Τι περιορίζει τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE σε σύγκριση με τις μεταλλικές μονάδες σε εφαρμογές ατμού υψηλής-πίεσης;

Ο πίνακας Steam που καθορίζει το όριο

Ένα χημικό εργοστάσιο που απαιτεί 150 kW θερμότητας σε θερμοκρασία διεργασίας 160 βαθμών έχει πρόσβαση σε ατμό στα 12 bar, το οποίο παρέχει κορεσμένη θερμοκρασία 191 βαθμών. Ο μεταλλικός εναλλάκτης θερμότητας που καθορίζεται για αυτήν την εργασία είναι μια μονάδα-και-σωλήνα με τοίχωμα σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα 6 mm. Η εναλλακτική λύση PTFE πρέπει να αξιολογηθεί έναντι της ίδιας υποχρέωσης.

Στα 12 bar και 191 μοίρες, η πίεση κορεσμένου ατμού είναι αρκετά εντός της περιοχής των μεταλλικών εναλλάκτη θερμότητας. Για το PTFE, ο πρώτος περιορισμός είναι η μέγιστη πίεση λειτουργίας. Οι τυπικοί εναλλάκτες θερμότητας PTFE αξιολογούνται για 0,5–1,0 MPa (5–10 bar) σε μέτρια θερμοκρασία, αλλά η ονομαστική πίεση μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Στους 190 βαθμούς, η επιτρεπόμενη πίεση λειτουργίας για έναν τυπικό σωλήνα PTFE μπορεί να είναι 0,3–0,5 MPa, η οποία είναι κάτω από την απαιτούμενη πίεση ατμού.

Ο δεύτερος περιορισμός είναι η ισχύς που εξαρτάται από τη θερμοκρασία-. Το PTFE διατηρεί περίπου το 50% της αντοχής του σε εφελκυσμό σε θερμοκρασία δωματίου- στους 190 βαθμούς και ο ρυθμός ερπυσμού αυξάνεται σημαντικά. Το τοίχωμα του σωλήνα πρέπει να είναι παχύτερο για να αντέχει την πίεση στην αυξημένη θερμοκρασία, η οποία αυξάνει τη θερμική αντίσταση και μειώνει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.

Ο τρίτος περιορισμός είναι η εσωτερική τάση που αναπτύσσεται όταν το τοίχωμα του σωλήνα θερμαίνεται από τον ατμό. Η πλευρά ατμού του σωλήνα είναι στις 191 μοίρες και η πλευρά της διαδικασίας είναι στις 160 μοίρες, γεγονός που δημιουργεί μια διαφορά θερμοκρασίας 31 μοιρών στον τοίχο. Σε ένα υλικό χαμηλής-αγωγιμότητας, αυτή η διαφορά θερμοκρασίας παράγει σημαντική θερμική τάση που προσθέτει στην πίεση πίεσης.

Το όριο περιορισμού της πίεσης

Ο περιορισμός της πίεσης είναι ο πιο θεμελιώδης περιορισμός. Η τάση στεφάνης σε έναν σωλήνα με λεπτά τοιχώματα υπό εσωτερική πίεση είναι ανάλογη με την πίεση και τη διάμετρο του σωλήνα και αντιστρόφως ανάλογη με το πάχος του τοιχώματος. Για σωλήνα PTFE με εξωτερική διάμετρο 6 mm και τοίχωμα 1,0 mm, η τάση στεφάνης σε εσωτερική πίεση 10 bar είναι περίπου 30 MPa. Η αντοχή εφελκυσμού του PTFE στους 190 μοίρες είναι περίπου 10–12 MPa, πράγμα που σημαίνει ότι ο σωλήνας δεν μπορεί να συγκρατήσει την πίεση με επαρκή συντελεστή ασφαλείας.

Η αύξηση του πάχους του τοιχώματος μειώνει την τάση του στεφάνου αλλά αυξάνει τη θερμική αντίσταση. Ένα τοίχωμα 2,0 mm μειώνει την τάση στεφάνης στα 15 MPa, που είναι εντός του ορίου αντοχής, αλλά η θερμική αντίσταση διπλασιάζεται και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μειώνεται. Ο εναλλάκτης θερμότητας πρέπει να είναι μεγαλύτερος για αντιστάθμιση, γεγονός που αυξάνει το κόστος κεφαλαίου και την απαίτηση χώρου.

Η εναλλακτική λύση είναι να μειωθεί η διάμετρος του σωλήνα. Ένας σωλήνας εξωτερικής διαμέτρου 3 mm με τοίχωμα 1,0 mm έχει τάση στεφάνης 15 MPa στα 10 bar, η οποία είναι εντός του ορίου αντοχής. Ο μικρότερης διαμέτρου σωλήνας έχει μεγαλύτερη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου, η οποία αντισταθμίζει εν μέρει τον χαμηλότερο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.

Το όριο θερμοκρασίας-εξαρτώμενης αντοχής

Η αντοχή εφελκυσμού του PTFE μειώνεται με τη θερμοκρασία. Στους 20 βαθμούς, η αντοχή εφελκυσμού είναι περίπου 25–30 MPa. Στους 100 βαθμούς, είναι περίπου 15–18 MPa. Στους 190 βαθμούς, είναι περίπου 10–12 MPa. Σε 250 μοίρες, είναι περίπου 5–6 MPa.

Η φθίνουσα αντοχή περιορίζει την επιτρεπόμενη τάση και την επιτρεπόμενη πίεση. Ένας εναλλάκτης θερμότητας που είναι βαθμολογημένος για 10 bar στους 100 βαθμούς μπορεί να αξιολογηθεί μόνο για 4–5 bar στους 190 βαθμούς. Ο συντελεστής μείωσης είναι συνήθως 0,5–0,6 στους 190 μοίρες σε σύγκριση με την τιμή θερμοκρασίας δωματίου{10}}.

Η μείωση δεν είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας. Η αντοχή μειώνεται αργά έως και 150 μοίρες και πιο γρήγορα πάνω από 200 μοίρες. Το πρακτικό όριο για την υπηρεσία ατμού υψηλής{4}πίεσης είναι περίπου 150–180 μοίρες, πάνω από τις οποίες η ονομαστική πίεση γίνεται πολύ χαμηλή για τα περισσότερα βιομηχανικά συστήματα ατμού.

Το όριο ερπυσμού

Ο ερπυσμός είναι η αργή παραμόρφωση ενός υλικού υπό παρατεταμένο φορτίο. Το PTFE σέρνεται σε θερμοκρασία δωματίου και ο ρυθμός ερπυσμού αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Στις 190 μοίρες, ο ρυθμός ερπυσμού μπορεί να είναι 10-20 φορές υψηλότερος από ό,τι στις 20 μοίρες.

Σε έναν εναλλάκτη θερμότητας, ο ερπυσμός εκδηλώνεται ως αργή αύξηση της διαμέτρου του σωλήνα και αργή μείωση στο πάχος του τοιχώματος. Ο σωλήνας διαστέλλεται υπό την εσωτερική πίεση και το τοίχωμα λεπταίνει. Με την πάροδο του χρόνου, ο σωλήνας μπορεί να σπάσει ή η άρθρωση του σωλήνα-στο-του φύλλου σωλήνα μπορεί να διαρρεύσει.

Το όριο ερπυσμού τυπικά εκφράζεται ως η μέγιστη τάση που παράγει λιγότερο από 1% καταπόνηση σε 10.000 ώρες. Για PTFE στις 190 μοίρες, αυτή η τάση είναι περίπου 3–4 MPa, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από την αντοχή εφελκυσμού. Το όριο ερπυσμού, όχι η αντοχή σε εφελκυσμό, είναι η παράμετρος ελέγχου για-μακροχρόνια υπηρεσία.

Το όριο θερμικής καταπόνησης

Η θερμική τάση στο τοίχωμα του σωλήνα είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας σε όλο το τοίχωμα, τον συντελεστή θερμικής διαστολής και το μέτρο ελαστικότητας. Για το PTFE, ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι περίπου 12 × 10-5 / βαθμός και ο συντελεστής στους 190 βαθμούς είναι περίπου 200 MPa.

Για διαφορά θερμοκρασίας 31 μοιρών κατά μήκος του τοίχου, η θερμική τάση είναι περίπου 7,4 MPa. Αυτή η τάση προσθέτει στην πίεση πίεσης και μειώνει την επιτρεπόμενη πίεση. Σε μια εφαρμογή ατμού υψηλής-πίεσης, η θερμική τάση μπορεί να είναι ένα σημαντικό κλάσμα της συνολικής τάσης και πρέπει να περιλαμβάνεται στον υπολογισμό του σχεδιασμού.

Η θερμική καταπόνηση μπορεί να μειωθεί μειώνοντας τη διαφορά θερμοκρασίας στον τοίχο, που σημαίνει μείωση της ροής θερμότητας. Μια χαμηλότερη ροή θερμότητας απαιτεί μεγαλύτερη επιφάνεια, η οποία αυξάνει το κόστος κεφαλαίου.

Σύγκριση PTFE και μεταλλικών μονάδων στην υπηρεσία ατμού υψηλής-πίεσης

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τα χαρακτηριστικά απόδοσης και κόστους των εναλλάκτη θερμότητας PTFE και ανοξείδωτου χάλυβα σε υπηρεσία ατμού υψηλής- πίεσης στα 12 bar και 191 μοίρες .

Οι τιμές συνολικού κόστους πέντε-ετών προϋποθέτουν αξία παραγωγής 500 $ ανά ώρα και περιλαμβάνουν το κόστος κεφαλαίου, το κόστος εγκατάστασης και το κόστος συντήρησης για πέντε χρόνια.

Όταν το PTFE εξακολουθεί να είναι η καλύτερη επιλογή

Παρά τους μηχανικούς περιορισμούς, το PTFE εξακολουθεί να είναι η καλύτερη επιλογή σε αρκετές εφαρμογές ατμού υψηλής-πίεσης.

Σέρβις διαβρωτικών συμπυκνωμάτων.Εάν το συμπύκνωμα ατμού περιέχει διαβρωτικά είδη όπως χλωρίδια ή φθοριούχα, η μονάδα από ανοξείδωτο χάλυβα μπορεί να διαβρωθεί, ενώ η μονάδα PTFE είναι ανθεκτική.

Υπηρεσία ατμού χαμηλής-πίεσης.Σε πιέσεις ατμού κάτω από 5 bar και θερμοκρασίες κάτω από 150 μοίρες, οι μηχανικοί περιορισμοί PTFE είναι λιγότερο σοβαροί και η μονάδα PTFE μπορεί να είναι ανταγωνιστική.

Υψηλής-καθαρότητας υπηρεσία.Εάν το ρευστό διεργασίας είναι ευαίσθητο στη μόλυνση από μεταλλικά ιόντα, η μονάδα PTFE είναι η καλύτερη επιλογή επειδή δεν εκπλένει μεταλλικά ιόντα.

Υπηρεσία μικρού θερμικού φορτίου.Για μικρά θερμικά φορτία, η μεγαλύτερη επιφάνεια της μονάδας PTFE είναι λιγότερο περιορισμός και το χαμηλότερο κόστος κεφαλαίου μπορεί να ευνοήσει το PTFE.

Υπηρεσία μετασκευής.Εάν ο υπάρχων εναλλάκτης θερμότητας είναι μονάδα PTFE και η πίεση ατμού είναι αυξημένη, η μονάδα PTFE μπορεί να εξακολουθεί να είναι επαρκής εάν η πίεση είναι εντός του μειωμένου ορίου.

Τροποποιήσεις σχεδίασης που επεκτείνουν το όριο πίεσης PTFE

Αρκετές σχεδιαστικές τροποποιήσεις επεκτείνουν το όριο πίεσης των εναλλάκτη θερμότητας PTFE στην υπηρεσία ατμού υψηλής-πίεσης.

Μικρότερη διάμετρος σωλήνα.Ένας σωλήνας μικρότερης διαμέτρου έχει μικρότερη τάση στεφάνης για την ίδια πίεση και πάχος τοιχώματος. Ένας σωλήνας 3 mm μπορεί να αντέξει υψηλότερη πίεση από έναν σωλήνα 6 mm με το ίδιο πάχος τοιχώματος.

Πιο παχύ τοίχωμα σωλήνα.Ένα παχύτερο τοίχωμα μειώνει την τάση του στεφάνου αλλά αυξάνει τη θερμική αντίσταση. Το πάχος του τοιχώματος πρέπει να βελτιστοποιηθεί για τις συγκεκριμένες απαιτήσεις πίεσης και μεταφοράς θερμότητας.

Ενισχυμένη κατασκευή σωλήνα.Ένας σωλήνας PTFE με μεταλλική ή σύνθετη ενίσχυση μπορεί να αντέξει υψηλότερη πίεση από έναν μη ενισχυμένο σωλήνα. Η ενίσχυση μπορεί να είναι μια συρμάτινη πλεξούδα, ένα σπειροειδές περιτύλιγμα ή ένα σύνθετο στρώμα.

Μειωμένη θερμοκρασία λειτουργίας.Η μείωση της θερμοκρασίας του ατμού μειώνει τη θερμική καταπόνηση και αυξάνει την αντοχή του υλικού. Μια χαμηλότερη πίεση ατμού ή ένας υπερθερμαντήρας μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία.

Μειωμένη ροή θερμότητας.Μια χαμηλότερη ροή θερμότητας μειώνει τη διαφορά θερμοκρασίας στον τοίχο και τη θερμική καταπόνηση. Απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια, η οποία αυξάνει το κόστος κεφαλαίου.

Πλωτό φύλλο σωλήνα.Ένα αιωρούμενο φύλλο σωλήνα μειώνει την αξονική τάση στους σωλήνες και το φύλλο σωλήνα, γεγονός που βελτιώνει τη συγκράτηση της πίεσης.

Παράμετροι προδιαγραφών για την υπηρεσία ατμού υψηλής πίεσης-

Οι μηχανικοί εξοπλισμού που αξιολογούν τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE για την υπηρεσία ατμού υψηλής-πίεσης θα πρέπει να επιβεβαιώσουν τις ακόλουθες παραμέτρους με τον προμηθευτή.

Πίεση και θερμοκρασία ατμού.Καθορίστε τη μέγιστη πίεση ατμού και την κορεσμένη θερμοκρασία.

Θερμοκρασία διεργασίας.Καθορίστε τη θερμοκρασία του υγρού διεργασίας και τη θερμοκρασία προσέγγισης.

Διάμετρος σωλήνα και πάχος τοιχώματος.Καθορίστε τη διάμετρο του σωλήνα και το πάχος του τοιχώματος με βάση τις απαιτήσεις πίεσης και μεταφοράς θερμότητας.

Αξιολόγηση πίεσης.Καθορίστε την ονομαστική πίεση στη θερμοκρασία λειτουργίας και όχι σε θερμοκρασία δωματίου.

Όριο ερπυσμού.Καθορίστε το όριο ερπυσμού και τη μέγιστη επιτρεπόμενη καταπόνηση για-μακροπρόθεσμη εξυπηρέτηση.

Θερμική καταπόνηση.Προσδιορίστε τον υπολογισμό της θερμικής τάσης και την επιτρεπόμενη τάση.

Ενίσχυση.Προσδιορίστε εάν ο σωλήνας είναι ενισχυμένος και ο τύπος του οπλισμού.

Απαίτηση διάρκειας ζωής.Καθορίστε την αναμενόμενη διάρκεια ζωής και το πρόγραμμα αντικατάστασης.

Αντιστοίχιση σχεδίασης PTFE με συνθήκες ατμού

Οι περιορισμοί των εναλλάκτη θερμότητας PTFE στην υπηρεσία ατμού υψηλής{{0}πίεσης είναι η συγκράτηση πίεσης, η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία-αντοχή, η ερπυστικότητα και η θερμική καταπόνηση. Αυτοί οι περιορισμοί μπορούν να αντιμετωπιστούν με τροποποιήσεις σχεδιασμού όπως μικρότερη διάμετρος σωλήνα, παχύτερο τοίχωμα, ενίσχυση και μειωμένη ροή θερμότητας. Το πρακτικό όριο για το PTFE στην υπηρεσία ατμού υψηλής-πίεσης είναι περίπου 5 bar στις 190 μοίρες , πάνω από το οποίο ο σχεδιασμός γίνεται ανέφικτος ή το κόστος κεφαλαίου γίνεται απαγορευτικό.

Η απόφαση επιλογής θα πρέπει να βασίζεται σε μια-συγκεκριμένη ανάλυση της εγκατάστασης που ενσωματώνει τις συνθήκες ατμού, τις απαιτήσεις διαδικασίας, το κόστος κεφαλαίου και το κόστος συντήρησης. Ένα απλό μοντέλο υπολογιστικού φύλλου με αυτές τις παραμέτρους παρέχει τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη λήψη της απόφασης.

Για εγκαταστάσεις υπηρεσιών ατμού υψηλής-πίεσης που αξιολογούν τις επιλογές εναλλάκτη θερμότητας, η επιλογή υλικού θα πρέπει να βασίζεται στο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας κατά την αναμενόμενη διάρκεια ζωής, όχι μόνο στο κόστος κεφαλαίου ή στη θερμική απόδοση. Μια μεταλλική μονάδα με υψηλότερο κόστος κεφαλαίου μπορεί να έχει χαμηλότερο κόστος ζωής εάν μπορεί να χειριστεί τις συνθήκες ατμού χωρίς μείωση.

Οι μηχανικοί εξοπλισμού και οι ειδικοί προμηθειών που αξιολογούν τις προδιαγραφές του εναλλάκτη θερμότητας PTFE για ατμό υψηλής-πίεσης ή άλλη απαιτητική υπηρεσία μπορούν να ζητήσουν αναθεώρηση σχεδιασμού που καλύπτει την πίεση ατμού, τη θερμοκρασία ατμού, τη διάμετρο σωλήνα, το πάχος τοιχώματος, την ονομαστική πίεση, το όριο ερπυσμού και τη θερμική καταπόνηση για να επιβεβαιώσουν ότι η μονάδα ταιριάζει με τις πραγματικές απαιτήσεις ατμού των συνθηκών και της διαδικασίας ατμού.