Diferencijalno širenje koje stvara naprezanje cijevne ploče
Postrojenje za kemijsku obradu koristi PTFE školjka-i-cijevni izmjenjivač topline sa snopom cijevi od 1,5 m. Procesni fluid se zagrijava od 25 stupnjeva do 90 stupnjeva, a servisni fluid je para na 120 stupnjeva. Snop cijevi pričvršćen je na oba kraja u cijevne listove koji su vijcima pričvršćeni za ljusku.
PTFE cijevi se šire za otprilike 12 × 10⁻⁵/stupanj. Za porast temperature od 65 stupnjeva, slobodno širenje cijevi od 1,5 m je približno 11,7 mm. Ljuska od ugljičnog čelika širi se za približno 1,2 × 10⁻⁵/stupanj, što za isti porast temperature iznosi približno 1,2 mm. Razlika u širenju između cijevi i ljuske je približno 10,5 mm.
Ako je snop cijevi fiksiran na oba kraja, ovo diferencijalno širenje je ograničeno. Cijevi su prisiljene stisnuti se, a cijevni limovi su prisiljeni savijati se. Tlačno naprezanje u cijevima i naprezanje savijanja u cijevnim pločama može premašiti čvrstoću PTFE-a, osobito na spojevima cijevi-na-cijevne ploče gdje je koncentracija naprezanja najveća.
Stres koji se razvija bez dopuštenja
Tlačno naprezanje u stegnutoj cijevi dano je s σ=E × × ΔT, gdje je E modul elastičnosti, koeficijent toplinskog širenja, a ΔT promjena temperature. Za PTFE na 90 stupnjeva, modul je približno 300 MPa, koeficijent ekspanzije je 12 × 10⁻⁵ / stupanj, a promjena temperature je 65 stupnjeva. Tlačno naprezanje je približno 23,4 MPa.
Vlačna čvrstoća PTFE-a na 90 stupnjeva je približno 12-15 MPa. Tlačno naprezanje od 23,4 MPa premašuje vlačnu čvrstoću, što znači da bi se cijev savijala ili bi spoj cijevne ploče otpao.
Naprezanje na savijanje u cijevnom limu ovisi o debljini cijevnog lima i veličini diferencijalnog širenja. Za cijevni lim od 20 mm s diferencijalnim širenjem od 10,5 mm, naprezanje na savijanje može premašiti 20 MPa, što je iznad dopuštenog naprezanja za PTFE na povišenoj temperaturi.
Mogućnosti toplinskog širenja
Nekoliko opcija dizajna osigurava dopušteno toplinsko širenje koje sprječava naprezanje cijevne ploče.
Plutajući cijevni list.Jedna cijevna ploha se može slobodno pomicati s ekspanzijom cijevi, dok je druga fiksirana na ljusku. Plutajući cijevni lim zabrtvljen je fleksibilnim mijehom ili kliznom brtvom koja se prilagođava pomicanju bez curenja. Plutajući dizajn uklanja aksijalno ograničenje na cijevima i smanjuje naprezanje cijevne ploče za 70-80%.
Dilatacijski spoj u ljusci.Kompenzator s mijehom ugrađen u cilindričnu ljusku omogućuje širenje i skupljanje ljuske neovisno o cijevima. Dilatacijski spoj apsorbira diferencijalno kretanje i smanjuje naprezanje na cijevnim pločama i spojevima mlaznica.
U-tube paket.Cijevi su savijene u U-oblik, a oba su kraja spojena na jednu cijevnu ploču. U-zavoj omogućuje cijevima da se slobodno šire i skupljaju bez naprezanja cijevne ploče. Dizajn U-cijevi eliminira diferencijalno naprezanje širenja, ali zahtijeva veći promjer ljuske za istu površinu.
Klizni nosači.Cijevni snop podupiru klizni nosači koji omogućuju aksijalno pomicanje uz radijalnu potporu. Klizni nosači prilagođavaju se diferencijalnom širenju bez pritiska na cijevni list.
Fleksibilni spojevi cijevi-na-cijevne ploče.Spojevi cijevi--na-cijevni lim dizajnirani su s fleksibilnim prijelazom koji prilagođava različito kretanje između cijevi i limova. Fleksibilni spoj smanjuje koncentraciju naprezanja i omogućuje širenje cijevi bez pucanja spoja.
Usporedba opcija toplinske ekspanzije
Sljedeća tablica sažima smanjenje naprezanja i troškove za različite opcije dopuštenog toplinskog širenja u PTFE izmjenjivaču topline sa snopom cijevi od 1,5 m i porastom temperature od 65 stupnjeva.
| Opcija dodatka | Smanjenje stresa | Premija za kapitalni trošak | Zahtjevi za održavanje | Očekivani vijek trajanja cijevne ploče |
|---|---|---|---|---|
| Bez naknade (fiksno-fiksno) | 0% | Osnovna linija | Česti popravci | 2–4 godine |
| Klizni nosači | 20–30% | +5% | Inspekcija podrške | 4–6 godina |
| Fleksibilni spojevi | 30–40% | +10% | Zajednički pregled | 5–8 godina |
| Dilatacijski spoj u ljusci | 50–60% | +20% | Pregled mijeha | 8–12 godina |
| Plutajući cijevni list | 70–80% | +25% | Pregled pečata | 10–15 godina |
| U-tube paket | 90–95% | +30% | Pregled cijevi | 15–20 godina |
| Plutajući cijevni lim s dilatacijskim spojem | 95%+ | +40% | Godišnji pregled | 15–20 godina |
Smanjenje stresa relativno je u odnosu na fiksnu-fiksnu konfiguraciju. Premija kapitalnih troškova je postotak povećanja u odnosu na osnovnu konfiguraciju. Očekivani vijek trajanja cijevne ploče pretpostavlja pravilnu ugradnju i održavanje.
Izračun dopuštenog toplinskog širenja
Dopušteno toplinsko širenje izračunava se iz diferencijalnog širenja između cijevi i ljuske. Izračun se odvija na sljedeći način.
Slobodno širenje cijevi je ΔL_cijev= _cijev × L × ΔT_cijev. Slobodno širenje ljuske je ΔL_ljuska= _ljuska × L × ΔT_ljuska. Diferencijalno širenje je ΔL_diff=ΔL_cijev − ΔL_ljuska.
Za primjer, ΔL_cijev=12 × 10⁻⁵ × 1500 × 65=11.7 mm i ΔL_ljuska=1.2 × 10⁻⁵ × 1500 × 65=1.2 mm. Diferencijalno širenje je 10,5 mm.
Dodatak se mora prilagoditi diferencijalnoj ekspanziji s rezervom za nesigurnost u temperaturi i koeficijentima ekspanzije. Obično se primjenjuje margina od 20-30%, što daje dopuštenje od 12,6-13,7 mm.
Dodatak je osiguran plutajućim hodom cijevne ploče, hodom dilatacijske spojnice ili fleksibilnošću U-savijanja. Dodatak mora biti naveden u dokumentaciji o nabavi i provjeren pri ugradnji.
Učinak temperature na dodatak
Dopušteno toplinsko širenje ovisi o temperaturnom rasponu rada. Veći temperaturni raspon zahtijeva veći dodatak.
Za izmjenjivač topline koji radi od 25 stupnjeva do 90 stupnjeva, temperaturni raspon je 65 stupnjeva, a dopuštenje je 10,5 mm. Za izmjenjivač topline koji radi od 25 stupnjeva do 150 stupnjeva, raspon temperature je 125 stupnjeva, a dopuštenje je 20,2 mm. Za izmjenjivač topline koji radi od 25 stupnjeva do 200 stupnjeva, temperaturni raspon je 175 stupnjeva, a dopuštenje je 28,3 mm.
Dodatak raste linearno s rasponom temperature. Dizajn izmjenjivača topline mora se prilagoditi najvećem temperaturnom rasponu koji se očekuje u radu, uključujući uvjete pokretanja, isključivanja i poremećaja procesa.
Značajke dizajna koje smanjuju potreban dodatak
Nekoliko značajki dizajna smanjuju potrebnu toplinsku ekspanziju.
Kraći snop cijevi.Kraći snop cijevi ima manje apsolutno širenje za istu promjenu temperature. Snop od 1,0 m širi se 7,8 mm umjesto 11,7 mm za porast temperature od 65 stupnjeva.
Niža radna temperatura.Niža radna temperatura smanjuje promjenu temperature i širenje. Izmjenjivač topline koji radi na 70 stupnjeva umjesto na 90 stupnjeva ima manji zahtjev za dopuštenje.
Materijal školjke s većim koeficijentom rastezanja.Materijal ljuske s većim koeficijentom širenja smanjuje diferencijalnu ekspanziju. Oklop od nehrđajućeg čelika širi se više od oklopa od ugljičnog čelika, što smanjuje razliku.
Materijal cijevi s nižim koeficijentom rastezanja.Materijal cijevi s nižim koeficijentom rastezanja smanjuje diferencijalno širenje. Punjeni PTFE spojevi imaju nešto niže koeficijente ekspanzije od čistog PTFE.
Segmentirani snop cijevi.Dijeljenje snopa cijevi u segmente s međupotporama smanjuje efektivnu duljinu i ekspanziju. Segmentirani snop zahtijeva manji dodatak.
Parametri specifikacije za dopušteno toplinsko širenje
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Raspon temperature.Navedite maksimalnu i minimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Duljina cijevi.Navedite duljinu snopa cijevi.
Materijal cijevi.Navedite materijal cijevi i koeficijent toplinskog rastezanja.
Materijal školjke.Navedite materijal ljuske i koeficijent toplinskog rastezanja.
Diferencijalno širenje.Odredite izračunatu diferencijalnu ekspanziju na temelju materijala cijevi i plašta te temperaturnog raspona.
Marža dopuštenja.Navedite marginu dopuštenja. Preporuča se margina od 20-30%.
Opcija dodatka.Odredite opciju dodatka na temelju potrebnog smanjenja stresa i troškova.
Provjera.Odredite metodu za provjeru dopuštenosti pri ugradnji, kao što je provjera dimenzija ili ispitivanje kretanja.
Usklađivanje dopuštenog toplinskog širenja s uvjetima rada
Dopušteno toplinsko širenje sprječava naprezanje cijevne ploče koje uzrokuje pucanje, curenje spojeva i prerano kvarove u PTFE izmjenjivačima topline. Dopuštenje se izračunava iz razlike u širenju između cijevi i ljuske, s rezervom za nesigurnost. Dodatak je osiguran plutajućom cijevnom pločom, dilatacijskim spojem u ljusci, U-snopom cijevi ili kombinacijom ovih značajki.
Opciju dopuštenja treba odabrati na temelju raspona temperature, duljine cijevi i potrebnog smanjenja naprezanja. Plutajuća cijevna ploča osigurava 70-80% smanjenja naprezanja uz 25% skuplje cijene. AU-snop cijevi pruža 90–95% smanjenja stresa uz 30% skuplji trošak.
Za objekte za kemijsku obradu koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, dopušteno toplinsko širenje treba biti navedeno u dokumentima o nabavi i potvrđeno pri ugradnji. Zadana konfiguracija koju je dao proizvođač možda neće uključivati odgovarajuću dopuštenu količinu, a rezultirajuće naprezanje cijevne ploče može uzrokovati prijevremeni kvar.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za rad sa značajnim temperaturnim promjenama mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva temperaturni raspon, duljinu cijevi, materijal cijevi, materijal školjke, diferencijalnu ekspanziju i opciju dopuštenja kako bi potvrdili da je jedinica usklađena sa stvarnim uvjetima rada i zahtjevima toplinske ekspanzije objekta.
