Aluminijska bronca koja desetljećima služi morskoj vodi
Aluminijska bronca legura je-na bazi bakra koja sadrži 5-11% aluminija, s dodacima željeza, nikla i mangana. Legura stvara zaštitni film od aluminijevog oksida koji je otporan na koroziju morske vode, a film se samo-oporavlja ako se ošteti. Stopa korozije u čistoj morskoj vodi obično je manja od 0,025 mm godišnje, što osigurava životni vijek od 20-30 godina za tipičnu debljinu stijenke cijevi.
Aluminijska bronca koristi se u izmjenjivačima topline morske vode jer kombinira odgovarajuću otpornost na koroziju s visokom toplinskom vodljivošću i umjerenom cijenom. Toplinska vodljivost je približno 60 W/m·K, što je otprilike 240 puta više od PTFE-a. Visoka vodljivost znači da su aluminijski brončani izmjenjivači topline kompaktni i relativno jeftini.
Ograničenje aluminijske bronce je njezina osjetljivost na eroziju-koroziju pri velikim brzinama protoka i napad sulfida u zagađenoj morskoj vodi. Granica erozije-korozije obično je 1,5–2,5 m/s za morsku vodu, iznad koje se zaštitni film mehanički uklanja i stopa korozije naglo raste. Do napada sulfidima dolazi kada morska voda sadrži sumporovodik, što je uobičajeno u zagađenim lukama i estuarijima. Sulfid reagira s bakrom u leguri i stvara bakreni sulfid, koji nije zaštitni.
PTFE koji eliminira mehanizme korozije
PTFE je otporan na morsku vodu pri svim koncentracijama i temperaturama unutar radnog raspona. Materijal ne korodira, a vijek trajanja određen je mehaničkim čimbenicima, a ne kemijskim djelovanjem. PTFE nije osjetljiv na eroziju-koroziju pri velikim brzinama protoka i ne napadaju ga sulfidi ili kloridi.
Uklanjanje mehanizama korozije je primarni razlog zašto je PTFE specificiran za morsku vodu gdje aluminijska bronca ne bi uspjela. PTFE jedinica ne razvija eroziju-koroziju ili sulfidni napad koji ograničava radni vijek aluminijske bronce, a učinak prijenosa topline ostaje stabilan tijekom radnog vijeka.
Razmak toplinske vodljivosti
Toplinska vodljivost aluminijske bronce je približno 60 W/m·K, u usporedbi s 0,25 W/m·K za PTFE. Omjer je otprilike 240:1.
Za izmjenjivač topline koji odbija 100 kW u morskoj vodi na 30 stupnjeva, jedinica od aluminijske bronce zahtijeva približno 5 m² površine, na temelju ukupnog koeficijenta prijenosa topline od 1000 W/m²·K i logaritamske srednje temperaturne razlike od 20 stupnjeva. PTFE jedinica za isti rad zahtijeva približno 25 m² površine, na temelju ukupnog koeficijenta od 200 W/m·K i iste temperaturne razlike.
PTFE jedinica je 5 puta veća od aluminijske brončane jedinice. Veća veličina povećava kapitalne troškove, prostor i volumen tekućine. Niži toplinski tok smanjuje temperaturu stijenke cijevi, što je korisno za proces, ali veća površina također daje više površine za naslage i zahtijeva više vremena za čišćenje.
Granica erozije-korozije aluminijske bronce
Granica erozije-korozije je brzina protoka iznad koje se zaštitni film na aluminijskoj bronci mehanički uklanja i stopa korozije naglo raste. Granica ovisi o sastavu legure, kemiji morske vode i geometriji cijevi.
Za standardnu aluminijsku broncu u čistoj morskoj vodi granica erozije-korozije obično je 1,5–2,5 m/s. Iznad ove brzine, stopa korozije može se povećati za faktor od pet do deset, a životni vijek se smanjuje s 20-30 godina na 3-5 godina.
Granica erozije-korozije kritičan je parametar dizajna za izmjenjivače topline od aluminijske bronce. Brzina-strane cijevi mora se održavati ispod granice, što može zahtijevati veći promjer cijevi ili manju brzinu protoka. Veći promjer cijevi povećava veličinu izmjenjivača topline i kapitalne troškove.
PTFE nema granicu erozije-korozije u istom smislu. Materijal nije podložan mehaničkom uklanjanju zaštitnog filma jer zaštitnog filma nema. PTFE izmjenjivač topline može raditi pri većim brzinama protoka bez rizika od erozije-korozije, što pruža veću fleksibilnost u dizajnu.
Sulfidni napad na aluminijsku broncu
Napad sulfidima događa se kada morska voda sadrži sumporovodik, što je uobičajeno u zagađenim lukama, estuarijima i područjima industrijskog ispuštanja. Sulfid reagira s bakrom u aluminijskoj bronci i stvara bakreni sulfid, koji nije zaštitni. Brzina korozije se naglo povećava, a radni vijek se smanjuje s 20-30 godina na 1-3 godine.
Napad sulfida je lokalizirani fenomen koji počinje na krajevima cijevi i na spojevima cijevi-na-cijevne ploče, gdje je brzina protoka mala, a koncentracija sulfida visoka. Napad se manifestira kao piting, koji prodire kroz stijenku cijevi i uzrokuje curenje.
PTFE nije napadnut sulfidom. Materijal je otporan na sumporovodik pri svim koncentracijama i temperaturama unutar radnog raspona. Ovo je glavni razlog zašto je PTFE specificiran za korištenje morske vode u zagađenim lukama i ušćima.
Usporedba dva materijala u izmjeni topline morske vode
Sljedeća tablica sažima performanse i troškovne karakteristike PTFE i aluminijskih brončanih izmjenjivača topline u usluzi izmjene topline morske vode na 30 stupnjeva s čistom morskom vodom i brzinom protoka od 1,5 m/s.
| Karakteristično | Aluminijski brončani izmjenjivač topline | PTFE izmjenjivač topline | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplinska vodljivost | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Aluminijska bronca |
| Ukupni koeficijent prolaza topline | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Aluminijska bronca |
| Potrebna površina za 100 kW | 5 m² | 25 m² | Aluminijska bronca |
| Kemijska otpornost na čistu morsku vodu | Izvrsno | Izvrsno | Jednak |
| Kemijska otpornost na morsku vodu-kontaminiranu sulfidima | Jadno | Izvrsno | PTFE |
| Erozija-granica korozije | 1.5–2.5 m/s | Nijedan | PTFE |
| Maksimalna radna temperatura | 200 stupnjeva | 260 stupnjeva | PTFE |
| Mehanička čvrstoća | visoko | Umjereno | Aluminijska bronca |
| Otpornost na toplinski udar | Umjereno | visoko | PTFE |
| Mogućnost popravka | ograničeno | Dobro | PTFE |
| Vijek trajanja u čistoj morskoj vodi | 20–30 godina | 15–20 godina | Aluminijska bronca |
| Životni vijek u morskoj-kontaminiranoj morskoj vodi | 1–3 godine | 15–20 godina | PTFE |
| Kapitalni trošak za rad od 100 kW | $45,000 | $52,000 | Aluminijska bronca |
| Trošak instalacije | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Godišnji trošak održavanja | $2,000 | $3,000 | Aluminijska bronca |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak (čista morska voda) | $91,000 | $92,000 | Jednak |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak (kontaminirano-sulfidom) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Pet{0}}vrijednosti ukupne cijene pretpostavljaju vrijednost proizvodnje od 600 USD po satu i uključuju kapitalne troškove, troškove instalacije i troškove održavanja tijekom pet godina. Slučaj-kontaminiran sulfidom pretpostavlja jednu zamjenu izmjenjivača topline tijekom pet godina za jedinicu od aluminijske bronce.
Kada je aluminijska bronca bolji izbor
Aluminijska bronca je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Usluga čiste morske vode.Kada je morska voda čista i brzina protoka ispod granice erozije-korozije, aluminijska bronca pruža izvrsne performanse uz niže kapitalne troškove.
Usluga niske-brzine.Kada je brzina protoka ispod 1,5 m/s, rizik od erozije-korozije je nizak, a aluminijska bronca je bolji izbor.
Prostor{0}}ograničene instalacije.Kada je raspoloživi prostor jako ograničen, manja jedinica od aluminijske bronce može biti jedina izvediva opcija. PTFE jedinica bi zahtijevala 5 puta veću površinu, što možda neće stati u raspoloživi prostor.
Usluga visokog{0}}tlaka.Aluminijska bronca ima veću mehaničku čvrstoću od PTFE-a i može izdržati veće pritiske. Za rad s morskom vodom pri tlakovima iznad 10 bara, aluminijska bronca može biti jedina održiva opcija.
Kada je PTFE bolji izbor
PTFE je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Morska voda-kontaminirana sulfidima.PTFE je otporan na sulfide, dok je aluminijska bronca napadnuta. Za usluge morske vode u zagađenim lukama i estuarijima, PTFE je bolji izbor.
Usluga velike-brzine.PTFE nema granicu erozije-korozije, što ga čini prikladnim za rad pri velikim brzinama protoka.
Usluga termocikliranja.PTFE ima veću otpornost na toplinske udare od aluminijske bronce, što ga čini pogodnim za rad s čestim promjenama temperature.
Servis koji se može popraviti.PTFE izmjenjivači topline mogu se popraviti na licu mjesta od strane kvalificiranog tehničara, što smanjuje vrijeme zastoja i gubitak proizvodnje.
Zahtjev za dug radni vijek u kontaminiranoj morskoj vodi.Kada je morska voda onečišćena i očekuje se da će izmjenjivač topline imati vijek trajanja od 10 ili više godina, PTFE je bolji izbor jer je otporan na kemijski napad tijekom duljeg razdoblja.
Značajke dizajna koje produljuju vijek trajanja
Nekoliko značajki dizajna produljuje životni vijek i PTFE i aluminijskih brončanih izmjenjivača topline u morskoj vodi.
Kontrola brzine protoka.Održavanje brzine protoka ispod granice erozije-korozije smanjuje brzinu korozije aluminijske bronce.
Praćenje sulfida.Praćenje koncentracije sulfida u morskoj vodi omogućuje operateru prebacivanje na drugi izvor hlađenja ako koncentracija sulfida poraste iznad praga.
Katodna zaštita.Žrtvene anode ili sustav katodne zaštite pod utjecajem struje mogu smanjiti stopu korozije aluminijske bronce.
Na-odredbe za čišćenje mjesta.Priključci za dovod i povrat otopine za čišćenje omogućuju čišćenje izmjenjivača topline bez rastavljanja, čime se smanjuju zastoji i gubici u proizvodnji.
Praćenje temperature.Senzori temperature na ulazu i izlazu izmjenjivača topline omogućuju praćenje performansi prijenosa topline, što omogućuje rano otkrivanje onečišćenja ili degradacije.
Parametri specifikacije za izmjenu topline morske vode
Inženjeri opreme koji procjenjuju PTFE i aluminijske brončane izmjenjivače topline za izmjenu topline morske vode trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Kemija morske vode.Navedite koncentraciju klorida, koncentraciju sulfida i bilo koje druge onečišćenja.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Brzina protoka.Navedite maksimalnu brzinu protoka i granicu erozije-korozije za aluminijsku broncu.
Radni tlak.Navedite maksimalni radni tlak.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu za svaku opciju materijala.
Ograničenja prostora.Navedite raspoloživi prostor i najveći dopušteni otisak.
Mogućnost održavanja.Navedite sposobnost održavanja objekta, uključujući mogućnost popravka izmjenjivača topline na licu mjesta.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Usklađivanje odabira materijala s uvjetima korištenja morske vode
Odabir između PTFE i aluminijskih brončanih izmjenjivača topline u izmjeni topline morske vode ovisi o kemijskom sastavu morske vode, brzini protoka, prostornim ograničenjima i zahtjevima za životni vijek. Aluminijska bronca ima veću toplinsku vodljivost i zahtijeva manje površine, ali je osjetljiva na eroziju-koroziju i napad sulfida. PTFE ima nižu toplinsku vodljivost i zahtijeva veću površinu, ali je otporan na sve kontaminante morske vode i brzine protoka.
Odluka o odabiru trebala bi se temeljiti na-specifičnoj analizi objekta koja uključuje kapitalni trošak, trošak instalacije, trošak održavanja i izloženost gubitku proizvodnje. Jednostavan model proračunske tablice s ovim komponentama troškova pruža informacije potrebne za donošenje odluke.
Za objekte za izmjenu topline s morskom vodom koji procjenjuju opcije izmjenjivača topline, odabir materijala trebao bi se temeljiti na ukupnom trošku vlasništva tijekom očekivanog radnog vijeka, a ne samo na kapitalnom trošku ili toplinskoj učinkovitosti. Jedinica od aluminijske bronce s nižim kapitalnim troškovima može imati veće troškove tijekom vijeka trajanja ako je morska voda onečišćena i jedinica zahtijeva čestu zamjenu.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za izmjenu topline s morskom vodom ili druge korozivne usluge mogu zatražiti pregled dizajna koji pokriva kemijski sastav morske vode, radnu temperaturu, brzinu protoka, radni tlak i prostorna ograničenja kako bi potvrdili da je izbor materijala usklađen sa stvarnim uvjetima rada i strukturom troškova objekta.
