स्केल समस्या
एक हाइड्रोमेटालर्जिकल आटोक्लेव क्वेंच टैंक को 500 किलोवाट हीटिंग ड्यूटी देने वाले पीटीएफई हीट एक्सचेंजर की आवश्यकता होती है। ट्यूब बंडल में 600 से अधिक ट्यूब हैं जो 3 मीटर चौड़े और 2 मीटर ऊंचे ग्रिड में व्यवस्थित हैं। भाप एक 150 मिमी हेडर के माध्यम से प्रवेश करती है और सभी 600 ट्यूबों में समान रूप से वितरित होनी चाहिए।
इस पैमाने पर, समान भाप वितरण की कल्पना नहीं की जा सकती। हेडर इनलेट के पास की ट्यूबों को उच्चतम भाप प्रवाह प्राप्त होता है। हेडर के अंतिम छोर पर स्थित ट्यूबों को काफी कम प्राप्त हो सकता है। इसका परिणाम प्रवाह में गड़बड़ी है: कुछ ट्यूब गर्म चलती हैं, अन्य भाप की कमी से जूझती हैं, पर्याप्त कुल सतह क्षेत्र के बावजूद कुल गर्मी हस्तांतरण क्षमता डिजाइन से नीचे है।
कम्प्यूटेशनल तरल गतिकी का उपयोग करके कस्टम भाप -प्रवाह सिमुलेशन निर्माण से पहले इन वितरण समस्याओं की पहचान करता है और उन्हें ठीक करता है। सिमुलेशन की लागत खराब प्रदर्शन करने वाले बड़े एक्सचेंजर को संशोधित करने या बदलने की लागत का एक अंश है।
प्रवाह वितरण भौतिकी
हेडर में प्रवेश करने वाली भाप ट्यूब बंडल के माध्यम से कई समानांतर प्रवाह पथों का सामना करती है। प्रवाह प्रत्येक पथ के हाइड्रोलिक प्रतिरोध के अनुसार विभाजित होता है। आदर्श रूप से, सभी पथों में समान प्रतिरोध होता है, और प्रवाह समान रूप से वितरित होता है। व्यवहार में, कई कारक गैर-एकरूपता पैदा करते हैं।
हेडर ज्यामिति वेग प्रवणता बनाती है। स्टीम इनलेट जेट हेडर में प्रवेश करता है, इनलेट के पास एक उच्च वेग क्षेत्र बनाता है और हेडर सिरों पर कम वेग बनाता है। इनलेट के पास की ट्यूबों में ड्राइविंग का दबाव अधिक होता है। दूर के छोर पर स्थित ट्यूबों में कम दबाव दिखाई देता है। सबसे अच्छी आपूर्ति वाली और सबसे खराब आपूर्ति वाली नलियों के बीच प्रवाह असंतुलन 30{6}}50% हो सकता है।
दो-चरण प्रवाह वितरण को जटिल बनाता है। हेडर में प्रवेश करने वाली भाप आपूर्ति पाइपिंग से फंसा हुआ कंडेनसेट ले जा सकती है। यह कंडेनसेट अधिमानतः हेडर बॉटम के पास ट्यूबों में प्रवेश करता है, जिससे उन पर अधिक भार पड़ता है। वैकल्पिक रूप से, भाप उन ट्यूबों में संघनित होती है जो शुरू में ठंडी होती हैं, जिससे स्थानीय दबाव की बूंदें बनती हैं जो प्रवाह को स्वतः नियंत्रित करती हैं{{5}अधिक भाप ले जाने वाली ट्यूबें अधिक संघनित होती हैं, जिससे घनत्व बढ़ता है और दबाव गिरता है, जिससे आगे का प्रवाह कम हो जाता है। यह स्व-नियमन मदद करता है लेकिन अपूर्ण है।
तालिका 1: बड़े पीटीएफई एक्सचेंजर डिजाइन के लिए सीएफडी सिमुलेशन इनपुट और विश्लेषण उद्देश्य
| सिमुलेशन पैरामीटर | इनपुट/उद्देश्य | डिज़ाइन पर प्रभाव |
|---|---|---|
| भाप आपूर्ति दबाव और तापमान | 4 बार्ग संतृप्त, 152 डिग्री | हेडर इनलेट पर सीमा की स्थिति |
| भाप द्रव्यमान प्रवाह दर | 0.25 किग्रा/सेकंड (500 किलोवाट गुप्त ऊष्मा) | वितरित किया जाने वाला कुल प्रवाह |
| शीर्षलेख ज्यामिति | 150 मिमी व्यास, 3 मीटर लंबाई | सीएफडी जाल पीढ़ी |
| ट्यूबों की संख्या | 600 (20 पंक्तियाँ × 30 कॉलम) | समानांतर प्रवाह पथों का मॉडल तैयार किया गया |
| ट्यूब आयाम | 10 मिमी ओडी × 1 मिमी दीवार × 2 मीटर लंबाई | व्यक्तिगत ट्यूब प्रतिरोध |
| सिमुलेशन आउटपुट | ||
| प्रति ट्यूब प्रवाह (किलो/घंटा) | रेंज: 1.2-1.8 (लक्ष्य 1.5 वर्दी) | भूखे और अतिभारित ट्यूबों की पहचान करता है |
| हेडर में वेग वितरण | वेग की रूपरेखा और सदिश | रीसर्क्युलेशन जोन की पहचान करता है |
| ट्यूब इनलेट्स पर दबाव वितरण | रेंज: 3.8-4.0 बार्ग | कुवितरण प्रेरक शक्ति को परिमाणित करता है |
| घनीभूत संचय की भविष्यवाणी | निचली ट्यूबों में तरल मात्रा का अंश | बाढ़ के खतरे की पहचान करता है |
| अनुकूलित हेडर टेपर | लंबाई के साथ व्यास में 15% की कमी | दबाव वितरण को संतुलित करता है |
सिमुलेशन परिणामों से डिज़ाइन सुधार
सिमुलेशन परिणाम विशिष्ट डिज़ाइन संशोधनों का मार्गदर्शन करते हैं। यदि हेडर अपनी लंबाई के साथ महत्वपूर्ण दबाव में गिरावट दिखाता है, तो एक पतला हेडर डिज़ाइन क्षतिपूर्ति करता है {{1}हेडर व्यास इनलेट अंत से सुदूर अंत तक उत्तरोत्तर कम हो जाता है, और अधिक समान स्थैतिक दबाव बनाए रखता है। टेपर कोण सिम्युलेटेड दबाव प्रोफ़ाइल द्वारा निर्धारित किया जाता है।
यदि इनलेट जेट अत्यधिक स्थानीय वेग बनाता है, तो हेडर के अंदर एक वितरण प्लेट या छिद्रित बाफ़ल जेट को फैलाता है और प्रवाह को अधिक समान रूप से वितरित करता है। प्लेट के छेद पैटर्न और खुले क्षेत्र को पुनरावृत्त सिमुलेशन के माध्यम से अनुकूलित किया गया है।
यदि निचली ट्यूब पंक्तियाँ घनीभूत बाढ़ दिखाती हैं, तो घनीभूत जल निकासी पथ को फिर से डिज़ाइन किया जाता है। निचली पंक्तियों के लिए अलग कंडेनसेट संग्रह हेडर, या कंडेनसेट आउटलेट की ओर निचली ट्यूबों पर थोड़ा नीचे की ओर ढलान, सक्रिय ट्यूबों में जमा हुए बिना तरल निष्कासन सुनिश्चित करता है।
स्किपिंग सिमुलेशन की लागत
प्रवाह कुवितरण वाला एक बड़ा PTFE हीट एक्सचेंजर डिज़ाइन क्षमता से नीचे संचालित होता है। तापमान नियंत्रक अधिक भाप की मांग करता है। भाप का दबाव बढ़ जाता है. कुछ ट्यूबों को और भी अधिक प्रवाह प्राप्त होता है जबकि अन्य भूखे रहते हैं। अतिभारित ट्यूब उच्च दीवार तापमान का अनुभव करते हैं, जिससे संभावित रूप से स्थानीयकृत स्नान रसायन में गिरावट या त्वरित रेंगना होता है। भूखी नलिकाएं कम गर्मी पैदा करती हैं।
एक्सचेंजर को अंततः हटा दिया जाता है और संशोधित किया जाता है, वितरण बाफ़ल जोड़कर, हेडर को पुन: कॉन्फ़िगर किया जाता है, या ट्यूब अनुभागों को प्रतिस्थापित किया जाता है। संशोधन लागत, साथ ही ख़राब प्रदर्शन की अवधि के दौरान खोया हुआ उत्पादन, पूर्व निर्माण सिमुलेशन की लागत से कहीं अधिक है।
सारांश
आटोक्लेव क्वेंच टैंक जैसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए बड़े पैमाने पर पीटीएफई हीट एक्सचेंजर्स बनाने से पहले कस्टम स्टीम {{0}फ्लो सिमुलेशन आवश्यक है। सीएफडी विश्लेषण प्रवाह कुवितरण, हेडर दबाव ग्रेडिएंट्स और कंडेनसेट संचय की पहचान करता है जो बड़े पैमाने पर डिजाइन क्षमता के नीचे थर्मल प्रदर्शन को कम करता है।
सिमुलेशन -निर्देशित डिज़ाइन सुधार{{1}पतला हेडर, वितरण प्लेट, अनुकूलित जल निकासी{{2}सुनिश्चित करें कि निर्मित एक्सचेंजर पहले ऑपरेशन से अपना पूर्ण रेटेड कर्तव्य प्रदान करता है। सिमुलेशन लागत स्थापना के बाद खराब प्रदर्शन करने वाले बड़े एक्सचेंजर को ठीक करने की लागत का एक छोटा सा अंश है।
बड़े पीटीएफई हीट एक्सचेंजर डिजाइनों के सीएफडी सिमुलेशन के लिए इंजीनियरिंग समर्थन हीट ड्यूटी, भाप की स्थिति, ट्यूब बंडल ज्यामिति, हेडर कॉन्फ़िगरेशन और प्रदर्शन एकरूपता आवश्यकताओं को प्रस्तुत करने पर उपलब्ध है।
