The Hammering Sound from the Tank
Οι χειριστές κοντά σε ένα κατακόρυφο πηνίο βύθισης σε μια δεξαμενή ζεστού καθαρισμού ακούνε ρυθμικά χτυπήματα κατά τη διάρκεια της θέρμανσης-. Ο ήχος μοιάζει με μεταλλικό σωλήνα που χτυπά με σφυρί-εξ ου και ο όρος σφυρί νερού. Ο θόρυβος δεν είναι απλώς ενοχλητικός. Κάθε παλμός σφύρας δημιουργεί μια ακίδα πίεσης που πιέζει τα τοιχώματα του σωλήνα, αποδυναμώνει τις ραφές συγκόλλησης και τελικά προκαλεί αστοχία κόπωσης στα σημεία της υψηλότερης τάσης.
Στα μεταλλικά κατακόρυφα πηνία, το σφυρί νερού είναι ένα επίμονο πρόβλημα που οφείλεται στη γεωμετρία της διεπαφής ατμού-συμπυκνώματος. Ο ατμός εισέρχεται στην κορυφή του πηνίου και ρέει προς τα κάτω. Το συμπύκνωμα σχηματίζεται στα τοιχώματα του σωλήνα και πρέπει να ρέει αντίθετο-ρεύμα προς τον ατμό, αποστραγγίζοντας προς τα κάτω έναντι της ανοδικής ροής του εισερχόμενου ατμού. Σε συγκεκριμένες ταχύτητες ατμού και φορτία συμπυκνώματος, η ροή δύο φάσεων γίνεται ασταθής. Οι γυμνοσάλιαγκες του συμπυκνώματος ανυψώνονται από τη ροή του ατμού και στη συνέχεια καταρρέουν προς τα κάτω, δημιουργώντας τον παλμό του σφυριού.
Αυτό το φαινόμενο υποβαθμίζει όχι μόνο το πηνίο αλλά και την παγίδα ατμού, τη βαλβίδα ελέγχου και τις συνδέσεις σωληνώσεων. Τα αρχεία συντήρησης από καταστήματα επιμετάλλωσης με κατακόρυφα μεταλλικά πηνία δείχνουν αντικαταστάσεις παγίδων ατμού κατά μέσο όρο κάθε 12-18 μήνες λόγω ζημιάς από το σφυρί.
Ο μετρητής-Αστάθεια τρέχουσας ροής
Σε έναν κατακόρυφο σωλήνα με τον ατμό να ρέει προς τα κάτω και το συμπύκνωμα να αποστραγγίζεται προς τα κάτω υπό τη βαρύτητα, οι δύο φάσεις μπορούν να συνυπάρχουν σταθερά εάν η ταχύτητα του ατμού είναι κάτω από ένα κρίσιμο όριο. Το συμπύκνωμα σχηματίζει ένα δακτυλιοειδές φιλμ στο τοίχωμα του σωλήνα, ο ατμός ρέει μέσω του κεντρικού πυρήνα και οι δύο φάσεις ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση.
Η αστάθεια προκύπτει όταν η ταχύτητα ατμού αυξάνεται-κατά την εκκίνηση, σε περιόδους υψηλής-ζήτησης ή όταν η βαλβίδα ελέγχου ανοίγει διάπλατα. Σε υψηλή ταχύτητα ατμού, η δύναμη διάτμησης στη διεπαφή ατμού-συμπυκνώματος υπερνικά τη βαρύτητα. Το φιλμ συμπυκνώματος σκίζεται από τον τοίχο και παρασύρεται ως σταγονίδια στη ροή του ατμού. Αυτά τα σταγονίδια συνενώνονται σε γυμνοσάλιαγκες που γεφυρώνουν τη διάμετρο του σωλήνα. Η πίεση του ατμού πίσω από τον γυμνοσάλιαγκα τον επιταχύνει. Όταν ο γυμνοσάλιαγκας χτυπήσει σε μια κάμψη, μια βαλβίδα ή μια σταθερή στήλη συμπυκνώματος, σταματά απότομα. Η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε παλμό πίεσης.
Στα μεταλλικά πηνία, τα άκαμπτα τοιχώματα του σωλήνα μεταδίδουν αποτελεσματικά αυτόν τον παλμό πίεσης σε κάθε συνδεδεμένο εξάρτημα. Το κρουστικό κύμα αντανακλά εμπρός και πίσω μέσω του συστήματος. Σε κάθε σημείο ανάκλασης-αγκώνα, μπλουζάκι, μειωτήρα-η συγκέντρωση του στρες είναι υψηλότερη. Αυτές είναι ακριβώς οι τοποθεσίες όπου εμφανίζονται τελικά οι ρωγμές κόπωσης.
Πίνακας 1: Παράγοντες σοβαρότητας σφυριού νερού για σχέδια κατακόρυφων εναλλάκτη θερμότητας
| Συντελεστής σχεδίασης | Μεταλλικό κάθετο πηνίο | Κάθετο πηνίο PTFE με βελτιστοποιημένη αποστράγγιση |
|---|---|---|
| Ακαμψία τοιχώματος σωλήνα | Υψηλό (200 GPa χάλυβας) | Χαμηλό (0,5 GPa PTFE) |
| Αποδοτικότητα μετάδοσης κυμάτων πίεσης | >95% | <30% (viscoelastic damping) |
| Διαδρομή αποστράγγισης συμπυκνωμάτων | Μετρήστε-ρεύμα σε ατμό (ασταθές) | Ξεχωριστό σκέλος καθόδου συμπυκνώματος |
| Καθεστώς ροής ατμού-συμπυκνώματος | Μικτή δύο-φάσεων | Διαχωρισμένες φάσεις |
| Ευαισθησία στο σχηματισμό γυμνοσάλιαγκας | High at >Χωρητικότητα ατμού 30%. | Πολύ χαμηλή (η διαδρομή αποστράγγισης αποτρέπει τη συσσώρευση) |
| Μέγιστη πίεση σφύρας (bar) | 20-80 (πάνω από την πίεση ατμού) | <5 (damped by tube compliance) |
| Συχνότητα βλάβης παγίδας ατμού | Κάθε 12-18 μήνες | >5 χρόνια |
Η λύση σχεδίασης PTFE
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE μετριάζουν το σφυρί νερού μέσω δύο μηχανισμών: απόσβεσης υλικού και βελτιστοποιημένης γεωμετρίας αποστράγγισης.
Η ιξωδοελαστική φύση του PTFE απορροφά την ενέργεια των κυμάτων πίεσης. Όταν ένας παλμός πίεσης ταξιδεύει μέσω ενός σωλήνα PTFE, οι αλυσίδες πολυμερούς υφίστανται μοριακή αναδιάταξη που διαχέει τη μηχανική ενέργεια ως θερμότητα. Το πλάτος του παλμού μειώνεται εκθετικά με την απόσταση που διανύεται. Μια ακίδα πίεσης που θα καταγράψει 60 bar σε έναν χαλύβδινο σωλήνα καταγράφει 15 bar σε PTFE-και διασπάται σε αβλαβή επίπεδα εντός ενός μέτρου από τη διάδοση.
Αυτή η απόσβεση προστατεύει όχι μόνο το πηνίο PTFE αλλά και τα συνδεδεμένα μεταλλικά εξαρτήματα-ατμοπαγίδα, βαλβίδα ελέγχου, σωληνώσεις-από την πλήρη δύναμη οποιουδήποτε γεγονότος σφυριού που συμβαίνει.
Η γεωμετρία αποστράγγισης ενός σωστά σχεδιασμένου κάθετου πηνίου PTFE διαχωρίζει τις διαδρομές ατμού και συμπυκνώματος. Ο ατμός εισέρχεται μέσω μιας άνω κεφαλής και ρέει μέσω πολλαπλών παράλληλων σωλήνων. Το συμπύκνωμα αποστραγγίζεται από μια κάτω κεφαλή σε ένα ειδικό σκέλος επιστροφής συμπυκνώματος που είναι απομονωμένο από τη ροή ατμού. Οι δύο φάσεις δεν διέρχονται αντίθετο-ρεύμα μέσω του ίδιου σωλήνα. Η αστάθεια ροής που δημιουργεί γυμνοσάλιαγκες σε μεταλλικά πηνία έχει σχεδιαστεί εκτός συστήματος.
Προστασία παγίδας ατμού
Το σφυρί νερού είναι η κύρια αιτία πρόωρης αστοχίας της παγίδας ατμού. Ο πλωτήρας, το θερμοστατικό στοιχείο ή ο μηχανισμός δίσκου που ανοίγει και κλείνει για την εκκένωση του συμπυκνώματος δεν έχει σχεδιαστεί για να αντέχει τις επαναλαμβανόμενες αιχμές πίεσης. Κάθε συμβάν σφυριού παραμορφώνει τα εσωτερικά εξαρτήματα, υποβαθμίζει τις επιφάνειες στεγανοποίησης και μειώνει τη διάρκεια ζωής της παγίδας.
Ένα πηνίο PTFE που μειώνει τους παλμούς πίεσης επεκτείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της παγίδας ατμού. Η παγίδα λειτουργεί σε περιβάλλον σταθερής πίεσης, με ποδήλατο στη σχεδιασμένη συχνότητα αντί να χτυπιέται από διακεκομμένα κρουστικά κύματα. Τα διαστήματα συντήρησης παγίδων εκτείνονται από μήνες σε χρόνια.
Περίληψη
Το σφυρί συμπυκνώματος ατμού σε κάθετα πηνία εμβάπτισης προκύπτει από αστάθεια ροής δύο φάσεων όταν ο μετρητής διαδρομής ατμού και του συμπυκνώματος- τρέχουν. Τα μεταλλικά πηνία μεταδίδουν αποτελεσματικά τους παλμούς πίεσης του σφυριού, προκαλώντας ζημιά κόπωσης σε πηνία, παγίδες και σωληνώσεις. Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE μετριάζουν το σφυρί μέσω ιξωδοελαστικής απόσβεσης που απορροφά την ενέργεια κυμάτων πίεσης και βελτιστοποιημένη γεωμετρία αποστράγγισης που διαχωρίζει τις διαδρομές ατμού και συμπυκνώματος.
Η μειωμένη βαρύτητα του σφυριού παρατείνει τη διάρκεια ζωής της παγίδας ατμού, μειώνει τη συντήρηση των σωληνώσεων και εξαλείφει το ράγισμα λόγω κόπωσης σε σημεία συγκέντρωσης τάσης. Το εύκαμπτο φθοροπολυμερές υλικό μετατρέπει την καταστροφική ενέργεια του υδραυλικού σοκ σε αβλαβή μοριακή κίνηση.
Οι μηχανικές συστάσεις για σχεδιασμό κάθετου πηνίου PTFE με βελτιστοποιημένη αποστράγγιση συμπυκνωμάτων είναι διαθέσιμες με την υποβολή της πίεσης ατμού, του απαιτούμενου καθήκοντος θέρμανσης, των διαστάσεων της δεξαμενής και των τρεχουσών παρατηρήσεων του σφυριού νερού.
