Computergestützte Fluiddynamik in der Konstruktion und Analyse von Wärmetauschern
Kürzlich wurden wir von einem Kunden angesprochen, der mehrere Kondensatoren installiert hatte, die Leistungsprobleme aufwiesen. Die Verflüssiger erreichten einfach nicht ihre Leistung. Der Kunde befürchtete, dass das Problem nicht in der Konstruktion des Verflüssigers, sondern im Produktzulaufsammler lag. Der Verdacht lag nahe, dass der Produktstrom in den Wärmetauscher nicht gleichmäßig über alle Rohre des Wärmetauschers verteilt war. Es ist allgemein bekannt, dass eine falsche Produktverteilung oder ein falscher Produktfluss über die Innenrohre zu Leistungsproblemen führen kann.
HRS bot an, die Situation mithilfe einer Technik namens Computational Fluid Dynamics (CFD) zu analysieren. Bei der CFD-Analyse werden numerische Messungen und Algorithmen verwendet, um die Strömung von Flüssigkeiten durch Objekte zu untersuchen. Das Objekt und die Flüssigkeit werden in endliche Elemente oder Zellen unterteilt, von denen jede eine endliche Größe hat. Für jede Zelle werden Masse, Impuls und Energie berechnet und das Ergebnis der Berechnung für eine Zelle dient als Input für die Berechnung der nächsten Zelle. Je kleiner die Abmessungen der Zellen sind, desto mehr Berechnungen werden durchgeführt und desto genauer ist das Ergebnis. Kurz gesagt, CFD ermöglicht es uns, numerische Experimente in einem virtuellen Strömungslabor auf einem Computer durchzuführen. Weitere Informationen über CFD finden Sie hier.
Annäherung an das Problem
Zunächst wurde der Wärmetauscher mit seinem Einlasssammler mithilfe einer 3D-CAD-Software neu entworfen. Die Prozessflüssigkeit wurde analysiert, um ihre physikalischen Eigenschaften zu erhalten, und mit Hilfe eines Softwarepakets zur Strömungssimulation mit der CAD-Software wurde das Verhalten der Flüssigkeit im Wärmetauscher berechnet. Das Bild oben zeigt eine Darstellung der Flüssigkeitsströmung. Unterschiedliche Farben stehen für unterschiedliche Geschwindigkeiten und zeigen deutlich eine Reihe von Flüssigkeitsgeschwindigkeiten im Strömungsweg durch den Wärmetauscher. Wenn Sie die Geschwindigkeit am Einlass der einzelnen Innenrohre auftragen, ergibt sich folgendes Bild:
Das Farbschema zeigt Geschwindigkeiten an, die von 12 m/s (in den mittleren Rohren) bis zu 1,5 m/s (in den Rohren auf dem äußeren Ring) variieren. Dies zeigte, dass der Verdacht des Kunden bezüglich des Einlasses richtig war und für die Leistungsprobleme verantwortlich war.
Eine verbesserte Lösung für das Problem
Die nächste Frage, die sich stellt, ist: Was kann man tun, um den Fluss des Produkts durch den Wärmetauscher zu verbessern? Wie können wir eine gleichmäßige Verteilung des Produkts über alle Wärmetauscherrohre erreichen? Eine Möglichkeit wäre, die Länge des Einlasskopfes zu verlängern, damit das Produkt mehr Zeit hat, sich zu verteilen. Die Herausforderung bestand jedoch darin, eine Lösung innerhalb der bestehenden Anlage zu finden. Also wurde eine weitere CFD-Analyse mit demselben Einlasskopf durchgeführt, diesmal jedoch mit konzentrischen Reduzierstücken im Strömungsweg. Ziel war es, zu testen, ob das Reduzierstück in der Lage wäre, die Flüssigkeit in Richtung des äußeren Rohrrings umzuleiten und die Strömungsverteilung zu verbessern.
Auch hier wurden die Geschwindigkeiten am Einlass eines jeden Innenrohrs aufgezeichnet. Das Farbschema zeigt eine Verbesserung, wobei die Geschwindigkeiten ungefähr zwischen 1,5 und 6 m/s liegen. Dies war jedoch immer noch nicht ideal, da einige Röhren nicht ausreichend durchströmt wurden.
Auf der Grundlage dieser ersten Analyse und Umgestaltung können weitere Designänderungen vorgenommen werden, bis ein endgültiges Design erreicht ist. Diese Fallstudie zeigt, dass CFD ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Überprüfung von Hypothesen über das Strömungsverhalten ist. Es ermöglicht dem Konstrukteur auch, Prototypen in einem virtuellen Labor zu analysieren, bevor er Geld für Prototypen und die Fertigung ausgibt. Wie Sie sehen, ermöglicht der Einsatz der neuesten Technologien der numerischen Strömungsmechanik (CFD) Zeit- und Kosteneinsparungen, die wir an unsere Kunden weitergeben können.