The Thermal Cycling Extreme
Μια γραμμή επιμετάλλωσης σκληρού χρωμίου λειτουργεί δύο βάρδιες καθημερινά. Οι πινακίδες πρωινής βάρδιας στους 55 βαθμούς . Στη συνέχεια, το λουτρό ψύχεται στους 30 βαθμούς για μια απογευματινή διαδικασία χρησιμοποιώντας την ίδια δεξαμενή. Ο εναλλάκτης θερμότητας PTFE παρέχει ατμό στα 4 barg για θέρμανση και στη συνέχεια λαμβάνει κρύο νερό στους 7 βαθμούς για ψύξη. Η θερμοκρασία του τοιχώματος του σωλήνα μεταβάλλεται από περίπου 140 μοίρες σε 10 μοίρες και επανέρχεται{10}2 φορές την ημέρα, 600 φορές το χρόνο, 6.000 φορές τη δεκαετία.
Αυτή η λειτουργία δεν είναι σταθερή-κατάσταση με περιστασιακούς τερματισμούς λειτουργίας. Είναι σκόπιμη, επαναλαμβανόμενη θερμική κυκλοποίηση στο επίπεδο σχεδιασμού της διαδικασίας. Ο εναλλάκτης θερμότητας PTFE πρέπει να κατασκευαστεί ειδικά για αυτήν την κυκλική υπηρεσία. Ένας τυπικός σχεδιασμός για συνεχή λειτουργία θέρμανσης θα συσσωρεύσει ζημιές από κόπωση με επιταχυνόμενο ρυθμό.
Ο Μηχανισμός Θερμικής Κόπωσης
Κάθε μετάβαση από θέρμανση-σε-ψύξη επιβάλλει έναν πλήρη κύκλο θερμικής καταπόνησης στους σωλήνες PTFE. Όταν οι θερμοί σωλήνες στους 140 βαθμούς έρχονται σε επαφή με κρύο νερό στους 7 βαθμούς, η εξωτερική επιφάνεια συστέλλεται γρήγορα ενώ το εσωτερικό τοίχωμα, ακόμα ζεστό, αντιστέκεται στη συστολή. Μια παροδική εφελκυστική τάση-πάχους αναπτύσσεται στην εξωτερική επιφάνεια.
Το PTFE αντιμετωπίζει αυτή την πίεση μέσω ιξωδοελαστικής χαλάρωσης-οι αλυσίδες πολυμερούς αναδιοργανώνονται για να ανακουφίσουν την πίεση. Αυτή η χαλάρωση συμβαίνει μέσα σε λίγα λεπτά. Εάν η θερμική μετάβαση είναι πιο αργή από τον χρόνο χαλάρωσης, οι τάσεις παραμένουν χαμηλές. Εάν η μετάβαση είναι γρήγορη, οι τάσεις μπορεί να υπερβούν τη βραχυπρόθεσμη- αντοχή του υλικού.
Η επαναλαμβανόμενη ποδηλασία, ακόμη και σε καταπονήσεις κάτω από το άμεσο όριο αστοχίας, συσσωρεύει ζημιές από κόπωση. Στο PTFE, η κόπωση εκδηλώνεται ως μικρο-σχηματισμός και ανάπτυξη κενών, όχι ως αιχμηρό ράγισμα όπως στα μέταλλα. Τα μικρο-κενά συνενώνονται σε χιλιάδες κύκλους, μειώνοντας την πυκνότητα και τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η αραίωση τοίχων επιταχύνεται. Τελικά εμφανίζεται διαρροή.
Πίνακας 1: Κριτήρια σχεδίασης θερμικής ανακύκλωσης για εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε εναλλασσόμενη υπηρεσία
| Κριτήριο σχεδίασης | Σχεδιασμός Συνεχούς Θέρμανσης | Κυκλική θέρμανση-Σχεδιασμός ψύξης | Το σκεπτικό για την αλλαγή |
|---|---|---|---|
| Πάχος τοιχώματος σωλήνα | Στάνταρ 1,0 mm | 1,5 mm ελάχιστο | Κλίμακα ζωής κόπωσης με πάχος τοιχώματος |
| Έλεγχος ρυθμού μετάβασης | Δεν ισχύει | Αυτοματοποιημένες βαλβίδες ράμπας. μέγιστη 5 μοίρες /λεπτό | Αποτρέπει το θερμικό σοκ |
| Παροχή επέκτασης | Τυπικός βρόχος ή κανένας | Υποχρεωτικοί βρόχοι επέκτασης σε όλα τα περάσματα | Υποστηρίζει το διπλάσιο εύρος επέκτασης |
| Τύπος στήριξης σωλήνα | Άκαμπτες πλάκες οδήγησης | Οδηγοί με ελαστομερή-επένδυση | Μειωμένο άγχος στα σημεία στήριξης κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας |
| Σύνδεση πολλαπλής | Τυπική συμπίεση | Ενισχυμένη συμπίεση με εύκαμπτη ουρά | Απορροφά την κυκλική πολλαπλή κίνηση |
| Εναλλαγή συμπυκνώματος/κρύου νερού | Χειροκίνητες βαλβίδες απομόνωσης | Αυτοματοποιημένο διπλ-μπλοκ-και-αιμορραγία | Αποτρέπει τη διασταυρούμενη-μόλυνση. εξασφαλίζει πλήρη αποστράγγιση μεταξύ των κύκλων |
| Διάρκεια ζωής κύκλου σχεδίασης | Δεν διευκρινίζεται | 10,000+ πλήρεις θερμικοί κύκλοι | 15+ έτος υπηρεσίας με 600 κύκλους/έτος |
| Προδιαγραφές παγίδας ατμού | Τυπική παγίδα F&T | F&T με θερμικό αεραγωγό. χαμηλή υποψύξη | Χειρίζεται τη γρήγορη μετάβαση από τη λειτουργία ψύξης στη θέρμανση |
Αλλαγή συμπυκνώματος και κρύου νερού
Η μετάβαση από τη λειτουργία θέρμανσης στη λειτουργία ψύξης απαιτεί καθαρισμό του ατμού και του συμπυκνώματος από τους σωλήνες πριν από την εισαγωγή κρύου νερού. Ο υπολειπόμενος ατμός συμπυκνώνεται και δημιουργεί κενό που μπορεί να καταρρεύσει τους σωλήνες. Το υπολειμματικό συμπύκνωμα αραιώνει το κρύο νερό και παγώνει στην είσοδο κρύου νερού εάν οι θερμοκρασίες είναι αρκετά χαμηλές.
Το σύστημα εναλλαγής χρησιμοποιεί αυτοματοποιημένες βαλβίδες με ασφάλειες. Η σειρά θέρμανσης-προς-ψύξης κλείνει τη βαλβίδα παροχής ατμού, ανοίγει τη βαλβίδα αποστράγγισης συμπυκνώματος για μια χρονική περίοδο απενεργοποίησης και, στη συνέχεια, ανοίγει αργά τη βαλβίδα παροχής κρύου νερού μέσω ενός ελεγκτή ράμπας. Η ακολουθία ψύξης-σε-θέρμανσης αντιστρέφει τη διαδικασία: αποστράγγιση κρύου νερού, επανα-συμπίεση του συστήματος συμπυκνώματος, αργή εισαγωγή ατμού.
Οι ρυθμίσεις των βαλβίδων διπλού-μπλοκαρίσματος-και-εξαέρωσης στη διεπαφή ατμού-κρύου νερού αποτρέπουν τη διασταυρούμενη-μόλυνση κατά τη μετάβαση.
Σχεδιασμός αρμών επέκτασης για εκτεταμένο εύρος
Ένας συνεχώς θερμαινόμενος σωλήνας PTFE διαστέλλεται από το περιβάλλον σε περίπου 140 μοίρες -μια αύξηση θερμοκρασίας 120 μοιρών που παράγει περίπου 14 mm διαστολής ανά μέτρο μήκους σωλήνα. Ένας κύκλος σωλήνας διαστέλλεται από 10 μοίρες (λειτουργία ψύξης) σε 140 μοίρες (λειτουργία θέρμανσης)-μια αλλαγή θερμοκρασίας 130 μοιρών που παράγει περίπου 16 mm διαστολής ανά μέτρο. Η πρόσθετη επέκταση, αν και μέτρια ανά κύκλο, συσσωρεύεται σε χιλιάδες κύκλους.
Οι βρόχοι επέκτασης που έχουν σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία θέρμανσης ενδέχεται να είναι μικρότεροι για το κυκλικό εύρος. Ο κυκλικός σχεδιασμός περιλαμβάνει μεγαλύτερους βρόχους ή πρόσθετα εύκαμπτα τμήματα για να εξυπηρετεί την πλήρη θερμική κίνηση χωρίς να-υπερβολιάζουν κάμψεις ή συνδέσεις πολλαπλών.
Περίληψη
Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE που έχει σχεδιαστεί για ταυτόχρονους κύκλους θέρμανσης και ψύξης σε μία μόνο βάρδια απαιτεί συγκεκριμένα κριτήρια σχεδιασμού πέρα από την τυπική κατασκευή συνεχούς-καθήκοντος. Το αυξημένο πάχος τοιχώματος παρέχει περιθώριο ζωής κόπωσης. Ο αυτοματοποιημένος έλεγχος μετάβασης αποτρέπει το θερμικό σοκ. Οι βρόχοι επέκτασης έχουν μέγεθος για το πλήρες θερμικό εύρος. Η βαλβίδα αλλαγής εξασφαλίζει πλήρη καθαρισμό μεταξύ των τρόπων λειτουργίας.
Οι πρόσθετες διατάξεις σχεδιασμού επιτρέπουν αξιόπιστη εξυπηρέτηση μέσω 10,000+ πλήρεις θερμικών κύκλων, που αντιπροσωπεύουν δεκαετίες λειτουργίας σε τυπικές συχνότητες ανακύκλωσης γραμμής επιμετάλλωσης. Τα τυπικά σχέδια χωρίς αυτές τις διατάξεις συσσωρεύουν ζημιές από κόπωση και παρουσιάζουν πρόωρη αστοχία στην κυκλική υπηρεσία.
Η μηχανική ανάλυση για τον σχεδιασμό του κυκλικού εναλλάκτη θερμότητας PTFE είναι διαθέσιμη με την υποβολή των θερμοκρασιών θέρμανσης και ψύξης, της συχνότητας κύκλου, των χρονικών περιορισμών μετάβασης, των διαθέσιμων συνθηκών ατμού και κρύου νερού και της αναμενόμενης διάρκειας ζωής του εξοπλισμού.
