Steam tabula, kas nosaka ierobežojumu
Ķīmiskajā rūpnīcā, kurai nepieciešams 150 kW siltuma pie 160 grādu procesa temperatūras, ir pieejams tvaiks pie 12 bāru spiediena, kas nodrošina piesātinātu 191 grādu temperatūru. Šim nolūkam paredzētais metāla siltummainis ir korpusa-un-cauruļu bloks ar 6 mm nerūsējošā tērauda caurules sienu. PTFE alternatīva ir jānovērtē attiecībā pret to pašu nodokli.
Pie 12 bāriem un 191 grāda piesātinātā tvaika spiediens ir krietni metāla siltummaiņu diapazonā. PTFE pirmais ierobežojums ir maksimālais darba spiediens. Standarta PTFE siltummaiņi ir paredzēti 0,5–1,0 MPa (5–10 bāri) mērenā temperatūrā, bet spiediena reitings samazinās, temperatūrai paaugstinoties. Pie 190 grādiem pieļaujamais darba spiediens tipiskai PTFE caurulei var būt 0,3–0,5 MPa, kas ir zemāks par nepieciešamo tvaika spiedienu.
Otrs ierobežojums ir no temperatūras{0}}atkarīgā stipruma. PTFE saglabā aptuveni 50% no savas istabas temperatūras stiepes izturības pie 190 grādiem, un šļūdes ātrums ievērojami palielinās. Caurules sieniņai jābūt biezākai, lai izturētu spiedienu paaugstinātā temperatūrā, kas palielina siltuma pretestību un samazina siltuma pārneses koeficientu.
Trešais ierobežojums ir iekšējais spriegums, kas rodas, kad caurules sienu silda tvaiks. Caurules tvaika puse ir 191 grādi, bet procesa puse ir 160 grādi, kas rada temperatūras starpību 31 grādi visā sienā. Materiālā ar zemu -vadītspēju šī temperatūras atšķirība rada ievērojamu termisko spriegumu, kas palielina spiediena spriegumu.
Spiediena ierobežojuma robeža
Spiediena ierobežošana ir vissvarīgākais ierobežojums. Stīpas spriegums plānās -sienu caurulē zem iekšējā spiediena ir proporcionāls spiedienam un caurules diametram un apgriezti proporcionāls sienas biezumam. PTFE caurulei ar 6 mm ārējo diametru un 1,0 mm sienu loka spriegums pie 10 bāru iekšējā spiediena ir aptuveni 30 MPa. PTFE stiepes izturība pie 190 grādiem ir aptuveni 10–12 MPa, kas nozīmē, ka caurule nevar saturēt spiedienu ar atbilstošu drošības koeficientu.
Sienas biezuma palielināšana samazina loka spriegumu, bet palielina termisko pretestību. 2,0 mm siena samazina loka spriegumu līdz 15 MPa, kas ir stiprības robežās, bet siltuma pretestība dubultojas, un siltuma pārneses koeficients samazinās. Siltummainim jābūt lielākam, lai to kompensētu, kas palielina kapitāla izmaksas un telpas nepieciešamību.
Alternatīva ir samazināt caurules diametru. 3 mm ārējā diametra caurulei ar 1,0 mm sienu stīpas spriegums pie 10 bāriem ir 15 MPa, kas ir stiprības robežās. Mazāka diametra caurulei ir lielāks virsmas laukums uz tilpuma vienību, kas daļēji kompensē zemāku siltuma pārneses koeficientu.
Temperatūras{0}}atkarīgais stipruma ierobežojums
PTFE stiepes izturība samazinās līdz ar temperatūru. Pie 20 grādiem stiepes izturība ir aptuveni 25–30 MPa. Pie 100 grādiem tas ir aptuveni 15–18 MPa. Pie 190 grādiem tas ir aptuveni 10–12 MPa. Pie 250 grādiem tas ir aptuveni 5–6 MPa.
Spēka samazināšanās ierobežo pieļaujamo spriegumu un pieļaujamo spiedienu. Siltummainis, kas ir paredzēts 10 bāriem pie 100 grādiem, var būt paredzēts tikai 4–5 bāriem pie 190 grādiem. Samazinājuma koeficients parasti ir 0,5–0,6 190 grādos salīdzinājumā ar telpas temperatūras vērtējumu.
Samazinājums nav lineāra temperatūras funkcija. Stiprums lēnām samazinās līdz 150 grādiem un straujāk virs 200 grādiem. Augstspiediena tvaika pakalpojuma praktiskā robeža ir aptuveni 150–180 grādi, virs kuras spiediena reitings kļūst pārāk zems lielākajai daļai rūpniecisko tvaika sistēmu.
Šļūdes ierobežojums
Šļūde ir materiāla lēna deformācija ilgstošas slodzes ietekmē. PTFE slīd istabas temperatūrā, un šļūdes ātrums palielinās līdz ar temperatūru. Pie 190 grādiem šļūdes ātrums var būt 10–20 reizes lielāks nekā pie 20 grādiem.
Siltummainī šļūde izpaužas kā lēns caurules diametra pieaugums un lēns sieniņu biezuma samazinājums. Caurule zem iekšējā spiediena izplešas, un siena kļūst plānāka. Laika gaitā caurule var plīst vai caurules -un-caurules loksnes savienojums var izplūst.
Šļūdes robežu parasti izsaka kā maksimālo spriegumu, kas rada mazāk nekā 1% deformācijas 10 000 stundu laikā. PTFE pie 190 grādiem šis spriegums ir aptuveni 3–4 MPa, kas ir daudz mazāks par stiepes izturību. Šļūdes robeža, nevis stiepes izturība, ir kontrolējošais parametrs ilgstošai darbībai{8}}.
Termiskā sprieguma robeža
Termiskais spriegums caurules sienā ir proporcionāls temperatūras starpībai visā sienā, termiskās izplešanās koeficientam un elastības modulim. PTFE termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni 12 × 10⁻⁵/grādi, un modulis pie 190 grādiem ir aptuveni 200 MPa.
Temperatūras starpībai 31 grāds pāri sienai termiskais spriegums ir aptuveni 7,4 MPa. Šis spriegums palielina spiediena spiedienu un samazina pieļaujamo spiedienu. Augstspiediena-tvaika pielietojumā termiskais spriegums var būt ievērojama kopējā sprieguma daļa, un tas ir jāiekļauj projekta aprēķinā.
Termisko spriegumu var samazināt, samazinot temperatūras starpību visā sienā, kas nozīmē siltuma plūsmas samazināšanu. Mazākai siltuma plūsmai ir nepieciešams lielāks virsmas laukums, kas palielina kapitāla izmaksas.
PTFE un metāla vienību salīdzinājums augsta spiediena{0}}tvaika pakalpojumā
Tālāk esošajā tabulā ir apkopoti PTFE un nerūsējošā tērauda siltummaiņu veiktspējas un izmaksu raksturlielumi augsta -spiediena tvaika režīmā pie 12 bar un 191 grāda.
| Raksturīgs | Nerūsējošā tērauda siltummainis | PTFE siltummainis | Priekšrocība |
|---|---|---|---|
| Maksimālais darba spiediens 191 grāds | 25 bāri | 4-5 bāri | Nerūsējošais tērauds |
| Maksimālā darba temperatūra | 400 grādi | 260 grādi | Nerūsējošais tērauds |
| Stiepes izturība pie 191 grādiem | 140 MPa | 10–12 MPa | Nerūsējošais tērauds |
| Šļūdes ierobežojums pie 191 grāda | Nav piemērojams | 3–4 MPa | Nerūsējošais tērauds |
| Siltumvadītspēja | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Nerūsējošais tērauds |
| Kopējais siltuma pārneses koeficients | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Nerūsējošais tērauds |
| Nepieciešamā virsma 150 kW | 5 m² | 20 m² | Nerūsējošais tērauds |
| Termiskais spriegums pie 31 grāda ΔT | 15 MPa | 7,4 MPa | PTFE |
| Ķīmiskā izturība pret tvaika kondensātu | Labi | Lieliski | PTFE |
| Kalpošanas laiks tvaika servisā | 20-30 gadi | 8-12 gadi | Nerūsējošais tērauds |
| Kapitāla izmaksas par 150 kW nodevu | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Uzstādīšanas izmaksas | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Ikgadējās uzturēšanas izmaksas | $1,500 | $3,000 | Nerūsējošais tērauds |
| Piecu{0}}gadu kopējās izmaksas | $82,500 | $90,000 | Nerūsējošais tērauds |
Piecu{0}}gadu kopējo izmaksu vērtībās tiek pieņemta ražošanas vērtība 500 ASV dolāru stundā, un tās ietver kapitāla izmaksas, uzstādīšanas izmaksas un uzturēšanas izmaksas piecu gadu laikā.
Kad PTFE joprojām ir labākā izvēle
Neraugoties uz mehāniskajiem ierobežojumiem, PTFE joprojām ir labāka izvēle vairākos augsta spiediena{0}}tvaika lietojumos.
Kodīga kondensāta serviss.Ja tvaika kondensāts satur korozīvas vielas, piemēram, hlorīdus vai fluorīdus, nerūsējošā tērauda bloks var korodēt, bet PTFE bloks ir izturīgs.
Zema spiediena{0}}tvaika pakalpojums.Ja tvaika spiediens ir zemāks par 5 bāriem un temperatūra ir zemāka par 150 grādiem, PTFE mehāniskie ierobežojumi ir mazāk stingri, un PTFE iekārta var būt konkurētspējīga.
Augstas-tīrības pakāpes pakalpojums.Ja procesa šķidrums ir jutīgs pret metālu jonu piesārņojumu, PTFE iekārta ir labāka izvēle, jo tā neizskalo metālu jonus.
Mazas siltumslodzes serviss.Mazām siltuma slodzēm lielākais PTFE vienības virsmas laukums ir mazāks ierobežojums, un zemākas kapitāla izmaksas var dot priekšroku PTFE.
Modernizācijas pakalpojums.Ja esošais siltummainis ir PTFE iekārta un tvaika spiediens ir palielināts, PTFE iekārta joprojām var būt piemērota, ja spiediens ir samazinātās robežās.
Dizaina modifikācijas, kas paplašina PTFE spiediena robežu
Vairākas konstrukcijas modifikācijas paplašina PTFE siltummaiņu spiediena ierobežojumu augsta spiediena tvaika{0}}pakalpojumos.
Mazāks caurules diametrs.Mazāka diametra caurulei ir mazāks loka spriegums tādam pašam spiedienam un sienas biezumam. 3 mm caurule var izturēt lielāku spiedienu nekā 6 mm caurule ar tādu pašu sieniņu biezumu.
Biezāka caurules siena.Biezāka siena samazina loka spriegumu, bet palielina termisko pretestību. Sienas biezumam jābūt optimizētam konkrētajām spiediena un siltuma pārneses prasībām.
Pastiprināta cauruļu konstrukcija.PTFE caurule ar metālisku vai kompozītmateriālu stiegrojumu var izturēt lielāku spiedienu nekā nepastiprināta caurule. Armatūra var būt stiepļu pinums, spirālveida aptinums vai salikts slānis.
Samazināta darba temperatūra.Tvaika temperatūras pazemināšana samazina termisko spriegumu un palielina materiāla izturību. Zemāks tvaika spiediens vai atkausētājs var pazemināt temperatūru.
Samazināta siltuma plūsma.Zemāka siltuma plūsma samazina temperatūras starpību visā sienā un termisko spriegumu. Nepieciešams lielāks virsmas laukums, kas palielina kapitāla izmaksas.
Peldoša caurules loksne.Peldoša caurules loksne samazina aksiālo spriegumu uz caurulēm un caurules loksnēm, kas uzlabo spiediena ierobežošanu.
Augstspiediena{0}}tvaika pakalpojuma specifikācijas parametri
Iekārtu inženieriem, kas novērtē PTFE siltummaiņus augstspiediena tvaika{0}}pakalpojumam, ar piegādātāju jāapstiprina tālāk norādītie parametri.
Tvaika spiediens un temperatūra.Norādiet maksimālo tvaika spiedienu un piesātināto temperatūru.
Procesa temperatūra.Norādiet procesa šķidruma temperatūru un pieejas temperatūru.
Caurules diametrs un sieniņu biezums.Norādiet caurules diametru un sienas biezumu, pamatojoties uz spiediena un siltuma pārneses prasībām.
Spiediena reitings.Norādiet spiediena vērtību darba temperatūrā, nevis istabas temperatūrā.
Šļūdes ierobežojums.Norādiet šļūdes ierobežojumu un maksimālo pieļaujamo slodzi-ilgtermiņa pakalpojumam.
Termiskais stress.Norādiet termiskā sprieguma aprēķinu un pieļaujamo spriegumu.
Pastiprināšana.Norādiet, vai caurule ir pastiprināta, un armatūras veidu.
Prasība kalpošanas laikam.Norādiet paredzamo kalpošanas laiku un nomaiņas grafiku.
PTFE dizaina atbilstība tvaika apstākļiem
PTFE siltummaiņu ierobežojumi augstspiediena tvaika{0}}pakalpojumos ir spiediena ierobežošana, temperatūras{1}}atkarīgā izturība, šļūde un termiskais spriegums. Šos ierobežojumus var pārvaldīt, veicot konstrukcijas modifikācijas, piemēram, mazāku caurules diametru, biezāku sienu, stiegrojumu un samazinātu siltuma plūsmu. Praktiskais PTFE ierobežojums augstspiediena tvaika režīmā ir aptuveni 5 bar 190 grādos, virs kura konstrukcija kļūst nepraktiska vai kapitāla izmaksas kļūst pārmērīgas.
Izvēles lēmumam ir jābūt balstītam uz objekta{0}}specifisku analīzi, kurā ir iekļauti tvaika apstākļi, procesa prasības, kapitāla izmaksas un uzturēšanas izmaksas. Vienkāršs izklājlapas modelis ar šiem parametriem sniedz informāciju, kas nepieciešama lēmuma pieņemšanai.
Augstspiediena{0}}tvaika apkalpošanas iekārtām, kas novērtē siltummaiņa iespējas, materiālu izvēlei ir jābalstās uz kopējām īpašuma izmaksām paredzamajā kalpošanas laikā, nevis tikai uz kapitāla izmaksām vai siltuma veiktspēju. Metāla ierīcei ar augstākām kapitāla izmaksām var būt zemākas ekspluatācijas izmaksas, ja tā var izturēt tvaika apstākļus bez pazemināšanas.
Iekārtu inženieri un iepirkumu speciālisti, kas novērtē PTFE siltummaiņa specifikācijas augsta spiediena{0}}tvaikam vai citam prasīgam pakalpojumam, var pieprasīt projekta pārskatīšanu, kas aptver tvaika spiedienu, tvaika temperatūru, caurules diametru, sieniņu biezumu, spiediena rādītāju, šļūdes robežu un termisko spriegumu, lai pārliecinātos, ka iekārta atbilst faktiskajiem tvaika apstākļiem un procesa prasībām objektā.
