A PTFE héj-és-csöves hőcserélő simán és csendesen működik alacsony és nagy áramlási körülmények között is. 80%-os áramlásnál a működés stabil marad. Teljes áramlásnál a vibráció is minimális. Egy nagyon specifikus közbenső áramlási sebességnél, például 90%-nál azonban hirtelen és erős vibráció jelenik meg a csővezetékben és a hőcserélő szerkezetében. Ez nem véletlenszerű mechanikai hiba. Klasszikus rezonanciajelenség, ahol az áramló folyadék által keltett gerjesztési frekvencia pontosan illeszkedik a PTFE csőköteg természetes frekvenciájához, ami felerősített oszcillációt eredményez.
Azokban az esetekbenrezgés fajlagos áramlási sebesség mellett PTFE hőcserélő, a rendszer inkább kiszámítható folyadék-struktúra kölcsönhatás meghibásodási módot mutat, nem pedig általános mechanikai egyensúlyhiányt.
A rezonancia mechanizmus megértése
Áramlás-Vortex-leválás
Amikor a folyadék átáramlik egy csőkötegben a héj oldalán, váltakozó örvények távoznak az egyes csövek alsó felületéről. Ez a jelenség periodikus erőingadozásokat generál.
Az örvényleválási frekvencia közvetlenül összefügg az áramlási sebességgel, és a következőképpen közelíthető meg:
Nagyobb áramlási sebesség → nagyobb leválási frekvencia
Kisebb áramlási sebesség → kisebb leválási frekvencia
Egy bizonyos áramlási feltétel mellett a lefolyási frekvencia igazodhat a csőtartó rendszer szerkezeti természetes frekvenciájához.
A csőfesztávolságok természetes frekvenciája
Minden támaszték nélküli csőszakasz hajlékony nyalábként viselkedik, amelynek jellemző sajátfrekvenciája a következők által meghatározott:
Csőhossz a tartólemezek között
PTFE csövek anyagmerevsége
A folyadék tömege a csövön belül és kívül
Peremfeltételek a támaszpontokon
A hosszabb, alátámasztatlan fesztávok alacsonyabb sajátfrekvenciákat eredményeznek, így érzékenyebbek a rezonanciára a tipikus üzemi áramlási tartományokon belül.
Az áramlás kiváltó oka-Függő vibráció
Rezonancia állapot kialakulása
Egy adott áramlási sebességnél:
Az örvényleválás gyakorisága kritikus értékre nő
A cső sajátfrekvenciája rögzített marad
Frekvenciaegyezés lép fel a gerjesztés és a szerkezet között
Amint az igazítás megtörténik, az energia folyamatosan átkerül a folyadékáramból a csőköteg mechanikai rezgésébe.
A cső és az áramlás pontosan ugyanazt a pusztító hangot énekli, és a gyógymód a cső dallamának megváltoztatása.
Ennek eredménye:
Felerősített csőrezgés
Hallható zaj és zúgás
Mechanikai feszültség a támasztópontokon
Lehetséges kifáradási károsodás az idő múlásával
Diagnosztikai megközelítés
Áramlási-sebesség-korreláció tesztelése
A legfontosabb diagnosztikai mutató az áramlási sebességtől való szigorú függés:
Nincs vibráció alacsony áramlásnál
Nincs vibráció nagy áramlásnál
Erős vibráció egy keskeny köztes sávban
Ez a keskeny működési ablak inkább a rezonancia jellemzője, mint a mechanikai lazaság vagy kavitáció.
Egyéb okok megszüntetése
A rezonancia megerősítése előtt ki kell zárni az egyéb lehetséges okokat:
Szivattyú kavitációja (a szívási feltételektől függően változhat)
Laza mechanikus támasztékok (az áramlástól{0}}függetlenek lennének)
Hidraulikus túlfeszültség hatások (tranziens viselkedést mutatna)
Hőtágulási feszültség (nem áramlási{0}}specifikus)
Mérnöki megoldások
A cső természetes frekvenciájának növelése
A leghatékonyabb korrekciós intézkedés a csőköteg szerkezeti dinamikájának megváltoztatása úgy, hogy az üzemi áramlási állapotban többé ne forduljon elő rezonancia.
Csőtartó lemezek hozzáadása
A további csőtartó lemezek felszerelése az elsődleges megoldás. Ez a módosítás:
Lerövidíti a tényleges támaszték nélküli csőfesztávot
Jelentősen növeli a cső merevségét
Növeli a természetes rezgésfrekvenciát
Csökkenti a folyadék{0}}indukálta rezgések amplitúdóját
Még a nem támogatott hossz mérsékelt csökkenése is eltolhatja a rezonanciapontot a működési tartományon kívülre.
A terelőlemez kialakításának módosítása
Egy alternatív vagy kiegészítő megoldás a shell{0}}oldali áramlási viselkedés megváltoztatását jelenti.
A kiigazítások a következőket tartalmazhatják:
A terelőelemek távolságának megváltoztatása
Váltás spirális terelőlemez-elrendezésre
Az áramlási ablak geometriájának módosítása
Ezek a változások a következőket érintik:
Áramlási út iránya
Örvényképződési viselkedés
A gerjesztési frekvencia jellemzői
Az áramlási dinamika eltolásával a gerjesztési frekvencia elmozdítható a szerkezeti rezonanciától.
Operatív mérséklő intézkedések
Ideiglenes áramlás elkerülése
Az állandó mechanikai rögzítés megvalósításáig a működést korlátozni kell a rezonáns áramlási sáv elkerülése érdekében. Ez magában foglalhatja:
A szivattyú fordulatszámának korlátozása
Az áramlásszabályozás alapértékeinek beállítása
Működés a rezonanciazóna felett vagy alatt
Ez megakadályozza a tartós vibrációs károsodást az átmeneti működés során.
Tervezés{0}}szintű megelőzés
Rezonanciakerülés az új tervekben
A megfelelően megtervezett PTFE hőcserélőkben a rezonancia kockázatát a tervezés során csökkentik:
Csőkötegek modális elemzése
A támasztávolság gondos kiválasztása
Az örvényleválás számítási folyadékdinamikai (CFD) értékelése
Érvényesítés a teljes üzemi áramlási tartományban
Ez biztosítja, hogy a gerjesztési frekvenciák nem esnek egybe a szerkezeti sajátfrekvenciákkal a tervezett működési tartományon belül.
Anyag-Speciális szempontok a PTFE-csövekkel kapcsolatban
A PTFE csövek további érzékenységet okoznak a következők miatt:
Alacsonyabb merevség a fémekhez képest
Nagyobb rugalmasság folyadékterhelés alatt
Fokozott érzékenység a rezgés erősítésére
Ennek eredményeként a tartótávolság kialakítása kritikusabbá válik, mint a merev fém hőcserélőkben.
Következtetés
Egy adott áramlási sebesség mellett vibráló PTFE hőcserélő A PTFE hőcserélő körülményei között a folyadék-szerkezet rezonancia egyértelmű jele látható. A rezgés akkor keletkezik, amikor a héj{1}}oldali áramlásból származó örvényleválasztó frekvenciája igazodik a nem támogatott PTFE csőszakaszok természetes frekvenciájához.
A leghatékonyabb korrekciós intézkedés nem az empirikus beállítás, hanem a rendszer dinamikus tulajdonságainak célzott mechanikai módosítása. A csőtartó lemezek hozzáadása vagy a terelőlemez kialakításának beállítása eltolja a sajátfrekvenciát vagy a gerjesztési frekvenciát, kiküszöbölve a rezonanciát a problémás áramlási körülmények között.
A rezonanciahibák rávilágítanak egy alapvető mérnöki elvre: a legrombolóbb erők gyakran nem a legnagyobbak, hanem azok, amelyek pontos, ismétlődő ciklusokban, megfelelő frekvenciákon halmozódnak fel.
