シェルの-サイド レイノルズ数は、PTFE 交換器内で誘発されるチューブの振動-の流れの開始にどのように影響しますか?

熱交換器内の PTFE チューブは、シェル側の低流量でも静かで安定しています。ただし、シェル側の速度が増加すると、隠れた水圧閾値を超える可能性があります。流体の速度、乱流の強さ、チューブの柔軟性、およびサポートの間隔が重要に組み合わされて、流れる液体がチューブ束を予期せず動的に刺激できるようになります。その結果、流れによって引き起こされる振動が発生し、以前は静止していたチューブが揺れ始め、発振し、場合によっては支持体に対して可聴音を立ててカタカタと音を立てます。{4}}

したがって、シェル側のレイノルズ数とチューブの振動との関係は、フッ素ポリマー熱交換器の設計において最も重要な機械的流体相互作用の 1 つであり、PTFE 熱交換器の性能もこれに関連しています。{0}}

シェルサイドフローにおけるレイノルズ数とは何ですか?
レイノルズ数は、流体の流れの性質を記述する無次元の数です。これには、次の影響が複合的に発生します。

流体の速度

流体の密度

液体の粘度

油圧径特性

シェル側熱交換器の流れでは、レイノルズ数は流体の流れが全体的に滑らかな層流なのか、それとも勢いのある乱流なのかを示すために使用されます。

レイノルズ数が高いほど乱流エネルギーが増える
特定の管束形状の場合、シェル側のレイノルズ数の増加は次のことを意味することがよくあります。{0}

より高いクロスフロー速度

より強度の高い乱気流

より大きな振動圧力力

渦放出力の向上

ある閾値レベルを下回ると、変動力が小さすぎてチューブ束を意味のある方法で変位させることができません。システムは依然として機械的に減衰されており、安定しています。

ただし、臨界点を通過すると、流れのエネルギーがチューブの固有の振動周波数と強く結合し始める可能性があります。

PTFEチューブが振動に敏感な理由
PTFE は高い耐薬品性と耐腐食性を備えていますが、機械的剛性は金属チューブ材料よりも大幅に劣ります。

PTFE チューブはステンレス鋼またはチタン チューブと比較されます。

ヤング率の低下

柔軟性の向上

固有振動数の低下

荷重時のたわみが大きくなる

その結果、振動の開始に必要なレイノルズ数は、通常、同等の金属交換体よりも低いシェル側速度で達成されます。{0}}

このため、フッ素ポリマー熱交換器の設計では振動の考慮が特に重要になります。

流れ誘起チューブ振動機構
管束を横切って流れる乱流のシェル側流体は、各管の周囲に圧力場の変化を引き起こします。{0}

渦振動と放出
チューブの背後で交互に発生する渦により、周期的な横方向の応力が生じます。流量が低い場合、これらの力は弱く、ほとんど無害です。

レイノルズ数が増加すると:

乱流レベルが増加します

気圧の変化が顕著になってきている

より一貫した振動力 より一貫した振動力

チューブの動きが改善され始める

刺激周波数がチューブの固有周波数に近い場合、共振現象が発生する可能性があります。

その場合、振動の振幅は徐々にではなく急速に増加する可能性があります。

流体-弾性の不安定性: 重大なしきい値
流体の弾性不安定性に対する臨界速度は、熱交換器設計における最も重要な設計チェックの 1 つです。{0}

なぜリスクが高まるのか
不安定化への移行は直線ではありません。臨界流量状態以下では、減衰プロセスが支配的となり、チューブの動きを抑制します。これを超えると、流体自体が、構造がエネルギーを消散するよりも速い速度で振動サイクルにエネルギーを寄与し始めます。

その場合、流速のわずかな増加でも、不釣り合いに大きな振動振幅を引き起こす可能性があります。

チューブ自体が独自の疲労試験機として機能し、摩耗、亀裂、またはサポートの損傷が発生するまで、高いサイクル数で繰り返し伸縮します。

過度の振動による一般的な影響
流れに起因する振動-を管理しない場合、次のような結果が生じます。

チューブ壁の疲労

サポートウェア

摩耗

チューブ-と-の衝突

漏れ故障

バンドルダメージ - 壊滅的

PTFE エクスチェンジャーの比較的柔らかい材料は、サポート サイトで特に長期にわたる振動摩耗を起こしやすい可能性があります。{0}

PTFE交換器のシェル側におけるチューブ振動のレイノルズ数による解析
熱交換器の設計では、油圧計算と機械計算を組み合わせて、シェル側のレイノルズ数、チューブの振動、PTFE 熱交換器の安定性の間の関係を評価します。

クリティカルしきい値に影響するパラメータ
不安定性の出現にはいくつかの側面が影響します。

振動に対する設計変数の影響
シェル側の速度加振力上昇
チューブのスパン長さ スパンが長くなると剛性が低下します
管径の固有振動数の変化
流体密度 より優れた動的荷重
チューブ間隔耐振性管理
壁の剛性 (PTFE) たわみ挙動に影響を与える
これらのコンポーネントの相互作用は、単純な経験則による推定よりも複雑であり、慎重なエンジニアリング研究が必要です。{0}{1}

チューブサポートの間隔の重要性
PTFE 交換器の振動問題を防ぐための最も効果的なツールの 1 つは、チューブ サポートの間隔です。

スパンが短いほど固有振動数は高くなります。
機械的には、チューブは柔軟なビームとして動作します。スパンの固有の振動周波数は、支持されていない長さに大きく影響されます。

さらにサポートを追加する:

サポートされていない長さの減少

チューブ剛性の向上に成功

たわみ振幅が減少する

固有振動数がかなり上がります

固有振動数の関係がスパン長に影響されることが重要です。支持されていないスパンが減少すると、固有振動数は減少の影響の約 2 乗で増加するため、支持間隔は非常に強力な対策となります。

これにより、管の共振周波数が、シェル側の流れによって生成される乱流励起の主要領域よりも高くなります。{0}}

業界の慣行と TEMA ガイドライン
流れ誘起振動解析は、TEMA 原則に基づくシェルおよびチューブ熱交換器エンジニアリングにおける日常的な作業です。{0}{1}

TEMA による設計上の考慮事項
管状熱交換器製造業者協会 (TEMA) の枠組みでは、次の評価手法が使用されます。

横流速

振動感度1.

真空管の固有振動数

流体弾性不安定性の限界

渦放出に対する応答

同じ基本的な振動概念が PTFE 交換器にも当てはまりますが、材料固有の追加の考慮事項を考慮する必要があります。{0}

熱交換器の推定動作範囲において、動作流量条件が重大な不安定領域から遠く離れていることを確認する必要があります。

振動を低減するための追加の設計アプローチ
サポートの間隔に加えて、振動のリスクを制限するためによく利用されるアプローチが多数あります。

シェル側速度の低下
シェル-側の速度が減少すると、乱流の励振力が直接減少し、レイノルズ数が減少します。

バッフル形状の最適化
バッフルの間隔とカットの形状は以下に影響を与える可能性があります。

流れ分布: 対角

乱気流の強さ

局所的な速度ピーク

加振が集中する領域を避けるために、慎重な油圧バランスが使用されます。

チューブの結束配置
渦の生成と後流の相互作用は、三角形と正方形のピッチ配置では異なります。したがって、振動の感受性はバンドルの形状の選択によって決まります。

構造減衰の改善
一部の交換器設計では、共振基準が満たされる前に振動エネルギーを散逸させるために追加の減衰要素が提供されます。

PTFE の交換器には慎重なバランスが必要です
PTFE 交換体は通常、金属系では適さない過酷な化学条件を管理できる能力を理由に選択されます。

しかし、PTFE チューブが熱応力を吸収できるのと同じ柔軟性により、乱流の力に対して機械的に敏感になります。

したがって、設計の最適化では以下のバランスを取る必要があります。

耐腐食性

熱伝達効率

圧力損失

機械的安定性

流速の限界

シェル側の速度を大きくすると、熱性能が向上する可能性がありますが、同時に振動のリスクも増加します。

まとめ
PTFE 熱交換器エンジニアリングの基本的な部分は、流れによって生成される振動の始まりを予測することです。乱流エネルギーは、シェル側のレイノルズ数が増加するにつれて大幅に増加します。{1}そして最終的には、変動する流体力がフレキシブル PTFE チューブ束の固有周波数を励起するレベルに達します。

シェル側のレイノルズ数、チューブの振動、PTFE 熱交換器の性能間の相互作用は、チューブの剛性、サポート スパン、クロスフロー速度、流体力学によって決まります。- TEMA 規格に基づく流体の弾性不安定速度の検査を含む慎重な設計計算により、熱交換器が危険な振動限界以下で動作することが保証されます。{2}

密に配置されたチューブサポートは、チューブの固有振動数を大幅に高め、たわみの振幅を減少させるため、利用可能なすべてのサポートの中で最も効果的な対策の 1 つです。適切な油圧設計と機械設計により、PTFE 交換器は長年にわたり非常に静かで信頼性が高くなります。

一般に、静かな流れは、チューブ束が熱処理システムの設計制限内で安全に動作していることを示す最も明白な指標です。