پریشر ڈراپ جو ڈیزائن کی رکاوٹ بن جاتا ہے۔
60 ڈگری پر 500 cP کی viscosity کے ساتھ چپکنے والے پولیمر محلول کو گرم کرنے والی کیمیکل پروسیسنگ کی سہولت کے لیے 40 kW کے ہیٹ لوڈ کے ساتھ PTFE ہیٹ ایکسچینجر کی ضرورت ہوتی ہے۔ سیال کو ہیٹ ایکسچینجر کے ذریعے 15 m³/h کی بہاؤ کی شرح سے پمپ کیا جاتا ہے۔
ایک ابتدائی ڈیزائن 9.5 ملی میٹر ٹیوب کا انتخاب کرتا ہے جس کی دیوار کی موٹائی 0.8 ملی میٹر اور بہاؤ کی رفتار 1.5 میٹر فی سیکنڈ ہے۔ اس حالت کے لیے رینالڈس کا نمبر تقریباً 28 ہے، جو لیمینر فلو رجیم میں ہے۔ لیمینر کے بہاؤ کے لیے رگڑ کا عنصر 64/Re=2.3 ہے، اور 3 میٹر ٹیوب کی لمبائی سے زیادہ پریشر ڈراپ تقریباً 85 kPa ہے۔
85 kPa کا پریشر ڈراپ گردشی پمپ کے لیے 50 kPa کی قابل اجازت حد سے زیادہ ہے۔ پریشر ڈراپ کو کم کرنے کے لیے ٹیوب کا قطر بڑھانا چاہیے، یا بہاؤ کی رفتار کو کم کرنا چاہیے۔ دونوں تبدیلیاں گرمی کی منتقلی کے گتانک کو متاثر کرتی ہیں۔
پریشر ڈراپ اسکیلنگ کے قوانین
ٹیوب میں پریشر ڈراپ ڈارسی-وائسباچ مساوات کے ذریعہ دیا جاتا ہے: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2)، جہاں f رگڑ کا عنصر ہے، L ٹیوب کی لمبائی ہے، D ٹیوب کا قطر ہے، ρ سیال کی کثافت ہے، اور v بہاؤ کی رفتار ہے۔
لیمینر بہاؤ (Re <2,300) کے لیے، رگڑ کا عنصر f=64/Re=64μ/(ρvD) ہے، جہاں μ متحرک viscosity ہے۔ اسے Darcy-Weisbach مساوات میں بدلنے سے ΔP=32μLv/D² ملتا ہے۔
لیمینر بہاؤ میں دباؤ کی کمی viscosity، ٹیوب کی لمبائی، اور رفتار کے متناسب ہے، اور ٹیوب قطر کے مربع کے الٹا متناسب ہے۔ ٹیوب کے قطر کو دوگنا کرنے سے دباؤ کی کمی کو مستقل رفتار پر چار کے عنصر سے کم کر دیتا ہے۔
ہنگامہ خیز بہاؤ (Re> 4,000) کے لیے، رگڑ کا عنصر رینالڈس نمبر اور سطح کی کھردری پر منحصر ہے۔ پریشر ڈراپ تقریباً 1.8 پاور تک بڑھی ہوئی رفتار کے متناسب ہے اور 1.2 پاور تک بڑھے ہوئے ٹیوب قطر کے الٹا متناسب ہے۔
Viscous بہاؤ میں حرارت کی منتقلی کا گتانک
لیمینر بہاؤ میں حرارت کی منتقلی کا گتانک سیڈر-ٹیٹ ارتباط کے ذریعہ دیا گیا ہے: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0.14، جہاں Nu Nusselt نمبر ہے، Pr Prandtl نمبر ہے، اور μw درجہ حرارت ہے vis.co.
1,000 کے پرانڈٹل نمبر کے ساتھ چپکنے والے سیال کے لیے، نوسلٹ نمبر تقریباً 5–10 ہے، جو 9.5 ملی میٹر ٹیوب کے لیے 100–200 W/m²·K کے حرارت کی منتقلی کے قابلیت سے مساوی ہے۔ گرمی کی منتقلی کا گتانک ہنگامہ خیز بہاؤ کے مقابلے میں بہت کم ہے، جہاں نوسلٹ نمبر عام طور پر 50-100 ہوتا ہے۔
چپچپا بہاؤ میں کم حرارت کی منتقلی کے قابلیت کا مطلب یہ ہے کہ گرمی کے بوجھ کو حاصل کرنے کے لیے سطح کے ایک بڑے حصے کی ضرورت ہوتی ہے۔ بڑی سطح کا رقبہ، پریشر ڈراپ کی حد کے ساتھ مل کر، ٹیوب کے انتخاب کو محدود کرتا ہے۔
مختلف ٹیوب قطر کے لیے پریشر ڈراپ کی حد
مندرجہ ذیل جدول 500 cP کی viscosity اور 1.0 m/s کے بہاؤ کی رفتار کے ساتھ چپکنے والے سیال میں مختلف ٹیوب قطروں کے لیے دباؤ کی کمی اور حرارت کی منتقلی کے گتانک کا خلاصہ کرتا ہے۔
| ٹیوب قطر | رینالڈس نمبر | رگڑ کا عنصر | پریشر ڈراپ فی میٹر | حرارت کی منتقلی کا عدد | بہاؤ کا نظام |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 ملی میٹر | 12 | 5.3 | 44 kPa/m | 180 W/m²·K | لامینار |
| 9.5 ملی میٹر | 19 | 3.4 | 18 kPa/m | 150 W/m²·K | لامینار |
| 12.7 ملی میٹر | 25 | 2.6 | 10 kPa/m | 130 W/m²·K | لامینار |
| 16 ملی میٹر | 32 | 2.0 | 6.3 kPa/m | 115 W/m²·K | لامینار |
| 19 ملی میٹر | 38 | 1.7 | 4.5 kPa/m | 105 W/m²·K | لامینار |
| 25 ملی میٹر | 50 | 1.3 | 2.6 kPa/m | 90 W/m²·K | لامینار |
| 32 ملی میٹر | 64 | 1.0 | 1.6 kPa/m | 80 W/m²·K | لامینار |
فی میٹر پریشر ڈراپ کا حساب 1,100 kg/m³ کی سیال کثافت اور 1.0 m/s کی رفتار سے لگایا جاتا ہے۔ حرارت کی منتقلی کے گتانک کا تخمینہ 1,000 کے پرانڈٹل نمبر کے لیے سیڈر-ٹیٹ ارتباط سے لگایا جاتا ہے۔
پریشر ڈراپ اور ہیٹ ٹرانسفر کے درمیان تجارت-آف
ٹیوب کا قطر جو دباؤ کی کمی کو کم کرتا ہے وہ سب سے بڑا قطر ہے، لیکن سب سے بڑے قطر میں حرارت کی منتقلی کا سب سے کم گتانک بھی ہوتا ہے۔ زیادہ سے زیادہ قطر وہ ہے جو پریشر ڈراپ کی حد اور حرارت کی منتقلی کی ضرورت دونوں کو پورا کرتا ہے۔
مثال کے طور پر 40 کلو واٹ گرمی کا بوجھ، 500 cP کی viscosity، اور 50 kPa کے پریشر ڈراپ کی حد کے ساتھ، ٹیوب کا انتخاب اس طرح آگے بڑھتا ہے۔
مطلوبہ حرارت کی منتقلی کا علاقہ مجموعی طور پر حرارت کی منتقلی کے قابلیت پر منحصر ہوتا ہے، جس پر عمل-سائیڈ فلم کے گتانک کا غلبہ ہوتا ہے۔ 130 W/m²·K کے حرارت کی منتقلی کے قابلیت اور 20 ڈگری کے درجہ حرارت کے فرق کے ساتھ 12.7 ملی میٹر ٹیوب کے لیے، مطلوبہ رقبہ 15.4 m² ہے۔ 3 میٹر ٹیوب کی لمبائی کے لیے پریشر ڈراپ 30 kPa ہے، جو 50 kPa کی حد کے اندر ہے۔
150 W/m²·K کے حرارت کی منتقلی کے قابلیت کے ساتھ 9.5 ملی میٹر ٹیوب کے لیے، مطلوبہ رقبہ 13.3 m² ہے۔ 3 میٹر ٹیوب کی لمبائی کے لیے پریشر ڈراپ 54 kPa ہے، جو 50 kPa کی حد سے زیادہ ہے۔
12.7 ملی میٹر ٹیوب بہتر انتخاب ہے کیونکہ یہ دباؤ کی کمی کی حد اور حرارت کی منتقلی کی ضرورت دونوں کو پورا کرتی ہے، حالانکہ اس کے لیے سطح کے قدرے بڑے رقبے کی ضرورت ہوتی ہے۔
بہاؤ کی رفتار کا اثر
بہاؤ کی رفتار دباؤ کی کمی اور حرارت کی منتقلی کے گتانک دونوں کو متاثر کرتی ہے۔ زیادہ رفتار گرمی کی منتقلی کے گتانک کو بڑھاتی ہے لیکن دباؤ میں کمی کو بھی بڑھاتی ہے۔
لیمینر بہاؤ میں، حرارت کی منتقلی کا گتانک 1/3 پاور تک بڑھنے والی رفتار کے متناسب ہے، جبکہ دباؤ کی کمی رفتار کے متناسب ہے۔ رفتار کو دوگنا کرنے سے حرارت کی منتقلی کے گتانک میں 26% اضافہ ہوتا ہے لیکن دباؤ کی کمی میں 100% اضافہ ہوتا ہے۔
ہنگامہ خیز بہاؤ کی نسبت لیمینر بہاؤ میں رفتار کا اثر کم سازگار ہے۔ ہنگامہ خیز بہاؤ میں، حرارت کی منتقلی کا گتانک 0.8 پاور تک بڑھنے والی رفتار کے متناسب ہے، جب کہ دباؤ کی کمی 1.8 پاور تک بڑھی ہوئی رفتار کے متناسب ہے۔ رفتار کو دوگنا کرنے سے حرارت کی منتقلی کے گتانک میں 74% اضافہ ہوتا ہے لیکن دباؤ کی کمی میں 248% اضافہ ہوتا ہے۔
پریشر ڈراپ کی حد کے خلاف گرمی کی منتقلی کی ضرورت کو متوازن کرنے کے لیے رفتار کا انتخاب کیا جانا چاہیے۔ 0.5–1.5 m/s کی رفتار چپچپا خدمت کے لیے عام ہے۔
ڈیزائن کی خصوصیات جو پریشر ڈراپ کو کم کرتی ہیں۔
کئی ڈیزائن خصوصیات چپچپا سروس میں دباؤ کو کم کرتی ہیں۔
ٹیوب کا بڑا قطر۔ایک بڑا ٹیوب قطر دباؤ کی کمی کو کم کرتا ہے لیکن گرمی کی منتقلی کے قابلیت کو بھی کم کرتا ہے۔ زیادہ سے زیادہ قطر دو اثرات کو متوازن کرتا ہے۔
چھوٹی ٹیوب کی لمبائی۔ایک چھوٹی ٹیوب کی لمبائی دباؤ کی کمی کو کم کرتی ہے لیکن مطلوبہ سطح کے رقبے کو حاصل کرنے کے لیے متوازی طور پر ٹیوبوں کی ایک بڑی تعداد کی ضرورت ہوتی ہے۔
متعدد ٹیوب متوازی میں گزرتی ہیں۔متوازی طور پر متعدد ٹیوب پاسوں کے درمیان بہاؤ کو تقسیم کرنے سے ہر پاس کی رفتار اور دباؤ میں کمی آتی ہے۔ متوازی ترتیب گرمی کی منتقلی کے گتانک کو بھی کم کرتی ہے۔
بہتر ٹیوب کی سطح.پنکھوں یا نالیوں والی ٹیوب کی سطح دباؤ کی کمی کو متناسب طور پر بڑھائے بغیر حرارت کی منتقلی کے قابلیت کو بڑھاتی ہے۔ بہتر سطح viscous بہاؤ میں خاص طور پر مؤثر ہے.
اعلی سروس-سائیڈ کی رفتار۔سروس-سائیڈ کی رفتار سروس-سائیڈ فلم کوفیشینٹ کو متاثر کرتی ہے لیکن عمل-سائیڈ پریشر ڈراپ کو نہیں۔ ایک اعلی سروس-سائیڈ کی رفتار عمل کو بڑھائے بغیر مجموعی قابلیت کو بہتر بناتی ہے-سائیڈ پریشر ڈراپ۔
Viscous سروس کے لیے ٹیوب قطر کا موازنہ کرنا
مندرجہ ذیل جدول 40 کلو واٹ کے ہیٹ لوڈ اور 50 kPa کے پریشر ڈراپ کی حد کے ساتھ چپکنے والی کیمیکل ہیٹنگ ایپلی کیشن میں مطلوبہ سطح کے علاقے، دباؤ میں کمی، اور مختلف ٹیوب قطروں کے لیے پانچ-سال کی کل لاگت کا خلاصہ کرتا ہے۔
| ٹیوب قطر | حرارت کی منتقلی کا عدد | مطلوبہ سطح کا رقبہ | پریشر ڈراپ (3 میٹر) | کیپٹل لاگت | سالانہ پمپنگ لاگت | پانچ-سال کی کل لاگت |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 ملی میٹر | 180 W/m²·K | 11.1 m² | 132 kPa | $22,000 | $8,500 | $64,500 |
| 9.5 ملی میٹر | 150 W/m²·K | 13.3 m² | 54 kPa | $26,000 | $4,200 | $47,000 |
| 12.7 ملی میٹر | 130 W/m²·K | 15.4 m² | 30 kPa | $30,000 | $2,800 | $44,000 |
| 16 ملی میٹر | 115 W/m²·K | 17.4 m² | 19 کے پی اے | $34,000 | $2,100 | $44,500 |
| 19 ملی میٹر | 105 W/m²·K | 19.0 m² | 13.5 kPa | $38,000 | $1,700 | $46,500 |
| 25 ملی میٹر | 90 W/m²·K | 22.2 m² | 7.8 kPa | $45,000 | $1,200 | $51,000 |
پانچ-سال کی کل لاگت 12.7–16 ملی میٹر کے ٹیوب قطر پر کم سے کم ہے۔ 9.5 ملی میٹر ٹیوب کی پمپنگ لاگت زیادہ ہوتی ہے کیونکہ پریشر ڈراپ حد سے بڑھ جاتا ہے اور اس کے لیے بڑے پمپ کی ضرورت ہوتی ہے۔ 19 ملی میٹر اور بڑی ٹیوبوں کی سرمایہ کاری زیادہ ہوتی ہے جو کم پمپنگ لاگت سے پورا نہیں ہوتی۔
Viscous کیمیکل حرارتی کے لئے تفصیلات کے پیرامیٹرز
چپچپا کیمیکل ہیٹنگ کے لیے PTFE ہیٹ ایکسچینجر کی وضاحت کرنے والے آلات کے انجینئرز کو فراہم کنندہ کے ساتھ درج ذیل پیرامیٹرز کی تصدیق کرنی چاہیے۔
سیال viscosity.آپریٹنگ درجہ حرارت اور متوقع حد پر viscosity کی وضاحت کریں.
بہاؤ کی شرحڈیزائن کے بہاؤ کی شرح اور متوقع حد کی وضاحت کریں۔
پریشر ڈراپ کی حد۔ہیٹ ایکسچینجر میں زیادہ سے زیادہ قابل اجازت پریشر ڈراپ کی وضاحت کریں۔
گرمی کا بوجھ۔گرمی کا بوجھ اور متوقع حد کی وضاحت کریں۔
ٹیوب قطر.پریشر ڈراپ کی حد اور حرارت کی منتقلی کی ضرورت کی بنیاد پر ٹیوب قطر کی وضاحت کریں۔
بہاؤ کی رفتار۔ڈیزائن کی رفتار اور متوقع حد کی وضاحت کریں۔
ٹیوب کی سطح۔اس بات کی وضاحت کریں کہ کیا بہتر سطح کے ٹیوبوں کی ضرورت ہے۔
پمپ کا انتخاب۔پمپ ہیڈ اور بہاؤ کی شرح کی ضروریات کی وضاحت کریں۔
ٹیوب کا انتخاب چپچپا بہاؤ کے حالات سے مماثل ہے۔
چپکنے والی کیمیکل ہیٹنگ سروس میں PTFE ہیٹ ایکسچینجر پر دباؤ کا ڈراپ محدود ڈیزائن پیرامیٹر ہے۔ پریشر ڈراپ viscosity اور رفتار کے متناسب ہے اور laminar بہاؤ میں ٹیوب قطر کے مربع کے الٹا متناسب ہے۔ حرارت کی منتقلی کا گتانک 1/3 طاقت تک بڑھنے والی رفتار کے متناسب ہے اور الٹا ٹیوب کے قطر سے متعلق ہے۔
ٹیوب کے انتخاب کو گرمی کی منتقلی کی ضرورت کے خلاف دباؤ کی کمی کی حد کو متوازن کرنا چاہئے۔ ایک بڑا ٹیوب قطر دباؤ کی کمی کو کم کرتا ہے لیکن گرمی کی منتقلی کے قابلیت کو بھی کم کرتا ہے، جس کے لیے سطح کے بڑے رقبے کی ضرورت ہوتی ہے۔ بہترین قطر وہ ہے جو سروس کی زندگی پر ملکیت کی کل لاگت کو کم کرتا ہے۔
PTFE ہیٹ ایکسچینجر کے اختیارات کا جائزہ لینے والی چپکنے والی کیمیائی حرارتی سہولیات کے لیے، ٹیوب کا انتخاب ملکیت کی کل لاگت پر مبنی ہونا چاہیے، بشمول سرمایہ کی قیمت، پمپنگ توانائی کی لاگت، اور دیکھ بھال کی لاگت۔ ایک ٹیوب قطر جو اکیلے ہیٹ ٹرانسفر کے لیے موزوں ہے زیادہ پمپنگ انرجی کی وجہ سے اس کی کل لاگت زیادہ ہو سکتی ہے۔
آلات کے انجینئرز اور پروکیورمنٹ ماہرین چپچپا کیمیکل ہیٹنگ یا دیگر ہائی-واسکوسیٹی سروس کے لیے PTFE ہیٹ ایکسچینجر کی تفصیلات کا جائزہ لینے والے ڈیزائن کے جائزے کی درخواست کر سکتے ہیں جس میں فلو کی viscosity، بہاؤ کی شرح، پریشر گرنے کی حد، گرمی کا بوجھ، ٹیوب کا قطر، اور بہاؤ کی رفتار اس بات کی تصدیق کی جا سکتی ہے کہ یونٹ فلو کی ساخت کی اصل قیمت کی خصوصیات سے مماثل ہے۔
