Prijetnja brzinom
Para koja ulazi u PTFE cijev izmjenjivača topline pri 25-35 m/s nosi uvučene kapljice kondenzata. Ove kapljice, putujući brzinom bliskom pari, udaraju u stijenku cijevi na zavojima, prijelazima kolektora i područjima poremećaja protoka. Svaki udarac daje mikroskopski mehanički impuls na PTFE površinu.
Pri malim brzinama viskoelastični polimer elastično apsorbira udarnu energiju. Površina se odbija bez oštećenja. Pri većim brzinama, kumulativni učinak milijuna udaraca kapljica proizvodi hrapavost površine, gubitak materijala i eventualno stanjivanje stijenke. Ovo je erozija-čisto mehaničko trošenje bez kemijske komponente.
Najveća dopuštena brzina pare je prag ispod kojeg je erozija tijekom projektiranog životnog vijeka zanemariva. Iznad ovog praga, erozija se akumulira do mjerljivog gubitka stijenke tijekom životnog vijeka opreme.
Mehanizam sudara kapljica
Kondenzat se kontinuirano stvara dok para oslobađa svoju latentnu toplinu. Dio kondenzata otječe kao film duž stijenke cijevi. Neki se uvlače kao kapljice u parnu jezgru velike-brzine. Na zavojima i preprekama, kapljice se centrifugalnom silom izbacuju prema van i udaraju o stijenku cijevi.
Pritisak kapljice vode na čvrstu površinu proporcionalan je pritisku vodenog udara: P=ρ × c × V, gdje je ρ gustoća vode, c je akustična brzina u vodi (približno 1500 m/s), a V je brzina udara kapljice. Pri brzini udarca od 30 m/s, trenutni tlak na mjestu udarca prelazi 45 MPa-što je dovoljno za lokalnu deformaciju PTFE-a.
Jedan udarac ne uzrokuje mjerljivu štetu. Ali parni sustav koji radi 6000 sati godišnje isporučuje stotine milijuna udara kapljica u stijenku cijevi tijekom jednog desetljeća. Kumulativni zamor od ponovljene mikro-deformacije na kraju proizvodi površinske pukotine, odvajanje čestica i mjerljivo stanjivanje stijenke.
Tablica 1: Ograničenja brzine pare za PTFE cijevi izmjenjivača topline
| Tlak pare (barg) | ID cijevi (mm) | Preporučena maksimalna brzina pare (m/s) | Apsolutna maksimalna brzina (m/s) | Rizik od erozije iznad apsolutne maks |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Umjereno (ogrubljenje unutar 5 godina) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Umjereno |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Umjereno |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Nizak-Umjeren (veći promjer smanjuje koncentraciju kapljica) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Umjereno |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Nizak (veći promjer; manja gustoća pare pri višem tlaku) |
Ograničenja brzine temeljena na podacima o otpornosti na eroziju PTFE-a i konzervativnoj ekstrapolaciji iz dugo-uslužnog iskustva. Apsolutni maksimum predstavlja brzinu iznad koje se očekuje mjerljiva erozija unutar 10 godina neprekidnog rada.
Veza frakcije suhoće
Ograničenja brzine pare pretpostavljaju udio suhoće od 98% ili više-što znači 2% ili manje uvučene vode po masi. Pri nižim udjelima suhoće, sadržaj povučene vode je veći, a rizik od erozije pri određenoj brzini proporcionalno raste.
Ako je kvaliteta pare ispod 98% suhoće, maksimalnu dopuštenu brzinu treba smanjiti za 10-15% kako bi se uračunalo povećano opterećenje kapljicama. Alternativno, separator pare instaliran uzvodno od izmjenjivača topline uklanja višak uvučene vode i vraća granicu projektirane brzine.
Izračun projektirane brzine
Brzina pare u svakoj cijevi izračunava se dijeljenjem volumetrijskog protoka pare po cijevi s površinom-presjeka cijevi. Ukupni maseni protok pare određuje se iz toplinske snage: maseni protok=toplinska snaga / latentna toplina pare.
Za PTFE izmjenjivač topline od 50 kW s 40 cijevi promjera 8 mm koji rade na pari od 3 bara, maseni protok po cijevi je približno 0,75 kg/h. Specifični volumen zasićene pare pri 3 bara je 0,46 m³/kg. Volumetrijski protok po cijevi je 0,35 m³/h. Površina poprečnog-presjeka cijevi je 5,0 × 10⁻⁵ m². Brzina pare je 1,9 m/s-u okviru sigurnih granica.
Izračun brzine treba izvesti tijekom faze projektiranja i provjeriti da je ispod preporučenog maksimuma. Za većinu PTFE izmjenjivača topline s odgovarajućim brojem cijevi, brzine pare su prirodno niske zbog višestrukih paralelnih putova protoka. Velika brzina je češći problem u malim izmjenjivačima s malo cijevi ili u sustavima gdje je dovodni tlak pare znatno iznad projektiranog tlaka.
Sažetak
Najveća dopuštena brzina pare unutar PTFE cijevi izmjenjivača topline je 20-30 m/s, ovisno o promjeru cijevi i tlaku pare, pri čemu 35-38 m/s predstavlja apsolutni maksimum iznad kojeg se očekuje mjerljiva erozija. Ove granice pretpostavljaju udio suhoće pare od 98% ili više. Niže frakcije suhoće zahtijevaju smanjenje brzine.
Za većinu pravilno dizajniranih više-cijevnih PTFE izmjenjivača, brzine pare prirodno padaju ispod ovih granica zbog velikog broja paralelnih putova protoka. Provjera brzine tijekom projektiranja osigurava da erozija ne ograničava vijek trajanja opreme.
Inženjerska analiza za verifikaciju brzine pare u određenim konstrukcijama PTFE izmjenjivača topline dostupna je nakon dostave podataka o toplinskom učinku, tlaku pare, broju i dimenzijama cijevi te kvaliteti pare.
