्नत सतह ट्यूबों की आवश्यकता है।
पंप चयन.पंप हेड और प्रवाह दर आवश्यकताओं को निर्दिष्ट करें।
श्यान प्रवाह स्थितियों से ट्यूब चयन का मिलान
चिपचिपी रासायनिक हीटिंग सेवा में पीटीएफई हीट एक्सचेंजर में दबाव ड्रॉप सीमित डिजाइन पैरामीटर है। दबाव ड्रॉप चिपचिपाहट और वेग के समानुपाती होता है और लैमिनर प्रवाह में ट्यूब व्यास के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है। गर्मी हस्तांतरण गुणांक 1/3 शक्ति तक बढ़ाए गए वेग के समानुपाती होता है और ट्यूब व्यास से विपरीत रूप से संबंधित होता है।
ट्यूब चयन को गर्मी हस्तांतरण आवश्यकता के विरुद्ध दबाव ड्रॉप सीमा को संतुलित करना चाहिए। बड़ा ट्यूब व्यास दबाव ड्रॉप को कम करता है लेकिन गर्मी हस्तांतरण गुणांक को भी कम करता है, जिसके लिए बड़े सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है। इष्टतम व्यास वह है जो सेवा जीवन पर स्वामित्व की कुल लागत को कम करता है।
पीटीएफई हीट एक्सचेंजर विकल्पों का मूल्यांकन करने वाली चिपचिपी रासायनिक हीटिंग सुविधाओं के लिए, ट्यूब का चयन स्वामित्व की कुल लागत पर आधारित होना चाहिए, जिसमें पूंजी लागत, पंपिंग ऊर्जा लागत और रखरखाव लागत शामिल है। एक ट्यूब व्यास जो अकेले गर्मी हस्तांतरण के लिए अनुकूलित है, अत्यधिक पंपिंग ऊर्जा के कारण उसकी कुल लागत अधिक हो सकती है।
उपकरण इंजीनियर और खरीद विशेषज्ञ चिपचिपा रासायनिक हीटिंग या अन्य उच्च {{0}चिपचिपाहट सेवा के लिए पीटीएफई हीट एक्सचेंजर विनिर्देशों का मूल्यांकन करते हुए, तरल चिपचिपापन, प्रवाह दर, दबाव ड्रॉप सीमा, गर्मी लोड, ट्यूब व्यास और प्रवाह वेग को कवर करने वाली एक डिजाइन समीक्षा का अनुरोध कर सकते हैं ताकि यह पुष्टि की जा सके कि इकाई सुविधा के वास्तविक तरल गुणों और परिचालन लागत संरचना से मेल खाती है।
