Den termiske gradient, der udvikles under opstart
Et kemisk behandlingsanlæg starter en PTFE-varmeveksler op ved at åbne dampventilen og lade dampen strømme ind i skallen. Dampen kommer ind ved 120 grader, mens varmeveksleren og procesvæsken er på 25 grader. Temperaturforskellen ved dampindtaget er 95 grader.
Dampen opvarmer først skallen og rørpladen ved indløbsenden. Rørpladen udvider sig, efterhånden som den opvarmes, men rørene og rørpladen ved udløbsenden er stadig kolde. Differentialudvidelsen mellem den varme indløbsende og den kolde udløbsende skaber et bøjningsmoment i rørbundtet og en forskydningsspænding ved rør-til-rørpladesamlingerne.
Den termiske gradient udvikles også gennem rørets vægtykkelse. Dampsiden af rørvæggen opvarmes hurtigere end processiden, og temperaturforskellen på tværs af væggen skaber en termisk spænding. For et PTFE-rør med en 0,8 mm væg og en termisk diffusivitet på 0,1 mm²/s er den tid, det tager for væggen at nå termisk ligevægt, ca. 6 sekunder. En hurtig opstart, der ændrer damptemperaturen hurtigere end denne ligevægtstid, skaber en temperaturgradient hen over væggen, der øger den termiske spænding.
Hvorfor rampehastigheden betyder noget
Rampehastigheden bestemmer størrelsen af de termiske gradienter og den resulterende spænding. En langsom rampe tillader temperaturen at udligne på tværs af rørbundtet og rørvæggen, hvilket reducerer gradienterne og spændingen. En hurtig rampe skaber store stigninger og høj belastning.
Spændingen fra en hurtig rampe kan overstige flydespændingen af PTFE, især ved rør-til-rørpladesamlinger, hvor spændingskoncentrationen er højest. Spændingen kan også overskride træthedsgrænsen for PTFE, hvilket betyder, at gentagne opstarter med en hurtig rampe kan forårsage kumulativ skade og eventuel fejl.
Rampehastighedseffekten er særlig vigtig for PTFE, fordi materialet har en lav varmeledningsevne og en høj varmeudvidelseskoefficient. Den lave ledningsevne betyder, at temperaturen udligner sig langsomt, og den høje udvidelseskoefficient betyder, at en given temperaturforskel giver en stor udvidelse. Kombinationen gør PTFE mere følsom over for termisk stød end metalvarmevekslermaterialer.
Rampehastigheden, der beskytter rørene
Den sikre rampehastighed afhænger af temperaturområdet for opstarten og varmevekslerens design. For en typisk PTFE varmeveksler med en 0,8 mm væg og en fast rørplade er den sikre rampehastighed ca. 1-2 grader pr. minut for en opstart fra omgivende til 120 grader. For en varmeveksler med en flydende rørplade kan den sikre rampehastighed være højere, cirka 2-3 grader i minuttet, fordi den flydende rørplade optager den differentielle ekspansion.
Rampehastigheden bør styres af hastigheden af dampventilens åbning. En langsom-åbningsventil eller et bypass-arrangement til opvarmning-lader dampstrømmen øges gradvist, hvilket begrænser temperaturstigningshastigheden. En hurtig-åbningsventil forårsager en hurtig temperaturstigning og en høj termisk gradient.
Rampehastigheden bør også kontrolleres under nedkølingsperioden.- En hurtig afkøling-, såsom når dampventilen lukkes pludseligt, eller når koldt vand indføres, skaber de samme termiske gradienter omvendt. Den sikre -afkølingshastighed er typisk den samme som den sikre-opvarmningshastighed.
Effekten af rørets vægtykkelse
Rørets vægtykkelse påvirker den termiske gradient hen over væggen under opstart. En tyndere væg har en lavere termisk modstand og en mindre temperaturgradient for en given rampehastighed. En tykkere væg har en højere termisk modstand og en større temperaturgradient.
For en 0,5 mm væg er den termiske gradient ved en rampehastighed på 2 grader pr. minut ca. 15 grader. For en 1,0 mm væg er gradienten ca. 30 grader. Den tykkere væg har en højere termisk spænding og en lavere sikker rampehastighed.
Effekten af vægtykkelse på den sikre rampehastighed er betydelig. En varmeveksler med 0,5 mm væg kan tåle en rampehastighed, der er cirka dobbelt så stor som rampehastigheden for en varmeveksler med 1,0 mm væg.
Effekten af rørpladedesign
Rørpladedesignet påvirker spændingen ved rørets-til-rørpladesamlinger under opstart. En fast rørplade begrænser den aksiale udvidelse af rørene, hvilket skaber en trykspænding i rørene og en bøjningsspænding i rørpladen. En flydende rørplade tillader rørene at udvide sig frit, hvilket reducerer belastningen.
For en fast rørplade er den sikre rampehastighed ca. 1-2 grader pr. minut. For en flydende rørplade er den sikre rampehastighed cirka 2-3 grader pr. minut. Den flydende rørplade er det foretrukne design til service med hyppige opstarter.
Sammenligning af rampehastigheder for forskellige konfigurationer
Følgende tabel opsummerer den sikre rampehastighed og den forventede cykluslevetid for forskellige PTFE-varmevekslerkonfigurationer i drift med en opstart fra 25 grader til 120 grader.
| Konfiguration | Rør vægtykkelse | Rørpladedesign | Sikker rampehastighed | Termisk gradient til sikker hastighed | Forventet cyklusliv |
|---|---|---|---|---|---|
| Standard fast rørplade | 0,8 mm | Fast | 1,0 grader/min | 20 grader | 500-800 cyklusser |
| Standard fast rørplade | 0,5 mm | Fast | 1,5 grader/min | 15 grader | 800-1.200 cyklusser |
| Flydende rørplade | 0,8 mm | Flydende | 2,0 grader/min | 20 grader | 1.500-2.500 cyklusser |
| Flydende rørplade | 0,5 mm | Flydende | 3,0 grader/min | 15 grader | 2.500–4.000 cyklusser |
| Flydende rørplade med ekspansionsfuge | 0,8 mm | Flydende | 3,0 grader/min | 20 grader | 2.000-3.500 cyklusser |
| Flydende rørplade med langsom-åbningsventil | 0,8 mm | Flydende | 2,0 grader/min | 20 grader | 2.000-3.000 cyklusser |
De forventede værdier for cykluslevetid forudsætter en opstart fra omgivelsestemperatur til driftstemperatur én gang om dagen og en nedkøling- til omgivelsestemperatur én gang om dagen. Cykluslevetiden er længere for langsommere rampehastigheder og for design af flydende rørplader.
Designfunktioner, der øger den sikre rampehastighed
Adskillige designfunktioner øger den sikre rampehastighed og reducerer risikoen for termisk stød.
Flydende rørplade.En flydende rørplade tillader rørene at udvide sig frit, hvilket reducerer spændingen ved rør-til-rørpladesamlingerne.
Tyndere rørvæg.En tyndere væg reducerer den termiske gradient og den termiske spænding.
Ekspansionsfuger i skallen.En bælgekspansionsfuge i skallen tillader skallen at udvide sig uafhængigt af rørene, hvilket reducerer den differentielle ekspansionsspænding.
Langsomt-åbnende dampventil.En langsom-åbningsventil begrænser hastigheden af dampstrømmens stigning og hastigheden af temperaturstigningen.
Omgå for opvarmning-.Et bypass-arrangement tillader et lille dampflow at opvarme varmeveksleren gradvist, før hoveddampventilen åbnes.
Temperaturovervågning.Temperaturfølere ved varmevekslerens indgang og udgang gør det muligt at overvåge og kontrollere rampehastigheden.
Driftspraksis, der beskytter rørene
Ud over designfunktioner kan betjeningspraksis beskytte rørene mod termisk stød.
Kontrolleret opstartsprocedure.En skriftlig opstartsprocedure, der specificerer rampehastigheden og ventilåbningssekvensen, sikrer, at operatørerne følger den sikre opstartspraksis.
Gradvis åbning af dampventilen.Ved gradvist at åbne dampventilen over 15-30 minutter kan temperaturen stige med en kontrolleret hastighed.
Opvarmningsbypass-.Ved at bruge en opvarmnings--bypass til at indføre en lille dampstrøm, før hovedventilen åbnes, reduceres den indledende temperaturforskel.
Afkølingskontrol-.Ved at lade varmeveksleren afkøle gradvist efter nedlukning i stedet for pludselig at lukke dampventilen eller tilføre koldt vand, reduceres den termiske gradient.
Termisk cyklustælling.Sporing af antallet af opstarter og rampehastigheden giver et grundlag for at forudsige levetiden og planlægge vedligeholdelse.
Specifikationsparametre for termisk stødbeskyttelse
Udstyrsingeniører, der specificerer en PTFE-varmeveksler til service med hyppige opstarter, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Opstartsfrekvens.Angiv det forventede antal opstarter pr. dag eller pr. år.
Temperaturområde.Angiv temperaturområdet for opstart og afkøling-.
Rampehastighed.Angiv den nødvendige rampehastighed baseret på rørets vægtykkelse og rørpladedesignet.
Rør vægtykkelse.Angiv rørets vægtykkelse. En tyndere væg tillader en højere rampehastighed.
Rørplade design.Angiv en flydende rørplade til service med hyppige opstarter.
Ekspansionsfuger.Angiv, om der er ekspansionsfuger i skallen.
Dampventil type.Angiv en langsom-åbningsventil eller et bypass-arrangement til opvarmning-.
Temperaturovervågning.Angiv temperatursensorerne og overvågningsmetoden til sporing af rampehastigheden.
Matchende rampehastighed til varmevekslerdesign
Opstartsrampehastigheden bestemmer de termiske gradienter og spændingen i en PTFE-varmeveksler under opstart. En langsom rampe tillader temperaturen at udligne og reducerer belastningen. En hurtig rampe skaber store stigninger og høj belastning, der kan overstige styrken af PTFE og forårsage for tidlig fejl.
Den sikre rampehastighed afhænger af rørets vægtykkelse og rørpladedesignet. For en standard fast rørplade med en 0,8 mm væg er den sikre rampehastighed ca. 1-2 grader pr. minut. For en flydende rørplade med en 0,5 mm væg kan den sikre rampehastighed være 3 grader pr. minut eller højere.
For faciliteter, der vurderer PTFE-varmevekslermuligheder til service med hyppige opstarter, skal rampehastigheden angives i indkøbsdokumenterne og verificeres ved idriftsættelse. Standardkonfigurationen leveret af producenten inkluderer muligvis ikke de designfunktioner, der tillader en højere rampehastighed, og det resulterende termiske stød kan forårsage for tidlig fejl.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der vurderer PTFE-varmevekslerspecifikationer til service med hyppige opstarter eller høje termiske cyklusser, kan anmode om en designgennemgang, der dækker opstartsfrekvens, temperaturområde, rampehastighed, rørvægtykkelse, rørpladedesign og ekspansionsfuger for at bekræfte, at enheden er afstemt med den faktiske driftscyklus og kravene til termisk stød i anlægget.
