ما هي هندسة قنوات التدفق الداخلي الأكثر شيوعًا للموصلات رباعية الاتجاهات؟

I. التعريف والتكوين الهندسي القياسي للتركيبات ذات الأربع اتجاهات

ال تركيب تي شيرت في 4 اتجاهات ، والذي يشار إليه عادة باسم الصليب، هو عنصر حيوي في أنظمة الأنابيب. يسمح بتوزيع السوائل أو تجميعها أو تحويلها في أربعة اتجاهات مختلفة. بالمقارنة مع 3-Way Tee المنتشرة في كل مكان، يوفر التكوين 4-Way مسارًا فرعيًا إضافيًا، يُستخدم عادةً في تخطيطات الشبكة المعقدة التي تتطلب توزيعًا أو إرجاعًا متعدد النقاط.

ال most fundamental and common internal flow channel geometry for a 4-Way Tee is the Standard Orthogonal Cross Configuration.

ال core characteristics of this structure include:

1. أربعة منافذ متساوية الحجم: عادةً، تشترك جميع المنافذ الأربعة في نفس القطر الاسمي (DN)، مما يؤدي إلى "تقاطع متساوي".

2. التخطيط المتعامد: تقع الخطوط المركزية لجميع المنافذ الأربعة داخل نفس المستوى وهي متعامدة بشكل متبادل، مما يشكل خطًا مثاليًا 90∘ زاوية التقاطع.

3. غرفة الخلط المركزية: تتلاقى قنوات التدفق الأربعة في غرفة واحدة في المركز الهندسي للتركيب.

في حين أن البنية المتعامدة القياسية سائدة، فإن منظور ديناميكيات الموائع الاحترافي يسلط الضوء على أن الاختلافات الدقيقة في هندسة قناة التدفق الداخلي، خاصة فيما يتعلق بمعالجة الحواف والمناطق الانتقالية، تعتبر حاسمة بالنسبة لأداء النظام بشكل عام.

ثانيا. التحديات الهيدروديناميكية للهيكل المتقاطع القياسي

على الرغم من أن الهندسة المتقاطعة المتعامدة القياسية هي الأسهل في التصنيع، إلا أنها تمثل تحديات متأصلة في التعامل مع السوائل، في المقام الأول في مجالين رئيسيين:

2.1 فقدان الضغط وتبديد الطاقة

عندما يمر السائل عبر غرفة التقارب المركزية لوصلة رباعية الاتجاه، فإن التمدد المفاجئ أو الانكماش أو التغيير الحاد في اتجاه التدفق يولد خسارة طفيفة كبيرة. تتجلى هذه المقاومة على شكل انخفاض في الضغط ( ΔP ) وهو نتيجة لتبدد طاقة السوائل على شكل حرارة.

في التكوين المتقاطع القياسي، المنطقة المركزية هي المكان الذي تتفاعل فيه السوائل بعنف. قد تصطدم السوائل التي تقترب من اتجاهات متعارضة بشكل مباشر، مما يؤدي إلى إنشاء نقاط ركود عالية الطاقة. في الوقت نفسه، عندما يتحول السائل إلى الأنابيب الفرعية، يحدث فصل التدفق، مما يؤدي غالبًا إلى دوامات كبيرة أو مناطق إعادة تدوير على طول الجدار الداخلي للفرع. تستهلك هذه الدوامات الطاقة وتقلل من مساحة التدفق الفعال.

ال Minor Loss Coefficient ( ك ) هي المعلمة الحرجة المستخدمة لقياس فقدان الأداء هذا، مما يؤثر بشكل مباشر على حجم المضخات أو الضواغط واستهلاكها للطاقة.

2.2 الاضطراب والتآكل والتآكل

ال combination of sharp 90∘ تؤدي الانحناءات والاصطدام المركزي إلى مستويات عالية من الاضطراب. يمكن أن يكون للاضطراب الشديد الشدة نتيجتان خطيرتان:

• التآكل المتسارع: خاصة في السوائل التي تحتوي على مواد صلبة عالقة (مثل الرمل ومساحيق المحفزات) أو فقاعات الغاز، يتسبب الاضطراب العالي في تأثير الجزيئات على الجدار الداخلي للتركيبات بسرعات عالية. يكون هذا التآكل أكثر وضوحًا عند مداخل الفروع حيث يتحول التدفق بشكل حاد.

• التآكل المتسارع بالتدفق (FAC): بالنسبة لبعض الوسائط الكيميائية (مثل الماء المؤكسج والمحاليل الأمينية)، يمكن أن تؤدي معدلات التدفق العالية والاضطراب إلى تعطيل الطبقات الواقية أو السلبية للأنبوب، مما يؤدي إلى تسريع معدل تآكل المواد المعدنية بشكل كبير.

ثالثا. الأشكال الهندسية المحسنة: الشرائح والانتقالات السلسة

للتخفيف من التحديات التي تفرضها الهندسة القياسية، غالبًا ما تستخدم التطبيقات عالية الأداء أو الهامة تصميمات قنوات التدفق الداخلية المحسنة، مع التركيز بشكل أساسي على تسهيل مناطق التحول:

3.1 معالجة الحشو

ال most common optimization technique is the introduction of Radii or Fillets. Smooth, rounded curves are used instead of sharp 90∘ الزوايا عند التقاطع حيث تلتقي القنوات الفرعية الأربعة بالغرفة المركزية.

• الوظيفة: تقلل الشرائح بشكل كبير من حدوث انفصال التدفق أثناء دوران السائل، مما يمنع بشكل فعال تكوين الدوامات الكبيرة. إنها تحول ديناميكيات التدفق من تغيير حاد لحظي إلى تغيير تقدمي، وبالتالي خفض معامل الخسارة الطفيفة ( ك ) والحد الأقصى لإجهاد القص داخل التركيب.

• التأثير: يمكن أن تظهر الوصلة رباعية الاتجاه المصممة بشرائح ذات حجم مناسب انخفاضًا في انخفاض الضغط بنسبة 10% إلى 30% مقارنةً بالتقاطع القياسي ذي الزوايا الحادة، خاصة في ظل رقم رينولدز المرتفع، وظروف التدفق المضطرب.

3.2 الهياكل المتخصصة: التحكم في التدفق والتخصيص

في حين أن 4-Way Tees لا تحتوي على تصنيفات نصف القطر القصير/نصف القطر الطويل الصريحة الموجودة في المرفقين، فقد يقدم المصممون أشكالًا هندسية لقنوات التدفق غير متعامدة أو غير متماثلة في تطبيقات مخصصة للغاية، مثل تلك المخصصة للخلط أو الفصل عالي الكفاءة.

على سبيل المثال، في تطبيقات الخلط، قد يؤدي التصميم إلى إزاحة القناتين المتعارضتين قليلاً لمنع الاصطدام المباشر. وهذا يشجع على تكوين مجال تدفق دوامي، مما يعزز الخلط السريع والموحد للسوائل.

3.3 الاعتبارات الهندسية للقمصان المبطنة

بالنسبة للوسائط شديدة التآكل (مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك)، غالبًا ما تستخدم المحملات رباعية الاتجاه جسمًا فولاذيًا مع بطانة بوليمر (مثل PTFE أو PFA). في هذه الحالات، يتم تحديد هندسة قناة التدفق الداخلي من خلال سمك البطانة. تتطلب عملية البطانة أن تكون حواف قناة التدفق سلسة ومستديرة بشكل استثنائي لضمان التصاق بطانة البوليمر بشكل موحد وكامل بجميع الزوايا. وهذا يمنع البطانة من التخفيف أو التعرض لتركيز الضغط عند الحواف الحادة، مما قد يؤدي إلى فشل البطانة وتسرب الوسائط.