Steam-tabellen, der definerer grænsen
Et kemisk anlæg, der kræver 150 kW varme ved en procestemperatur på 160 grader, har adgang til damp ved 12 bar, hvilket giver en mættet temperatur på 191 grader. Den metalliske varmeveksler, der er specificeret til denne opgave, er en skal-og-rørenhed med en 6 mm rustfri stålrørsvæg. PTFE-alternativet skal vurderes i forhold til samme pligt.
Ved 12 bar og 191 grader ligger det mættede damptryk godt inden for rækkevidden af metalliske varmevekslere. For PTFE er den første begrænsning det maksimale driftstryk. Standard PTFE varmevekslere er klassificeret til 0,5–1,0 MPa (5–10 bar) ved moderat temperatur, men trykket falder, når temperaturen stiger. Ved 190 grader kan det tilladte arbejdstryk for et typisk PTFE-rør være 0,3-0,5 MPa, hvilket er under det krævede damptryk.
Den anden begrænsning er den temperaturafhængige- styrke. PTFE bevarer cirka 50 % af sin rumtemperatur-trækstyrke ved 190 grader, og krybehastigheden øges markant. Rørvæggen skal være tykkere for at modstå trykket ved den forhøjede temperatur, hvilket øger den termiske modstand og reducerer varmeoverførselskoefficienten.
Den tredje begrænsning er den indre spænding, der udvikler sig, når rørvæggen opvarmes af dampen. Dampsiden af røret er på 191 grader, og processiden er på 160 grader, hvilket skaber en temperaturforskel på 31 grader over væggen. I et materiale med lav-ledningsevne producerer denne temperaturforskel en betydelig termisk spænding, der øger trykspændingen.
Trykbegrænsningsgrænsen
Trykbegrænsning er den mest fundamentale begrænsning. Bøjlespændingen i et tyndt-vægget rør under indvendigt tryk er proportional med trykket og rørdiameteren og omvendt proportional med vægtykkelsen. For et PTFE-rør med en ydre diameter på 6 mm og en væg på 1,0 mm er bøjlespændingen ved 10 bar indvendigt tryk ca. 30 MPa. Trækstyrken af PTFE ved 190 grader er cirka 10-12 MPa, hvilket betyder, at røret ikke kan indeholde trykket med en tilstrækkelig sikkerhedsfaktor.
Forøgelse af vægtykkelsen reducerer bøjlespændingen, men øger den termiske modstand. En 2,0 mm væg reducerer bøjlespændingen til 15 MPa, hvilket er inden for styrkegrænsen, men den termiske modstand fordobles, og varmeoverførselskoefficienten falder. Varmeveksleren skal være større for at kompensere, hvilket øger kapitalomkostningen og pladsbehovet.
Alternativet er at reducere rørdiameteren. Et 3 mm rør med ydre diameter og 1,0 mm væg har en bøjlespænding på 15 MPa ved 10 bar, hvilket er inden for styrkegrænsen. Røret med mindre diameter har et større overfladeareal pr. volumenhed, hvilket delvist kompenserer for den lavere varmeoverførselskoefficient.
Den temperaturafhængige-styrkegrænse
Trækstyrken af PTFE falder med temperaturen. Ved 20 grader er trækstyrken cirka 25-30 MPa. Ved 100 grader er det cirka 15-18 MPa. Ved 190 grader er det cirka 10-12 MPa. Ved 250 grader er det cirka 5-6 MPa.
Den faldende styrke begrænser den tilladte belastning og det tilladte tryk. En varmeveksler, der er klassificeret til 10 bar ved 100 grader, må kun vurderes til 4-5 bar ved 190 grader. Reduktionsfaktoren er typisk 0,5-0,6 ved 190 grader sammenlignet med rumtemperaturen{10}.
Reduktionen er ikke en lineær funktion af temperaturen. Styrken falder langsomt op til 150 grader og hurtigere over 200 grader. Den praktiske grænse for-højtryksdampservice er ca. 150-180 grader, over hvilken trykklassificeringen bliver for lav for de fleste industrielle dampsystemer.
Krybegrænsen
Krybning er den langsomme deformation af et materiale under vedvarende belastning. PTFE kryber ved stuetemperatur, og krybehastigheden stiger med temperaturen. Ved 190 grader kan krybehastigheden være 10-20 gange højere end ved 20 grader.
I en varmeveksler viser krybet sig som en langsom stigning i rørdiameter og et langsomt fald i vægtykkelse. Røret udvider sig under det indre tryk, og væggen bliver tyndere. Over tid kan røret briste, eller rør-til-rørpladesamlingen kan lække.
Krybegrænsen udtrykkes typisk som den maksimale spænding, der giver mindre end 1 % belastning på 10.000 timer. For PTFE ved 190 grader er denne spænding ca. 3-4 MPa, hvilket er meget lavere end trækstyrken. Krybegrænsen, ikke trækstyrken, er den styrende parameter for lang-service.
Den termiske spændingsgrænse
Den termiske spænding i rørvæggen er proportional med temperaturforskellen over væggen, den termiske udvidelseskoefficient og elasticitetsmodulet. For PTFE er den termiske udvidelseskoefficient ca. 12 x 10⁻⁵/grad, og modulet ved 190 grader er ca. 200 MPa.
For en temperaturforskel på 31 grader over væggen er den termiske spænding cirka 7,4 MPa. Denne stress øger trykbelastningen og reducerer det tilladte tryk. I en høj-dampapplikation kan den termiske spænding være en væsentlig brøkdel af den samlede spænding, og den skal indgå i designberegningen.
Den termiske spænding kan reduceres ved at reducere temperaturforskellen over væggen, hvilket betyder at reducere varmefluxen. En lavere varmestrøm kræver et større overfladeareal, hvilket øger kapitalomkostningerne.
Sammenligning af PTFE og metalliske enheder i-højtryksdamptjeneste
Følgende tabel opsummerer ydeevnen og omkostningsegenskaberne for varmevekslere af PTFE og rustfrit stål i højtryksdampdrift ved 12 bar og 191 grader.
| Karakteristisk | Varmeveksler i rustfrit stål | PTFE varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Maksimalt driftstryk ved 191 grader | 25 bar | 4-5 bar | Rustfrit stål |
| Maksimal driftstemperatur | 400 grader | 260 grader | Rustfrit stål |
| Trækstyrke ved 191 grader | 140 MPa | 10-12 MPa | Rustfrit stål |
| Krybegrænse ved 191 grader | Ikke relevant | 3-4 MPa | Rustfrit stål |
| Termisk ledningsevne | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Rustfrit stål |
| Samlet varmeoverførselskoefficient | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Rustfrit stål |
| Kræver overfladeareal til 150 kW | 5 m² | 20 m² | Rustfrit stål |
| Termisk spænding ved 31 grader ΔT | 15 MPa | 7,4 MPa | PTFE |
| Kemisk modstandsdygtighed over for dampkondensat | God | Fremragende | PTFE |
| Levetid i dampservice | 20-30 år | 8-12 år | Rustfrit stål |
| Kapitaludgift til 150 kW told | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Installationsomkostninger | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Årlige vedligeholdelsesomkostninger | $1,500 | $3,000 | Rustfrit stål |
| Fem-års samlede omkostninger | $82,500 | $90,000 | Rustfrit stål |
De fem-årige samlede omkostningsværdier antager en produktionsværdi på 500 USD i timen og inkluderer kapitalomkostninger, installationsomkostninger og vedligeholdelsesomkostninger over fem år.
Når PTFE stadig er det bedre valg
På trods af de mekaniske begrænsninger er PTFE stadig det bedre valg i adskillige-højtryksdampapplikationer.
Ætsende kondensat service.Hvis dampkondensatet indeholder ætsende stoffer såsom klorider eller fluorider, kan den rustfri stålenhed korrodere, mens PTFE-enheden er modstandsdygtig.
Lav-damptjeneste.Ved damptryk under 5 bar og temperaturer under 150 grader er de mekaniske begrænsninger af PTFE mindre alvorlige, og PTFE-enheden kan være konkurrencedygtig.
Høj-renhedstjeneste.Hvis procesvæsken er følsom over for forurening fra metalioner, er PTFE-enheden det bedre valg, fordi den ikke udvasker metalioner.
Lille varmebelastningsservice.For små varmebelastninger er det større overfladeareal af PTFE-enheden mindre af en begrænsning, og de lavere kapitalomkostninger kan favorisere PTFE.
Eftermonteringsservice.Hvis den eksisterende varmeveksler er en PTFE-enhed, og damptrykket øges, kan PTFE-enheden stadig være tilstrækkelig, hvis trykket er inden for den reducerede grænse.
Designændringer, der forlænger PTFE-trykgrænsen
Adskillige designændringer udvider trykgrænsen for PTFE-varmevekslere i højtryksdamptjeneste.-
Mindre rørdiameter.Et rør med mindre diameter har en lavere bøjlespænding for samme tryk og vægtykkelse. Et 3 mm rør kan modstå højere tryk end et 6 mm rør med samme vægtykkelse.
Tykkere rørvæg.En tykkere væg reducerer bøjlespændingen, men øger den termiske modstand. Vægtykkelsen skal optimeres til de specifikke tryk- og varmeoverførselskrav.
Forstærket rørkonstruktion.Et PTFE-rør med en metallisk eller kompositforstærkning kan modstå højere tryk end et uforstærket rør. Forstærkningen kan være en trådfletning, en spiralomvikling eller et kompositlag.
Reduceret driftstemperatur.Sænkning af damptemperaturen reducerer den termiske belastning og øger materialets styrke. Et lavere damptryk eller en desuperheater kan reducere temperaturen.
Reduceret varmeflux.En lavere varmeflux reducerer temperaturforskellen over væggen og den termiske belastning. Der kræves et større overfladeareal, hvilket øger kapitalomkostningerne.
Flydende rørplade.En flydende rørplade reducerer den aksiale spænding på rørene og rørpladen, hvilket forbedrer trykinddæmningen.
Specifikationsparametre for-højtryksdamptjeneste
Udstyrsingeniører, der vurderer PTFE-varmevekslere til højtryksdampservice, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Damptryk og temperatur.Angiv det maksimale damptryk og den mættede temperatur.
Procestemperatur.Angiv procesvæsketemperaturen og tilgangstemperaturen.
Rørdiameter og vægtykkelse.Angiv rørdiameteren og vægtykkelsen baseret på kravene til tryk og varmeoverførsel.
Trykklassificering.Angiv trykværdien ved driftstemperaturen, ikke ved stuetemperatur.
Krybegrænse.Angiv krybegrænsen og den maksimalt tilladte stress for lang-tjeneste.
Termisk stress.Angiv den termiske spændingsberegning og den tilladte spænding.
Forstærkning.Angiv om røret er forstærket og armeringstypen.
Krav om levetid.Angiv den forventede levetid og udskiftningsplanen.
Matchende PTFE-design til Steam-forhold
Begrænsningerne ved PTFE-varmevekslere i høj-dampservice er trykinddæmning, temperatur-afhængig styrke, krybning og termisk stress. Disse begrænsninger kan håndteres ved designændringer såsom mindre rørdiameter, tykkere væg, forstærkning og reduceret varmeflux. Den praktiske grænse for PTFE i-højtryksdampservice er ca. 5 bar ved 190 grader, over hvilken designet bliver upraktisk, eller kapitalomkostningerne bliver uoverkommelige.
Valgbeslutningen bør baseres på en facilitets-specifik analyse, der inkorporerer dampforholdene, proceskravene, kapitalomkostningerne og vedligeholdelsesomkostningerne. En simpel regnearksmodel med disse parametre giver den nødvendige information til at træffe beslutningen.
For højtryksdampservicefaciliteter, der evaluerer varmevekslermuligheder, bør materialevalget baseres på de samlede ejeromkostninger over den forventede levetid, ikke kun kapitalomkostningerne eller den termiske ydeevne. En metallisk enhed med en højere kapitalomkostning kan have en lavere levetidsomkostning, hvis den kan håndtere dampforholdene uden at reducere.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der vurderer PTFE-varmevekslerspecifikationer til højtryksdamp eller anden krævende service, kan anmode om en designgennemgang, der dækker damptryk, damptemperatur, rørdiameter, vægtykkelse, trykklassificering, krybegrænse og termisk spænding for at bekræfte, at enheden er tilpasset de faktiske dampforhold og proceskravene til de faktiske dampforhold.
