چالش طراحی با فشار بالا-
اتوکلاو هیدرومتالورژیکی در فشار داخلی 20 بار و 180 درجه کار می کند و سنگ معدن نیکل لاتریت را در اسید سولفوریک پردازش می کند. مبدل حرارتی PTFE در داخل اتوکلاو دو شرایط فشار را به طور همزمان تجربه می کند: فشار بخار داخلی 12-16 بارگ برای دستیابی به وظیفه گرمایشی مورد نیاز در دمای حمام 180 درجه و فشار اتوکلاو خارجی 20 بار که در قسمت بیرونی لوله ها عمل می کند.
بخاری های غوطه ور PTFE استاندارد برای فشار خارجی اتمسفر طراحی شده اند-مخزن فرآیند به اتمسفر باز است و دیواره لوله فقط فشار بخار داخلی را می بیند. در اتوکلاو، فشار خارجی از فشار بخار داخلی بیشتر است. دیواره لوله تحت فشار خالص خارجی قرار دارد. حالت شکست از کشش حلقه (ترکیدگی) به کمانش (جمع شدن) تحت فشار خارجی تغییر می کند.
محیط فشار بالا همچنین الزامات سخت گیرانه تری را برای ردیابی مواد، آزمایش فشار و مستندات نسبت به سرویس غوطه وری در اتمسفر استاندارد اعمال می کند. اطلاعات مورد نیاز برای سفارشی کردن مبدل برای این سرویس گسترده تر است.
تجزیه و تحلیل مرز فشار
دیواره لوله PTFE در اتوکلاو فشار خارجی خالص 20 بار (اتوکلاو) منهای فشار بخار داخلی (12{4}}16 بار) را تجربه میکند که در نتیجه فشار خارجی خالص 4-8 بار روی دیواره لوله ایجاد میشود. این فشار خارجی لوله را تحت فشار قرار می دهد و حالت خرابی کمانش الاستیک است - سطح مقطع لوله از حالت دایره ای به بیضی فرو می ریزد و جریان را محدود می کند و در نهایت به طور کامل بسته می شود.
فشار بحرانی کمانش برای یک لوله استوانهای بلند تحت فشار خارجی از فرمول محاسبه میشود: P_crit=(E / 4(1-ν²)) × (t/r)³، که در آن E مدول الاستیک PTFE در دمای عملیاتی، ν نسبت پواسون، t ضخامت دیواره و r شعاع لوله است.
در 180 درجه، مدول الاستیک PTFE اصلاح شده تقریبا 80-100 مگاپاسکال است. برای یک لوله OD 10 میلیمتری با ضخامت دیواره 1.5 میلیمتر، فشار بحرانی کمانش تقریباً 12{12}}15 بار است که ضریب ایمنی 1.5-3 را در برابر فشار خالص خارجی 4-8 بار فراهم میکند. برای ضخامت دیواره استاندارد 1.0 میلی متر، فشار بحرانی به حدود 4-5 بار ناکافی حاشیه کاهش می یابد. دیواره لوله برای سرویس اتوکلاو باید ضخیم شود.
جدول 1: الزامات طراحی دادههای طراحی مبدل حرارتی PTFE اتوکلاو-
| دسته داده ها | اطلاعات خاص مورد نیاز است | تاثیر بر طراحی |
|---|---|---|
| شرایط کار اتوکلاو | فشار داخلی (بار)، دما (درجه)، محدوده چرخه فشار | فشار خارجی خالص روی لوله ها را تعیین می کند. تجزیه و تحلیل خستگی |
| شرایط بخار | حداکثر و معمولی فشار بخار (بارگ)، دما، سوپرهیت | فشار داخلی لوله را تعیین می کند. تحلیل خزش |
| شیمی فرآیند | ترکیب شیمیایی کامل از جمله آلاینده های کمیاب | سازگاری PTFE را در 180 درجه تأیید می کند |
| هندسه لوله | OD مورد نیاز، ضخامت دیوارهای موجود | محاسبه کمانش؛ تجزیه و تحلیل انتقال حرارت |
| مشخصات مواد | درجه PTFE اصلاح شده، بلورینگی، محتوای خالی | پیشبینی عمر خزش در دما و فشار بالا |
| الزامات تست فشار | فشار تست (معمولاً 1.25× دیفرانسیل طراحی)، زمان نگهداری، معیارهای پذیرش | بررسی مرز فشار مونتاژ شده |
| کد/انطباق استاندارد | ASME B31.3، PED 2014/68/EU یا سایر کدهای قابل اجرا | قابلیت ردیابی مواد، صلاحیت جوشکار (در صورت وجود)، الزامات NDE |
| مستندات | گواهی مواد، گزارش آزمایش، اعلامیه انطباق | الزامات نظارتی و بیمه گر |
عمر خزش در دما و فشار ترکیبی
در 180 درجه، PTFE تحت استرس پایدار خزش می کند. تنش حلقه ای ناشی از فشار بخار داخلی و تنش فشاری ناشی از فشار اتوکلاو خارجی هر دو به تغییر شکل خزش کمک می کنند. سرعت خزش در این دما قابل توجه است و ضخامت دیواره لوله باید به گونه ای انتخاب شود که عمر خزش کافی را فراهم کند.
PTFE اصلاحشده با ضخامت دیواره 1.5 میلیمتری در 180 درجه و فشار خارجی خالص 8 بار دارای عمر خزشی پیشبینیشده بیش از 5 سال قبل از نازک شدن دیواره است که حاشیه کمانش را به زیر سطح قابل قبول کاهش میدهد. فاصله تعویض لوله بر اساس این پیشبینی برنامهریزی میشود و اندازهگیریهای ضخامت اولتراسونیک سالانه برای تأیید میزان خزش واقعی انجام میشود.
فشار بخار باید طوری کنترل شود که فشار لوله داخلی هرگز به فشار اتوکلاو نزدیک نشود. یک سوپاپ تنظیم فشار-با یک قفل قطع کننده فشار بالا-از فراتر رفتن فشار بخار از حد طراحی جلوگیری میکند. اگر کنترل فشار بخار از کار بیفتد و فشار بخار با فشار اتوکلاو برابر شود، فشار خارجی خالص صفر میشود و خطر کمانش از بین میرود-اما لوله ممکن است فشار بیش از حد حلقه را تجربه کند. سیستم کنترل از هر دو سناریو جلوگیری می کند.
بسته مستندات
خدمات اتوکلاو فشار بالا معمولاً به اسنادی فراتر از استانداردهای قابل تحویل مبدل حرارتی صنعتی نیاز دارد. گواهی مواد، رزین PTFE را به سازنده و دسته ای ردیابی می کند. گزارشهای آزمایش فشار، روش آزمایش، فشار، زمان نگهداری و نتایج هر مدار لوله را مستند میکنند. اعلامیه انطباق با دستورالعمل یا کد تجهیزات تحت فشار قابل اجرا صادر می شود.
بسته مستندات توسط نمایندگان مهندسی و بیمه اپراتور اتوکلاو قبل از قرار گرفتن مبدل مورد بررسی قرار می گیرد. هزینه مستندات اضافی نسبت به تضمین ایمنی و نظارتی که ارائه می دهد، اندک است.
خلاصه
سفارشی کردن یک مبدل حرارتی PTFE برای خدمات اتوکلاو فشار بالا به دیواره های لوله ضخیم برای مقاومت در برابر کمانش تحت فشار خالص خارجی، مواد PTFE اصلاح شده برای عمر خزشی مناسب در 180 درجه و تجزیه و تحلیل مرز فشار جامع نیاز دارد. کنترل فشار بخار با قفل های ایمنی از شرایطی که می تواند از محدودیت های طراحی لوله فراتر رود جلوگیری می کند.
اطلاعات مورد نیاز شامل شرایط اتوکلاو و بخار، مشخصات مواد، روشهای تست فشار و مستندات انطباق با کد است. تلاش های مهندسی و مستندات اضافی، عملکرد ایمن و قابل اعتماد را در محیطی که طرح های استاندارد بخاری غوطه وری ناکافی هستند، تضمین می کند.
پشتیبانی مهندسی برای-مشخصات مبدل حرارتی PTFE با فشار بالا با ارائه شرایط عملیاتی اتوکلاو، پارامترهای تامین بخار، شیمی فرآیند و کدهای تجهیزات فشار قابل اجرا در دسترس است.
