جدول بخار که حد را مشخص می کند
یک کارخانه شیمیایی که به 150 کیلووات گرما در دمای فرآیند 160 درجه نیاز دارد، به بخار 12 بار دسترسی دارد که دمای اشباع شده 191 درجه را فراهم می کند. مبدل حرارتی فلزی مشخص شده برای این وظیفه، یک واحد پوسته-و-و{6}}با دیواره لوله فولادی ضد زنگ 6 میلی متری است. جایگزین PTFE باید در برابر همان وظیفه ارزیابی شود.
در 12 بار و 191 درجه، فشار بخار اشباع به خوبی در محدوده مبدل های حرارتی فلزی قرار دارد. برای PTFE، اولین محدودیت حداکثر فشار عملیاتی است. مبدل های حرارتی استاندارد PTFE برای 0.5-1.0 MPa (5-10 bar) در دمای متوسط درجه بندی می شوند، اما با افزایش دما، درجه فشار کاهش می یابد. در 190 درجه، فشار کاری مجاز برای یک لوله PTFE معمولی ممکن است 0.3-0.5 MPa باشد که کمتر از فشار بخار مورد نیاز است.
دومین محدودیت، قدرت وابسته به دما است. PTFE تقریباً 50٪ از استحکام کششی دمای اتاق خود را در 190 درجه حفظ می کند و سرعت خزش به طور قابل توجهی افزایش می یابد. دیواره لوله باید ضخیم تر باشد تا فشار را در دمای بالا تحمل کند، که باعث افزایش مقاومت حرارتی و کاهش ضریب انتقال حرارت می شود.
محدودیت سوم تنش داخلی است که هنگام گرم شدن دیواره لوله توسط بخار ایجاد می شود. سمت بخار لوله در 191 درجه و سمت فرآیند در 160 درجه است که اختلاف دمایی 31 درجه را در سراسر دیوار ایجاد می کند. در یک ماده با رسانایی پایین، این اختلاف دما تنش حرارتی قابل توجهی ایجاد می کند که به تنش فشار می افزاید.
محدودیت محدودیت فشار
مهار فشار اساسی ترین محدودیت است. تنش حلقه در یک لوله نازک-دیواره تحت فشار داخلی با فشار و قطر لوله متناسب است و با ضخامت دیواره نسبت عکس دارد. برای یک لوله PTFE با قطر خارجی 6 میلی متر و دیواره 1.0 میلی متر، تنش حلقه در فشار داخلی 10 بار تقریبا 30 مگاپاسکال است. استحکام کششی PTFE در 190 درجه تقریباً 10-12 مگاپاسکال است، به این معنی که لوله نمی تواند فشار را با ضریب ایمنی کافی مهار کند.
افزایش ضخامت دیواره تنش حلقه را کاهش می دهد اما مقاومت حرارتی را افزایش می دهد. یک دیوار 2.0 میلی متری تنش حلقه را تا 15 مگاپاسکال کاهش می دهد که در حد استحکام است، اما مقاومت حرارتی دو برابر می شود و ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد. مبدل حرارتی برای جبران باید بزرگتر باشد، که هزینه سرمایه و فضای مورد نیاز را افزایش می دهد.
جایگزین کاهش قطر لوله است. یک لوله با قطر بیرونی 3 میلی متر با دیواره 1.0 میلی متری دارای تنش حلقه ای 15 مگاپاسکال در 10 بار است که در حد استحکام است. لوله با قطر کوچکتر دارای سطح بالاتری در واحد حجم است که تا حدی ضریب انتقال حرارت کمتر را جبران می کند.
دما{0}}محدودیت مقاومت وابسته
استحکام کششی PTFE با دما کاهش می یابد. در دمای 20 درجه، استحکام کششی تقریباً 25 تا 30 مگاپاسکال است. در 100 درجه، تقریبا 15-18 مگاپاسکال است. در 190 درجه، تقریباً 10-12 مگاپاسکال است. در 250 درجه، تقریباً 5-6 مگاپاسکال است.
کاهش مقاومت تنش مجاز و فشار مجاز را محدود می کند. یک مبدل حرارتی که برای 10 بار در 100 درجه درجه بندی شده است، ممکن است تنها برای 4 تا 5 بار در 190 درجه رتبه بندی شود. ضریب کاهش معمولاً 0.5-0.6 در 190 درجه در مقایسه با درجه حرارت اتاق{10}} است.
درجه بندی تابع خطی دما نیست. استحکام به آرامی تا 150 درجه و با سرعت بیشتری بالای 200 درجه کاهش می یابد. حد عملی برای سرویس بخار با فشار بالا تقریباً 150 تا 180 درجه است که بالاتر از آن درجه فشار برای اکثر سیستم‌های بخار صنعتی بسیار کم می‌شود.
حد خزش
خزش تغییر شکل آهسته یک ماده تحت بار پایدار است. PTFE در دمای اتاق خزش می کند و سرعت خزش با دما افزایش می یابد. در 190 درجه، سرعت خزش می تواند 10-20 برابر بیشتر از 20 درجه باشد.
در یک مبدل حرارتی، خزش به صورت افزایش آهسته در قطر لوله و کاهش آهسته در ضخامت دیواره ظاهر می شود. لوله تحت فشار داخلی منبسط می شود و دیواره نازک می شود. با گذشت زمان، لوله ممکن است پاره شود و یا اتصال لوله به-لوله ممکن است نشت کند.
حد خزش معمولاً به عنوان حداکثر تنشی بیان می شود که کمتر از 1٪ کرنش را در 10000 ساعت ایجاد می کند. برای PTFE در 190 درجه، این تنش تقریباً 3-4 مگاپاسکال است که بسیار کمتر از مقاومت کششی است. حد خزش، نه مقاومت کششی، پارامتر کنترل کننده خدمات طولانی مدت است.
حد استرس حرارتی
تنش حرارتی در دیواره لوله با اختلاف دما در سراسر دیوار، ضریب انبساط حرارتی و مدول الاستیسیته متناسب است. برای PTFE، ضریب انبساط حرارتی تقریباً 12 × 10-5 / درجه است و مدول در 190 درجه تقریباً 200 مگاپاسکال است.
برای اختلاف دمای 31 درجه در سراسر دیوار، تنش حرارتی تقریباً 7.4 مگاپاسکال است. این تنش به تنش فشار می افزاید و فشار مجاز را کاهش می دهد. در یک کاربرد بخار با فشار بالا، تنش حرارتی می تواند کسر قابل توجهی از تنش کل باشد و باید در محاسبات طراحی لحاظ شود.
تنش حرارتی را می توان با کاهش اختلاف دما در سراسر دیوار کاهش داد، که به معنای کاهش شار گرما است. شار حرارتی کمتر به سطح بزرگتری نیاز دارد که هزینه سرمایه را افزایش می دهد.
مقایسه PTFE و واحدهای فلزی در سرویس بخار با فشار بالا{0}
جدول زیر ویژگی های عملکرد و هزینه مبدل های حرارتی PTFE و فولاد ضد زنگ را در سرویس بخار با فشار بالا در 12 بار و 191 درجه خلاصه می کند.
| مشخصه | مبدل حرارتی فولاد ضد زنگ | مبدل حرارتی PTFE | مزیت |
|---|---|---|---|
| حداکثر فشار کاری 191 درجه | 25 بار | 4-5 بار | فولاد ضد زنگ |
| حداکثر دمای عملیاتی | 400 درجه | 260 درجه | فولاد ضد زنگ |
| استحکام کششی در 191 درجه | 140 مگاپاسکال | 10-12 مگاپاسکال | فولاد ضد زنگ |
| حد خزش در 191 درجه | قابل اجرا نیست | 3-4 مگاپاسکال | فولاد ضد زنگ |
| هدایت حرارتی | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | فولاد ضد زنگ |
| ضریب انتقال حرارت کلی | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | فولاد ضد زنگ |
| سطح مورد نیاز برای 150 کیلو وات | 5 m² | 20 m² | فولاد ضد زنگ |
| تنش حرارتی در 31 درجه ΔT | 15 مگاپاسکال | 7.4 مگاپاسکال | PTFE |
| مقاومت شیمیایی در برابر میعانات بخار | خوب | عالی | PTFE |
| عمر سرویس در سرویس بخار | 20-30 سال | 8-12 سال | فولاد ضد زنگ |
| هزینه سرمایه برای وظیفه 150 کیلو وات | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| هزینه نصب | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| هزینه نگهداری سالانه | $1,500 | $3,000 | فولاد ضد زنگ |
| هزینه کل پنج-سال | $82,500 | $90,000 | فولاد ضد زنگ |
ارزش کل هزینه‌های پنج ساله ارزش تولید 500 دلار در ساعت را در نظر می‌گیرد و شامل هزینه سرمایه، هزینه نصب، و هزینه نگهداری در طول پنج سال می‌شود.
وقتی PTFE هنوز انتخاب بهتری است
علیرغم محدودیت های مکانیکی، PTFE هنوز هم در چندین برنامه{0}}بخار فشار بالا انتخاب بهتری است.
سرویس میعانات خورنده.اگر میعانات بخار حاوی گونه های خورنده مانند کلرید یا فلوراید باشد، واحد فولاد ضد زنگ ممکن است خورده شود، در حالی که واحد PTFE مقاوم است.
سرویس بخار کم فشار-.در فشار بخار کمتر از 5 بار و دمای زیر 150 درجه، محدودیت های مکانیکی PTFE کمتر است و واحد PTFE ممکن است رقابتی باشد.
خدمات با خلوص-بالا.اگر سیال فرآیند به آلودگی یون‌های فلزی حساس باشد، واحد PTFE انتخاب بهتری است زیرا یون‌های فلزی را شسته نمی‌کند.
سرویس بار حرارتی کوچک.برای بارهای حرارتی کوچک، سطح بزرگتر واحد PTFE محدودیت کمتری دارد و هزینه سرمایه کمتر ممکن است به نفع PTFE باشد.
سرویس مقاوم سازیاگر مبدل حرارتی موجود یک واحد PTFE باشد و فشار بخار افزایش یافته باشد، اگر فشار در محدوده کاهش یافته باشد، ممکن است واحد PTFE همچنان کافی باشد.
تغییرات طراحی که محدودیت فشار PTFE را افزایش می دهد
چندین تغییر طراحی محدودیت فشار مبدل های حرارتی PTFE را در سرویس بخار با فشار بالا- افزایش می دهد.
قطر لوله کوچکتریک لوله با قطر کمتر تنش حلقه کمتری برای فشار و ضخامت دیواره یکسان دارد. یک لوله 3 میلی متری می تواند فشار بیشتری را نسبت به لوله 6 میلی متری با ضخامت دیواره مشابه تحمل کند.
دیواره لوله ضخیم تردیواره ضخیم تر تنش حلقه را کاهش می دهد اما مقاومت حرارتی را افزایش می دهد. ضخامت دیوار باید برای فشار خاص و الزامات انتقال حرارت بهینه شود.
ساخت لوله تقویت شدهیک لوله PTFE با تقویت کننده فلزی یا کامپوزیت می تواند فشار بیشتری را نسبت به لوله های تقویت نشده تحمل کند. تقویت کننده ممکن است یک بافته سیم، یک پوشش مارپیچی یا یک لایه مرکب باشد.
کاهش دمای عملیاتیکاهش دمای بخار باعث کاهش تنش حرارتی و افزایش استحکام مواد می شود. فشار بخار کمتر یا یک دی سوپرهیتر می تواند دما را کاهش دهد.
کاهش شار حرارتیشار حرارتی کمتر، اختلاف دما در سراسر دیوار و تنش حرارتی را کاهش می دهد. سطح بزرگتری مورد نیاز است که هزینه سرمایه را افزایش می دهد.
ورق لوله شناور.ورق لوله شناور تنش محوری روی لوله‌ها و ورق لوله را کاهش می‌دهد که باعث بهبود مهار فشار می‌شود.
پارامترهای مشخصات برای سرویس بخار پرفشار{{0}
مهندسان تجهیزاتی که مبدل‌های حرارتی PTFE را برای خدمات بخار با فشار بالا ارزیابی می‌کنند، باید پارامترهای زیر را با تامین‌کننده تأیید کنند.
فشار و دما بخار.حداکثر فشار بخار و دمای اشباع را مشخص کنید.
دمای فرآینددمای سیال فرآیند و دمای نزدیک را مشخص کنید.
قطر لوله و ضخامت دیوارهقطر لوله و ضخامت دیواره را بر اساس فشار و الزامات انتقال حرارت مشخص کنید.
درجه بندی فشاردرجه فشار را در دمای کارکرد، نه در دمای اتاق مشخص کنید.
حد خزشحد خزش و حداکثر تنش مجاز برای خدمات طولانی مدت را مشخص کنید.
استرس حرارتی.محاسبه تنش حرارتی و تنش مجاز را مشخص کنید.
تقویت.مشخص کنید که آیا لوله تقویت شده و نوع تقویت کننده است.
مورد نیاز عمر سرویسطول عمر مورد انتظار و برنامه تعویض را مشخص کنید.
تطبیق طراحی PTFE با شرایط بخار
محدودیت‌های مبدل‌های حرارتی PTFE در سرویس بخار فشار بالا، مهار فشار، مقاومت وابسته به دما، خزش و تنش حرارتی است. این محدودیت ها را می توان با اصلاحات طراحی مانند قطر لوله کوچکتر، دیواره ضخیم تر، تقویت و کاهش شار حرارتی مدیریت کرد. حد عملی برای PTFE در سرویس بخار فشار بالا تقریباً 5 بار در 190 درجه است که بیش از آن طراحی غیرعملی یا هزینه سرمایه گزاف می شود.
تصمیم انتخاب باید بر اساس یک تجزیه و تحلیل خاص{0}} تسهیلات باشد که شرایط بخار، الزامات فرآیند، هزینه سرمایه و هزینه نگهداری را در بر می گیرد. یک مدل صفحه گسترده ساده با این پارامترها اطلاعات مورد نیاز برای تصمیم گیری را فراهم می کند.
برای تسهیلات{0}}خدمات بخار با فشار بالا که گزینه‌های مبدل حرارتی را ارزیابی می‌کنند، انتخاب مواد باید بر اساس هزینه کل مالکیت در طول عمر مورد انتظار باشد، نه فقط هزینه سرمایه یا عملکرد حرارتی. یک واحد فلزی با هزینه سرمایه بالاتر ممکن است هزینه طول عمر کمتری داشته باشد اگر بتواند شرایط بخار را بدون کاهش کاهش دهد.
مهندسین تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای-بخار با فشار بالا یا سایر خدمات پرفشار ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی را در مورد فشار بخار، دمای بخار، قطر لوله، ضخامت دیواره، درجه فشار، حد خزش و تنش حرارتی درخواست کنند تا تأیید کنند که واحد با شرایط بخار واقعی و الزامات فرآیند مطابقت دارد.
