Steam tablica koja definira granicu
Kemijsko postrojenje koje zahtijeva 150 kW topline pri temperaturi procesa od 160 stupnjeva ima pristup pari od 12 bara, što osigurava temperaturu zasićenja od 191 stupanj. Metalni izmjenjivač topline određen za ovu dužnost je oklopna--cijevna jedinica sa stijenkom cijevi od nehrđajućeg čelika od 6 mm. PTFE alternativa mora se ocijeniti u odnosu na istu radnu snagu.
Na 12 bara i 191 stupanj, tlak zasićene pare je unutar raspona metalnih izmjenjivača topline. Za PTFE, prvo ograničenje je maksimalni radni tlak. Standardni PTFE izmjenjivači topline ocijenjeni su za 0,5–1,0 MPa (5–10 bara) pri umjerenoj temperaturi, ali nazivni tlak opada kako temperatura raste. Na 190 stupnjeva, dopušteni radni tlak za tipičnu PTFE cijev može biti 0,3–0,5 MPa, što je ispod potrebnog tlaka pare.
Drugo ograničenje je snaga-ovisna o temperaturi. PTFE zadržava otprilike 50% svoje vlačne čvrstoće na sobnoj-temperaturi na 190 stupnjeva, a stopa puzanja značajno se povećava. Stijenka cijevi mora biti deblja kako bi izdržala pritisak pri povišenoj temperaturi, čime se povećava toplinski otpor i smanjuje koeficijent prolaza topline.
Treće ograničenje je unutarnje naprezanje koje se razvija kada se stijenka cijevi zagrijava parom. Parna strana cijevi je na 191 stupanj, a procesna strana je na 160 stupnjeva, što stvara temperaturnu razliku od 31 stupanj preko zida. U materijalu s-niskom vodljivošću, ova temperaturna razlika proizvodi značajno toplinsko naprezanje koje se povećava tlačnom naprezanju.
Granica zadržavanja tlaka
Zadržavanje tlaka je najosnovnije ograničenje. Obručno naprezanje u tankozidnoj cijevi pod unutarnjim tlakom proporcionalno je tlaku i promjeru cijevi te obrnuto proporcionalno debljini stijenke. Za PTFE cijev s vanjskim promjerom od 6 mm i stijenkom od 1,0 mm, obručno naprezanje pri unutarnjem tlaku od 10 bara iznosi približno 30 MPa. Vlačna čvrstoća PTFE-a na 190 stupnjeva je približno 10-12 MPa, što znači da cijev ne može izdržati pritisak s odgovarajućim faktorom sigurnosti.
Povećanje debljine stijenke smanjuje naprezanje obruča, ali povećava toplinski otpor. Stijenka od 2,0 mm smanjuje naprezanje obruča na 15 MPa, što je unutar granice čvrstoće, ali se toplinski otpor udvostručuje, a koeficijent prijenosa topline smanjuje. Izmjenjivač topline mora biti veći kako bi se to kompenziralo, što povećava kapitalne troškove i potreban prostor.
Alternativa je smanjenje promjera cijevi. Cijev vanjskog promjera 3 mm sa stijenkom od 1,0 mm ima obručno naprezanje od 15 MPa pri 10 bara, što je unutar granice čvrstoće. Cijev manjeg promjera ima veću površinu po jedinici volumena, što djelomično kompenzira niži koeficijent prijenosa topline.
Ograničenje čvrstoće-ovisno o temperaturi
Vlačna čvrstoća PTFE-a opada s temperaturom. Na 20 stupnjeva, vlačna čvrstoća je približno 25-30 MPa. Na 100 stupnjeva, to je otprilike 15-18 MPa. Na 190 stupnjeva, to je otprilike 10-12 MPa. Na 250 stupnjeva, to je otprilike 5-6 MPa.
Smanjenje čvrstoće ograničava dopušteno naprezanje i dopušteni tlak. Izmjenjivač topline koji je ocijenjen za 10 bara na 100 stupnjeva može biti ocijenjen za samo 4–5 bara na 190 stupnjeva. Faktor smanjenja je obično 0,5–0,6 na 190 stupnjeva u usporedbi s nazivnom sobnom{10}}temperaturom.
Smanjenje snage nije linearna funkcija temperature. Snaga polako opada do 150 stupnjeva i brže iznad 200 stupnjeva. Praktična granica za-visokotlačnu paru je približno 150–180 stupnjeva, iznad koje nazivni tlak postaje prenizak za većinu industrijskih parnih sustava.
Granica puzanja
Puzanje je spora deformacija materijala pod trajnim opterećenjem. PTFE puzi na sobnoj temperaturi, a brzina puzanja raste s temperaturom. Na 190 stupnjeva, brzina puzanja može biti 10-20 puta veća nego na 20 stupnjeva.
U izmjenjivaču topline, puzanje se očituje kao sporo povećanje promjera cijevi i sporo smanjenje debljine stijenke. Cijev se širi pod unutarnjim pritiskom, a stijenka se stanji. Tijekom vremena, cijev može puknuti ili spoj cijevi-na-cijev može procuriti.
Granica puzanja obično se izražava kao maksimalno naprezanje koje proizvodi manje od 1% deformacije u 10 000 sati. Za PTFE na 190 stupnjeva, ovo naprezanje je približno 3-4 MPa, što je puno niže od vlačne čvrstoće. Granica puzanja, a ne vlačna čvrstoća, je kontrolni parametar za dugotrajnu-uslugu.
Granica toplinskog naprezanja
Toplinsko naprezanje u stijenci cijevi proporcionalno je razlici temperature preko stijenke, koeficijentu toplinskog rastezanja i modulu elastičnosti. Za PTFE, koeficijent toplinske ekspanzije je približno 12 × 10⁻⁵ / stupanj, a modul na 190 stupnjeva je približno 200 MPa.
Za temperaturnu razliku od 31 stupanj preko zida, toplinsko naprezanje je približno 7,4 MPa. Ovo naprezanje povećava naprezanje tlaka i smanjuje dopušteni tlak. U -primjeni pare pod visokim tlakom, toplinsko naprezanje može biti značajan dio ukupnog naprezanja i mora se uključiti u projektni proračun.
Toplinski stres se može smanjiti smanjenjem temperaturne razlike preko zida, što znači smanjenjem toplinskog toka. Manji toplinski tok zahtijeva veću površinu, što povećava kapitalne troškove.
Usporedba PTFE i metalnih jedinica u visokotlačnoj{0}}parnoj službi
Sljedeća tablica sažima performanse i troškovne karakteristike PTFE i izmjenjivača topline od nehrđajućeg čelika u visoko{0}}tlačnoj parnoj službi na 12 bara i 191 stupanj.
| Karakteristično | Izmjenjivač topline od nehrđajućeg čelika | PTFE izmjenjivač topline | Prednost |
|---|---|---|---|
| Maksimalni radni tlak na 191 stupanj | 25 bara | 4–5 bara | Nehrđajući čelik |
| Maksimalna radna temperatura | 400 stupnjeva | 260 stupnjeva | Nehrđajući čelik |
| Vlačna čvrstoća na 191 stupanj | 140 MPa | 10–12 MPa | Nehrđajući čelik |
| Granica puzanja na 191 stupanj | Nije primjenjivo | 3–4 MPa | Nehrđajući čelik |
| Toplinska vodljivost | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Nehrđajući čelik |
| Ukupni koeficijent prolaza topline | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Nehrđajući čelik |
| Potrebna površina za 150 kW | 5 m² | 20 m² | Nehrđajući čelik |
| Toplinsko naprezanje na 31 stupanj ΔT | 15 MPa | 7,4 MPa | PTFE |
| Kemijska otpornost na parni kondenzat | Dobro | Izvrsno | PTFE |
| Životni vijek u parnom servisu | 20–30 godina | 8–12 godina | Nehrđajući čelik |
| Kapitalni trošak za rad od 150 kW | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Trošak instalacije | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Godišnji trošak održavanja | $1,500 | $3,000 | Nehrđajući čelik |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak | $82,500 | $90,000 | Nehrđajući čelik |
Pet{0}}vrijednosti ukupne cijene pretpostavljaju vrijednost proizvodnje od 500 USD po satu i uključuju kapitalne troškove, troškove instalacije i troškove održavanja tijekom pet godina.
Kada je PTFE još uvijek bolji izbor
Unatoč mehaničkim ograničenjima, PTFE je još uvijek bolji izbor u nekoliko visoko{0}}primjena pare.
Servis korozivnog kondenzata.Ako parni kondenzat sadrži korozivne vrste kao što su kloridi ili fluoridi, jedinica od nehrđajućeg čelika može korodirati, dok je PTFE jedinica otporna.
Usluga pare-niskog pritiska.Pri tlaku pare ispod 5 bara i temperaturama ispod 150 stupnjeva, PTFE mehanička ograničenja su manje stroga, a PTFE jedinica može biti konkurentna.
Usluga visoke-čistoće.Ako je procesna tekućina osjetljiva na onečišćenje metalnim ionima, PTFE jedinica je bolji izbor jer ne ispire metalne ione.
Usluga malog toplinskog opterećenja.Za mala toplinska opterećenja, veća površina PTFE jedinice manje je ograničenje, a niži kapitalni troškovi mogu pogodovati PTFE-u.
Usluga retrofita.Ako je postojeći izmjenjivač topline PTFE jedinica i tlak pare je povećan, PTFE jedinica može i dalje biti odgovarajuća ako je tlak unutar smanjene granice.
Izmjene dizajna koje proširuju PTFE ograničenje tlaka
Nekoliko modifikacija dizajna proširuje granicu tlaka PTFE izmjenjivača topline u visokotlačnoj{0}}parnoj službi.
Manji promjer cijevi.Cijev manjeg promjera ima niži obruč za isti tlak i debljinu stijenke. Cijev od 3 mm može izdržati veći pritisak od cijevi od 6 mm iste debljine stjenke.
Deblja stijenka cijevi.Deblja stijenka smanjuje naprezanje obruča, ali povećava toplinski otpor. Debljina stijenke mora biti optimizirana za zahtjeve specifičnog tlaka i prijenosa topline.
Konstrukcija ojačane cijevi.PTFE cijev s metalnim ili kompozitnim ojačanjem može izdržati veći pritisak od nearmirane cijevi. Ojačanje može biti žičana pletenica, spiralni omotač ili kompozitni sloj.
Smanjena radna temperatura.Smanjenje temperature pare smanjuje toplinsko naprezanje i povećava čvrstoću materijala. Niži tlak pare ili pregrijač mogu smanjiti temperaturu.
Smanjeni toplinski tok.Niži toplinski tok smanjuje temperaturnu razliku preko zida i toplinski stres. Potrebna je veća površina, što povećava trošak kapitala.
Plutajući cijevni list.Plutajuća cijevna ploča smanjuje aksijalni stres na cijevima i cijevnoj ploči, što poboljšava zadržavanje tlaka.
Parametri specifikacije za visokotlačnu{0}}parnu uslugu
Inženjeri opreme koji procjenjuju PTFE izmjenjivače topline za visoko{0}}uslugu pare trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Tlak i temperatura pare.Navedite maksimalni tlak pare i temperaturu zasićenja.
Procesna temperatura.Navedite temperaturu procesne tekućine i pristupnu temperaturu.
Promjer cijevi i debljina stijenke.Odredite promjer cijevi i debljinu stijenke na temelju zahtjeva za tlak i prijenos topline.
Nazivni tlak.Navedite nazivni tlak pri radnoj temperaturi, a ne pri sobnoj temperaturi.
Granica puzanja.Odredite granicu puzanja i maksimalno dopušteno naprezanje za dugotrajnu-uslugu.
Toplinski stres.Navedite proračun toplinskog naprezanja i dopušteno naprezanje.
Pojačanje.Odredite je li cijev armirana i vrstu armature.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Usklađivanje PTFE dizajna s uvjetima pare
Ograničenja PTFE izmjenjivača topline u visoko{0}}tlačnoj parnoj službi su zadržavanje tlaka, čvrstoća-ovisna o temperaturi, puzanje i toplinski stres. Ova ograničenja mogu se riješiti modifikacijama dizajna kao što su manji promjer cijevi, deblja stijenka, pojačanje i smanjeni toplinski tok. Praktično ograničenje za PTFE u visokotlačnoj parnoj-usluzi je približno 5 bara na 190 stupnjeva, iznad čega dizajn postaje nepraktičan ili kapitalni trošak postaje previsok.
Odluka o odabiru trebala bi se temeljiti na-specifičnoj analizi objekta koja uključuje uvjete pare, zahtjeve procesa, kapitalne troškove i troškove održavanja. Jednostavan model proračunske tablice s ovim parametrima pruža informacije potrebne za donošenje odluke.
Za visokotlačne parne servisne objekte koji procjenjuju opcije izmjenjivača topline, odabir materijala trebao bi se temeljiti na ukupnom trošku vlasništva tijekom očekivanog životnog vijeka, a ne samo na kapitalnom trošku ili toplinskoj učinku. Metalna jedinica s višim kapitalnim troškovima može imati niže troškove trajanja ako može podnijeti uvjete pare bez smanjenja snage.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za visoko{0}}tlačnu paru ili druge zahtjevne usluge mogu zatražiti pregled dizajna koji pokriva tlak pare, temperaturu pare, promjer cijevi, debljinu stijenke, nazivni tlak, granicu puzanja i toplinsko naprezanje kako bi potvrdili da je jedinica usklađena sa stvarnim uvjetima pare i zahtjevima procesa u objektu.
