Gangsa Aluminium Yang Telah Menghidangkan Air Laut Selama Beberapa Dekad
Aluminium gangsa ialah aloi berasaskan tembaga-yang mengandungi 5–11% aluminium, dengan tambahan besi, nikel dan mangan. Aloi membentuk filem aluminium oksida pelindung yang menahan kakisan air laut dan filem itu akan sembuh sendiri-jika ia rosak. Kadar kakisan dalam air laut bersih lazimnya kurang daripada 0.025 mm setahun, yang memberikan hayat perkhidmatan selama 20–30 tahun untuk ketebalan dinding tiub biasa.
Gangsa aluminium digunakan dalam penukar haba air laut kerana ia menggabungkan rintangan kakisan yang mencukupi dengan kekonduksian haba yang tinggi dan kos sederhana. Kekonduksian terma adalah lebih kurang 60 W/m·K, iaitu kira-kira 240 kali lebih tinggi daripada PTFE. Kekonduksian yang tinggi bermakna penukar haba gangsa aluminium adalah padat dan agak murah.
Had aluminium gangsa ialah kerentanannya terhadap hakisan-kakisan pada halaju aliran tinggi dan serangan sulfida dalam air laut yang tercemar. Had kakisan-hakisan biasanya 1.5–2.5 m/s untuk perkhidmatan air laut, di atasnya filem pelindung dialihkan secara mekanikal dan kadar kakisan meningkat dengan mendadak. Serangan sulfida berlaku apabila air laut mengandungi hidrogen sulfida, yang biasa berlaku di pelabuhan dan muara yang tercemar. Sulfida bertindak balas dengan kuprum dalam aloi dan membentuk sulfida tembaga, yang tidak melindungi.
PTFE Yang Menghapuskan Mekanisme Kakisan
PTFE tahan air laut pada semua kepekatan dan suhu dalam julat perkhidmatannya. Bahan tidak menghakis, dan hayat perkhidmatan ditentukan oleh faktor mekanikal dan bukannya serangan kimia. PTFE tidak terdedah kepada hakisan-kakisan pada halaju aliran tinggi dan ia tidak diserang oleh sulfida atau klorida.
Penghapusan mekanisme kakisan adalah sebab utama PTFE dinyatakan untuk perkhidmatan air laut di mana aluminium gangsa akan gagal. Unit PTFE tidak menghasilkan serangan kakisan-hakisan atau sulfida yang mengehadkan hayat perkhidmatan gangsa aluminium dan prestasi pemindahan haba kekal stabil sepanjang hayat perkhidmatan.
Jurang Kekonduksian Terma
Kekonduksian haba aluminium gangsa adalah lebih kurang 60 W/m·K, berbanding 0.25 W/m·K untuk PTFE. Nisbahnya adalah lebih kurang 240:1.
Untuk penukar haba yang menolak 100 kW dalam air laut pada 30 darjah , unit gangsa aluminium memerlukan lebih kurang 5 m² luas permukaan, berdasarkan pekali pemindahan haba keseluruhan 1,000 W/m²·K dan perbezaan suhu purata log 20 darjah . Unit PTFE untuk tugas yang sama memerlukan lebih kurang 25 m² luas permukaan, berdasarkan pekali keseluruhan 200 W/m·K dan perbezaan suhu yang sama.
Unit PTFE adalah 5 kali lebih besar daripada unit gangsa aluminium. Saiz yang lebih besar meningkatkan kos modal, ruang lantai, dan isipadu bendalir. Fluks haba yang lebih rendah mengurangkan suhu dinding tiub, yang bermanfaat untuk proses, tetapi kawasan permukaan yang lebih besar juga menyediakan lebih banyak permukaan untuk mendapan dan memerlukan lebih banyak masa untuk membersihkan.
Had Kakisan-Hakisan Gangsa Aluminium
Had kakisan-hakisan ialah halaju aliran di atasnya filem pelindung pada gangsa aluminium dikeluarkan secara mekanikal dan kadar kakisan meningkat dengan mendadak. Had bergantung pada komposisi aloi, kimia air laut, dan geometri tiub.
Untuk gangsa aluminium standard dalam air laut bersih, had kakisan-hakisan biasanya 1.5–2.5 m/s. Di atas halaju ini, kadar kakisan boleh meningkat dengan faktor lima hingga sepuluh, dan hayat perkhidmatan dikurangkan daripada 20–30 tahun kepada 3–5 tahun.
Had kakisan-hakisan ialah parameter reka bentuk kritikal untuk penukar haba gangsa aluminium. Halaju sisi tiub-mesti dikekalkan di bawah had, yang mungkin memerlukan diameter tiub yang lebih besar atau kadar aliran yang lebih rendah. Diameter tiub yang lebih besar meningkatkan saiz penukar haba dan kos modal.
PTFE tidak mempunyai had hakisan-dalam erti kata yang sama. Bahan tidak terdedah kepada penyingkiran mekanikal filem pelindung kerana tiada filem pelindung. Penukar haba PTFE boleh beroperasi pada halaju aliran yang lebih tinggi tanpa risiko hakisan-kakisan, yang memberikan lebih fleksibiliti dalam reka bentuk.
Serangan Sulfida pada Gangsa Aluminium
Serangan sulfida berlaku apabila air laut mengandungi hidrogen sulfida, yang biasa berlaku di pelabuhan tercemar, muara sungai dan kawasan pelepasan industri. Sulfida bertindak balas dengan kuprum dalam gangsa aluminium dan membentuk sulfida tembaga, yang tidak melindungi. Kadar kakisan meningkat dengan mendadak, dan hayat perkhidmatan dikurangkan daripada 20-30 tahun kepada 1-3 tahun.
Serangan sulfida ialah fenomena setempat yang bermula pada hujung tiub dan pada sambungan lembaran tiub-ke-tiub, di mana halaju aliran rendah dan kepekatan sulfida tinggi. Serangan itu nyata sebagai pitting, yang menembusi dinding tiub dan menyebabkan kebocoran.
PTFE tidak diserang oleh sulfida. Bahan ini tahan kepada hidrogen sulfida pada semua kepekatan dan suhu dalam julat perkhidmatannya. Ini adalah sebab utama PTFE ditetapkan untuk perkhidmatan air laut di pelabuhan dan muara yang tercemar.
Membandingkan Dua Bahan dalam Pertukaran Haba Air Laut
Jadual berikut meringkaskan prestasi dan ciri-ciri kos PTFE dan penukar haba gangsa aluminium dalam perkhidmatan pertukaran haba air laut pada 30 darjah dengan air laut bersih dan halaju aliran 1.5 m/s.
| Ciri | Penukar Haba Gangsa Aluminium | Penukar Haba PTFE | Kelebihan |
|---|---|---|---|
| Kekonduksian terma | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | gangsa aluminium |
| Pekali pemindahan haba keseluruhan | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | gangsa aluminium |
| Luas permukaan diperlukan untuk 100 kW | 5 m² | 25 m² | gangsa aluminium |
| Rintangan kimia terhadap air laut yang bersih | Cemerlang | Cemerlang | sama |
| Rintangan kimia terhadap sulfida-air laut yang tercemar | miskin | Cemerlang | PTFE |
| Hakisan-had kakisan | 1.5–2.5 m/s | tiada | PTFE |
| Suhu operasi maksimum | 200 darjah | 260 darjah | PTFE |
| Kekuatan mekanikal | tinggi | Sederhana | gangsa aluminium |
| Rintangan kejutan terma | Sederhana | tinggi | PTFE |
| Kebolehbaikan | Terhad | bagus | PTFE |
| Hayat perkhidmatan dalam air laut bersih | 20–30 tahun | 15–20 tahun | gangsa aluminium |
| Hayat perkhidmatan dalam sulfida-air laut yang tercemar | 1–3 tahun | 15–20 tahun | PTFE |
| Kos modal untuk duti 100 kW | $45,000 | $52,000 | gangsa aluminium |
| Kos pemasangan | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Kos penyelenggaraan tahunan | $2,000 | $3,000 | gangsa aluminium |
| Jumlah kos lima-tahun (air laut bersih) | $91,000 | $92,000 | sama |
| Jumlah kos lima-tahun (sulfida-tercemar) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Jumlah nilai kos lima-tahun mengandaikan nilai pengeluaran sebanyak $600 sejam dan termasuk kos modal, kos pemasangan dan kos penyelenggaraan dalam tempoh lima tahun. Kes tercemar sulfida-menganggap satu penggantian penukar haba selama lima tahun untuk unit gangsa aluminium.
Apabila Gangsa Aluminium Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
Gangsa aluminium adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi tertentu.
Perkhidmatan air laut yang bersih.Apabila air laut bersih dan halaju aliran di bawah had kakisan-hakisan, gangsa aluminium memberikan prestasi cemerlang pada kos modal yang lebih rendah.
Perkhidmatan halaju-rendah.Apabila halaju aliran di bawah 1.5 m/s, risiko kakisan-hakisan adalah rendah dan aluminium gangsa adalah pilihan yang lebih baik.
Ruang-pemasangan terhad.Apabila ruang yang ada sangat terhad, unit gangsa aluminium yang lebih kecil mungkin satu-satunya pilihan yang boleh dilaksanakan. Unit PTFE memerlukan 5 kali luas permukaan, yang mungkin tidak sesuai dengan ruang yang tersedia.
Perkhidmatan tekanan tinggi-Gangsa aluminium mempunyai kekuatan mekanikal yang lebih tinggi daripada PTFE dan boleh menahan tekanan yang lebih tinggi. Untuk perkhidmatan air laut pada tekanan melebihi 10 bar, gangsa aluminium mungkin satu-satunya pilihan yang berdaya maju.
Apabila PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE ialah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi tertentu.
Sulfida-air laut yang tercemar.PTFE tahan sulfida, manakala gangsa aluminium diserang. Untuk perkhidmatan air laut di pelabuhan dan muara yang tercemar, PTFE adalah pilihan yang lebih baik.
Perkhidmatan halaju tinggi-.PTFE tidak mempunyai had kakisan-hakisan, yang menjadikannya sesuai untuk perkhidmatan pada halaju aliran tinggi.
Perkhidmatan berbasikal haba.PTFE mempunyai rintangan kejutan haba yang lebih tinggi daripada gangsa aluminium, yang menjadikannya sesuai untuk perkhidmatan dengan perubahan suhu yang kerap.
Perkhidmatan boleh dibaiki.Penukar haba PTFE boleh dibaiki di tapak oleh juruteknik bertauliah, yang mengurangkan masa henti dan kehilangan pengeluaran.
Keperluan hayat perkhidmatan yang panjang dalam air laut yang tercemar.Apabila air laut tercemar dan penukar haba dijangka mempunyai hayat perkhidmatan selama 10 tahun atau lebih, PTFE adalah pilihan yang lebih baik kerana ia menahan serangan kimia dalam tempoh yang lebih lama.
Ciri Reka Bentuk Yang Memanjangkan Hayat Perkhidmatan
Beberapa ciri reka bentuk memanjangkan hayat perkhidmatan kedua-dua PTFE dan penukar haba gangsa aluminium dalam perkhidmatan air laut.
Kawalan halaju aliran.Mengekalkan halaju aliran di bawah had kakisan-hakisan mengurangkan kadar kakisan gangsa aluminium.
Pemantauan sulfida.Memantau kepekatan sulfida dalam air laut membolehkan pengendali beralih ke sumber penyejukan yang berbeza jika kepekatan sulfida meningkat melebihi ambang.
Perlindungan katodik.Anod korban atau sistem perlindungan katodik arus terkesan boleh mengurangkan kadar kakisan gangsa aluminium.
Pada-tempat peruntukan pembersihan.Sambungan untuk bekalan dan pemulangan penyelesaian pembersihan membolehkan penukar haba dibersihkan tanpa dibongkar, yang mengurangkan masa henti dan kehilangan pengeluaran.
Pemantauan suhu.Penderia suhu di salur masuk dan keluar penukar haba membolehkan prestasi pemindahan haba dipantau, yang membolehkan pengesanan awal kekotoran atau degradasi.
Parameter Spesifikasi untuk Pertukaran Haba Air Laut
Jurutera peralatan yang menilai PTFE dan penukar haba gangsa aluminium untuk pertukaran haba air laut harus mengesahkan parameter berikut dengan pembekal.
Kimia air laut.Nyatakan kepekatan klorida, kepekatan sulfida dan sebarang bahan cemar lain.
Suhu operasi.Nyatakan suhu operasi maksimum dan profil suhu yang dijangkakan.
Halaju aliran.Nyatakan halaju aliran maksimum dan had kakisan-hakisan untuk gangsa aluminium.
Tekanan operasi.Nyatakan tekanan operasi maksimum.
Beban haba dan luas permukaan.Tentukan beban haba dan luas permukaan yang diperlukan untuk setiap pilihan bahan.
Kekangan ruang.Nyatakan ruang yang ada dan jejak maksimum yang dibenarkan.
Keupayaan penyelenggaraan.Nyatakan keupayaan penyelenggaraan kemudahan, termasuk keupayaan untuk membaiki penukar haba di tapak.
Keperluan hayat perkhidmatan.Nyatakan jangka hayat perkhidmatan dan jadual penggantian.
Memadankan Pemilihan Bahan dengan Keadaan Perkhidmatan Air Laut
Pemilihan antara PTFE dan penukar haba gangsa aluminium dalam pertukaran haba air laut bergantung pada kimia air laut, halaju aliran, kekangan ruang, dan keperluan hayat perkhidmatan. Gangsa aluminium mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi dan memerlukan kurang luas permukaan, tetapi ia mudah terdedah kepada hakisan-kakisan dan serangan sulfida. PTFE mempunyai kekonduksian terma yang lebih rendah dan memerlukan lebih luas permukaan, tetapi ia tahan terhadap semua bahan cemar air laut dan halaju aliran.
Keputusan pemilihan hendaklah berdasarkan analisis-khusus kemudahan yang menggabungkan kos modal, kos pemasangan, kos penyelenggaraan dan pendedahan kerugian pengeluaran. Model hamparan mudah dengan komponen kos ini menyediakan maklumat yang diperlukan untuk membuat keputusan.
Untuk kemudahan pertukaran haba air laut yang menilai pilihan penukar haba, pemilihan bahan hendaklah berdasarkan jumlah kos pemilikan sepanjang jangka hayat perkhidmatan, bukan hanya kos modal atau prestasi terma. Unit gangsa aluminium dengan kos modal yang lebih rendah mungkin mempunyai kos seumur hidup yang lebih tinggi jika air laut tercemar dan unit memerlukan penggantian yang kerap.
Jurutera peralatan dan pakar perolehan yang menilai spesifikasi penukar haba PTFE untuk pertukaran haba air laut atau perkhidmatan menghakis lain boleh meminta semakan reka bentuk yang meliputi kimia air laut, suhu operasi, halaju aliran, tekanan operasi dan kekangan ruang untuk mengesahkan pemilihan bahan dipadankan dengan keadaan perkhidmatan dan struktur kos sebenar kemudahan tersebut.
