Таблиця Steam, яка визначає ліміт
Хімічний завод, який вимагає 150 кВт тепла при температурі процесу 160 градусів, має доступ до пари під тиском 12 бар, що забезпечує температуру насичення 191 градус. Металевий теплообмінник, призначений для цього обов’язку, є кожухотрубним --блоком зі стінкою труби з нержавіючої сталі 6 мм. Альтернативу PTFE слід оцінювати за тим же навантаженням.
При 12 барах і 191 градусі тиск насиченої пари цілком відповідає діапазону металевих теплообмінників. Для PTFE першим обмеженням є максимальний робочий тиск. Стандартні теплообмінники з ПТФЕ розраховані на 0,5–1,0 МПа (5–10 бар) при помірній температурі, але номінальний тиск зменшується з підвищенням температури. При 190 градусах допустимий робочий тиск для типової трубки з ПТФЕ може становити 0,3–0,5 МПа, що нижче необхідного тиску пари.
Другим обмеженням є міцність,-залежна від температури. ПТФЕ зберігає приблизно 50% міцності на розрив-при кімнатній температурі при 190 градусах, а швидкість повзучості значно зростає. Стінка труби повинна бути товстішою, щоб витримувати тиск при підвищеній температурі, що збільшує тепловий опір і знижує коефіцієнт тепловіддачі.
Третім обмеженням є внутрішня напруга, яка виникає, коли стінка труби нагрівається парою. Парова сторона трубки має температуру 191 градус, а сторона процесу – 160 градусів, що створює різницю температур на стінці в 31 градус. У матеріалі з низькою -провідністю ця різниця температур створює значне термічне напруження, яке додає напруги тиску.
Межа стримування тиску
Стримування тиску є найбільш фундаментальним обмеженням. Кільцева напруга в тонкостінній-трубці під впливом внутрішнього тиску пропорційна тиску та діаметру трубки та обернено пропорційна товщині стінки. Для трубки з ПТФЕ із зовнішнім діаметром 6 мм і стінкою 1,0 мм кільцева напруга при внутрішньому тиску 10 бар становить приблизно 30 МПа. Міцність на розрив PTFE при 190 градусах становить приблизно 10–12 МПа, що означає, що труба не може витримати тиск із достатнім коефіцієнтом безпеки.
Збільшення товщини стінки зменшує напругу кільця, але збільшує термічний опір. Стінка товщиною 2,0 мм знижує кільцеву напругу до 15 МПа, що знаходиться в межах міцності, але термічний опір збільшується вдвічі, а коефіцієнт тепловіддачі зменшується. Теплообмінник повинен бути більшим, щоб компенсувати це, що збільшує капітальні витрати та потребу в просторі.
Альтернативою є зменшення діаметра труби. Труба зовнішнім діаметром 3 мм зі стінкою 1,0 мм має кільцеву напругу 15 МПа при 10 бар, що знаходиться в межах межі міцності. Труба меншого діаметру має більшу площу поверхні на одиницю об'єму, що частково компенсує менший коефіцієнт теплопередачі.
Температурно{0}}межа міцності
Міцність на розрив PTFE зменшується з температурою. При 20 градусах міцність на розрив становить приблизно 25-30 МПа. При 100 градусах це приблизно 15-18 МПа. При 190 градусах це приблизно 10-12 МПа. При 250 градусах це приблизно 5-6 МПа.
Зменшення міцності обмежує допустиме напруження і допустимий тиск. Теплообмінник, розрахований на 10 бар при 100 градусах, може мати лише 4–5 бар при 190 градусах. Коефіцієнт зниження зазвичай становить 0,5–0,6 при температурі 190 градусів порівняно з-номінальною кімнатною температурою.
Зниження номіналу не є лінійною функцією температури. Міцність знижується повільно до 150 градусів і швидше вище 200 градусів. Практична межа для-працювання парою під високим тиском становить приблизно 150–180 градусів, вище якої номінальний тиск стає занизьким для більшості промислових парових систем.
Межа повзучості
Повзучість — це повільна деформація матеріалу під дією тривалого навантаження. PTFE повзає при кімнатній температурі, і швидкість повзучості збільшується з температурою. При 190 градусах швидкість повзучості може бути в 10-20 разів вищою, ніж при 20 градусах.
У теплообміннику повзучість проявляється як повільне збільшення діаметра труби та повільне зменшення товщини стінки. Під впливом внутрішнього тиску трубка розширюється, а стінка стоншується. З часом трубка може розірватися або з’єднання трубки-з-трубною решеткою може потекти.
Межа повзучості зазвичай виражається як максимальне напруження, яке створює менш ніж 1% деформації за 10 000 годин. Для PTFE при 190 градусах ця напруга становить приблизно 3–4 МПа, що набагато нижче, ніж міцність на розрив. Межа повзучості, а не межа міцності на розрив, є контрольним параметром для тривалої-служби.
Межа термічної напруги
Термічна напруга в стінці труби пропорційна різниці температур на стінці, коефіцієнту теплового розширення та модулю пружності. Для PTFE коефіцієнт теплового розширення становить приблизно 12 × 10⁻⁵ / градус, а модуль при 190 градусах становить приблизно 200 МПа.
При різниці температур на стіні в 31 градус теплова напруга становить приблизно 7,4 МПа. Ця напруга збільшує напругу тиску та зменшує допустимий тиск. У -паровому застосуванні під високим тиском термічна напруга може становити значну частку від загальної напруги, і її необхідно включати в розрахунковий розрахунок.
Термічну напругу можна зменшити шляхом зменшення різниці температур на стіні, що означає зменшення теплового потоку. Менший тепловий потік вимагає більшої площі поверхні, що збільшує капітальні витрати.
Порівняння PTFE та металевих блоків у -паровій системі високого тиску
У наведеній нижче таблиці підсумовано продуктивність і вартісні характеристики теплообмінників із фторопласту та нержавіючої сталі, що працюють під високим{0}}тиском пари при 12 барах і 191 градусі.
| Характеристика | Теплообмінник з нержавіючої сталі | PTFE теплообмінник | Перевага |
|---|---|---|---|
| Максимальний робочий тиск при 191 градусі | 25 бар | 4–5 бар | Нержавіюча сталь |
| Максимальна робоча температура | 400 градусів | 260 градусів | Нержавіюча сталь |
| Міцність на розрив при 191 градусі | 140 МПа | 10–12 МПа | Нержавіюча сталь |
| Межа повзучості при 191 градусі | Не застосовується | 3–4 МПа | Нержавіюча сталь |
| Теплопровідність | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Нержавіюча сталь |
| Загальний коефіцієнт теплопередачі | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Нержавіюча сталь |
| Необхідна площа для 150 кВт | 5 m² | 20 m² | Нержавіюча сталь |
| Термічна напруга при 31 градусі ΔT | 15 МПа | 7,4 МПа | PTFE |
| Хімічна стійкість до парового конденсату | добре | Чудово | PTFE |
| Термін служби в службі Steam | 20–30 років | 8–12 років | Нержавіюча сталь |
| Капітальні витрати на потужність 150 кВт | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Вартість монтажу | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Річна вартість обслуговування | $1,500 | $3,000 | Нержавіюча сталь |
| Загальна вартість за-роки | $82,500 | $90,000 | Нержавіюча сталь |
Значення загальної вартості за п’ять- років передбачають виробничу вартість 500 доларів США за годину та включають капітальні витрати, вартість встановлення та вартість обслуговування протягом п’яти років.
Коли PTFE все ще є кращим вибором
Незважаючи на механічні обмеження, PTFE все ще є кращим вибором у кількох-пристроях з парою під високим тиском.
Обслуговування корозійного конденсату.Якщо паровий конденсат містить їдкі речовини, такі як хлориди або фториди, блок з нержавіючої сталі може піддатися корозії, тоді як блок PTFE є стійким.
Обслуговування пари низького{0}}тиску.При тиску пари нижче 5 бар і температурах нижче 150 градусів механічні обмеження PTFE є менш серйозними, і блок PTFE може бути конкурентоспроможним.
Обслуговування-високої чистоти.Якщо технологічна рідина чутлива до забруднення іонами металу, блок PTFE є кращим вибором, оскільки він не вимиває іони металу.
Мале теплове навантаження обслуговування.Для малих теплових навантажень більша площа поверхні блоку PTFE є меншим обмеженням, а нижчі капітальні витрати можуть сприяти використанню PTFE.
Послуга модернізації.Якщо наявний теплообмінник є блоком з ПТФЕ і тиск пари підвищується, блок з ПТФЕ все ще може бути достатнім, якщо тиск знаходиться в межах зниженої межі.
Модифікації конструкції, які розширюють граничний тиск PTFE
Декілька модифікацій конструкції розширюють ліміт тиску теплообмінників з PTFE для роботи з парою високого{0}}тиску.
Менший діаметр труби.Трубка меншого діаметру має меншу напругу кільця за однакового тиску та товщини стінки. Трубка діаметром 3 мм витримує більший тиск, ніж трубка діаметром 6 мм із такою ж товщиною стінки.
Більш товста стінка труби.Більш товста стінка зменшує напругу кільця, але збільшує термічний опір. Товщина стінки повинна бути оптимізована відповідно до конкретних вимог щодо тиску та теплопередачі.
Посилена трубна конструкція.PTFE труба з металевим або композитним армуванням може витримувати більш високий тиск, ніж неармована труба. Армуванням може бути дротяна оплетка, спіральна обмотка або композитний шар.
Знижена робоча температура.Зниження температури пари знижує теплову напругу і підвищує міцність матеріалу. Нижчий тиск пари або пароохолоджувач можуть знизити температуру.
Знижений тепловий потік.Менший тепловий потік зменшує різницю температур на стіні та термічну напругу. Потрібна більша площа поверхні, що збільшує капітальні витрати.
Плаваюча трубна решетка.Плаваюча трубна решетка зменшує осьову напругу на трубах і трубній решетці, що покращує утримання тиску.
Специфікаційні параметри для-парового обслуговування високого тиску
Інженери з обладнання, які оцінюють теплообмінники з ПТФЕ для-паропостачання високого тиску, повинні підтвердити наступні параметри у постачальника.
Тиск і температура пари.Вкажіть максимальний тиск пари та температуру насичення.
Температура процесу.Вкажіть температуру технологічної рідини та температуру підходу.
Діаметр труби і товщина стінки.Вкажіть діаметр труби та товщину стінки на основі вимог до тиску та теплопередачі.
Номінальний тиск.Укажіть номінальний тиск при робочій температурі, а не при кімнатній.
Межа повзучості.Укажіть межу повзучості та максимально допустиму напругу для тривалої-служби.
Термічний стрес.Вкажіть розрахунок термічної напруги та допустиму напругу.
Армування.Вкажіть, чи армована труба, і тип армування.
Service life requirement.Вкажіть очікуваний термін служби та графік заміни.
Конструкція PTFE відповідає умовам пари
Обмеженнями теплообмінників з PTFE для роботи з парою під високим{0}}тиском є збереження тиску, міцність,-залежна від температури, повзучість і термічна напруга. Ці обмеження можна усунути за допомогою модифікацій конструкції, таких як менший діаметр труби, товщі стінки, посилення та зменшення теплового потоку. Практичний ліміт для PTFE у -паровому режимі високого тиску становить приблизно 5 бар при 190 градусах, вище якого конструкція стає непрактичною або капітальні витрати стають непомірно високими.
Рішення про вибір має ґрунтуватися на-аналізі конкретного об’єкта, який включає умови пари, вимоги до процесу, капітальні витрати та витрати на обслуговування. Проста модель електронної таблиці з цими параметрами надає інформацію, необхідну для прийняття рішення.
Для-парових установок високого тиску, які оцінюють варіанти теплообмінника, вибір матеріалу має ґрунтуватися на загальній вартості володіння протягом очікуваного терміну служби, а не лише на капітальних витратах чи теплових характеристиках. Металева установка з вищими капітальними витратами може мати нижчу вартість терміну служби, якщо вона може витримувати умови пари без зниження номінальних характеристик.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з PTFE для пари під високим{0}}тиском або інших вимогливих послуг, можуть вимагати перевірки конструкції, що охоплює тиск пари, температуру пари, діаметр труби, товщину стінки, номінальний тиск, межу повзучості та термічну напругу, щоб підтвердити, що пристрій відповідає фактичним умовам пари та вимогам процесу на підприємстві.
