Нестабилност на вертикалната тръба
Вертикалните PTFE топлообменни тръби, нагрявани от пара, изпитват интерфейс с конденз -пара, който може да стане нестабилен при определени условия. Интерфейсът осцилира, създавайки импулси на налягане, температурни колебания и механични вибрации. В тежки случаи нестабилността се проявява като гейзер-периодично изхвърляне на порция кондензат, последвано от прилив на пара.
Стабилността на интерфейса пара-кондензат зависи от дължината на тръбата, диаметъра на тръбата, налягането на парата и натоварването на кондензата. Съотношението дължина-към-диаметър (L/D) е основният геометричен параметър, управляващ стабилността. Дългите тръби с малък-диаметър (висок L/D) са по-податливи на нестабилност от късите тръби с голям-диаметър (нисък L/D).
Механизмът на нестабилността
Във вертикална тръба с пара, течаща надолу и кондензат, който се оттича надолу (ко-ток надолу), парата и кондензатът са в контакт по дължината на тръбата. Парата упражнява срязващо напрежение върху кондензния филм, издърпвайки го надолу. Гравитацията също дърпа кондензата надолу. Двете сили си сътрудничат.
Въпреки това, ако скоростта на парата е висока, напрежението на срязване може да разкъса капчици от кондензния филм. Капките се увличат в ядрото на парата. Увличането намалява скоростта на потока на филма, което води до изтъняване на филма. По-тънкият филм пренася топлината по-ефективно, увеличавайки степента на кондензация. Повишената кондензация увеличава скоростта на парата, което увеличава увличането. Веригата за обратна връзка може да доведе до само-поддържащо се колебание на дебелината на кондензния филм и позицията на границата на-парния конденз.
Съотношението L/D влияе на тази нестабилност, тъй като по-дългите тръби имат по-висок общ поток на кондензат на изхода, по-дебели филми и по-голям потенциал за развитие на обратната връзка. Критичното съотношение L/D, над което е вероятна нестабилност, е приблизително 200-300 за типични размери на PTFE тръба и условия на пара.
| ID на тръбата (mm) | Критична дължина за L/D=250 (m) | Препоръчителна максимална дължина (m) |
|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 1.2 |
| 8 | 2.0 | 1.6 |
| 10 | 2.5 | 2.0 |
| 12 | 3.0 | 2.4 |
Препоръчителната максимална дължина включва 20% марж под критичната L/D.
Екстремният гейзер
Гейзерирането е най-тежката форма на вертикална нестабилност на тръбата. Това се случва при ниски скорости на потока на парата (по време на работа с частично натоварване), когато кондензатът се натрупва на дъното на тръбата, докато образува течно уплътнение. Налягането на парата се натрупва зад уплътнението, докато не изтласка кондензата от тръбата. След това парата се втурва през празната тръба, докато се натрупа достатъчно кондензат, за да образува ново уплътнение. Цикълът се повтаря с период от секунди до минути.
Гейзерите могат да повредят тръбата и свързаните тръби. Изхвърлената порция кондензат удря уловителя на пара и връщащата тръба на кондензата със сила на воден чук. Редуващото се излагане на пара и кондензат променя температурата на стената на тръбата, причинявайки термична умора.
Предотвратяването на гейзериране изисква или по-ниско съотношение L/D (по-къси тръби или по-голям диаметър), специален дренаж за кондензат в долната част на вертикалната тръба, за да се предотврати образуването на течно уплътнение, или работа при по-високи скорости на потока на парата, за да се поддържа съ-текущият режим на пръстеновидния поток.
Препоръка за дизайн
За вертикални PTFE топлообменни тръби съотношението L/D не трябва да надвишава 250. За тръба с вътрешен диаметър 10 mm това съответства на максимална дължина на тръбата от 2,5 метра, с препоръчителен практически максимум от 2,0 метра. По-дългите тръби трябва да бъдат разделени на множество по-къси секции с междинни дренажи за кондензат или трябва да бъдат ориентирани хоризонтално, където стратифицираният режим на потока е присъщо по-стабилен.
Резюме
Оптималното съотношение L/D за вертикални PTFE топлообменни тръби е под 250, за да се избегне нестабилност на дву-фазния поток и гейзериране. За тръба с вътрешен диаметър 10 mm максималната препоръчителна дължина е 2,0-2,5 метра. По-дългите вертикални трасета изискват междинни дренажи за кондензат или хоризонтална ориентация. Ограничението L/D осигурява стабилен, не-осцилиращ поток на пара-кондензат и предотвратява механичните повреди, свързани с нестабилността на потока.
Инженерна поддръжка за проектиране на вертикален PTFE топлообменник е достъпна при подаване на размери на тръбата, налягане на парата, натоварване на кондензат и изисквания за температура на процеса.
