Jadual Stim Yang Mentakrifkan Had
Sebuah loji kimia yang memerlukan 150 kW haba pada suhu proses 160 darjah mempunyai akses kepada stim pada 12 bar, yang menyediakan suhu tepu 191 darjah . Penukar haba logam yang ditentukan untuk tugas ini ialah unit cangkerang-dan-dengan dinding tiub keluli tahan karat 6 mm. Alternatif PTFE mesti dinilai terhadap tugas yang sama.
Pada 12 bar dan 191 darjah, tekanan wap tepu berada dalam julat penukar haba logam. Untuk PTFE, kekangan pertama ialah tekanan operasi maksimum. Penukar haba PTFE standard dinilai untuk 0.5–1.0 MPa (5–10 bar) pada suhu sederhana, tetapi penarafan tekanan berkurangan apabila suhu meningkat. Pada 190 darjah, tekanan kerja yang dibenarkan untuk tiub PTFE biasa mungkin 0.3–0.5 MPa, iaitu di bawah tekanan stim yang diperlukan.
Kekangan kedua ialah kekuatan bergantung -suhu. PTFE mengekalkan kira-kira 50% daripada kekuatan tegangan suhu biliknya pada 190 darjah dan kadar rayapan meningkat dengan ketara. Dinding tiub mestilah lebih tebal untuk menahan tekanan pada suhu tinggi, yang meningkatkan rintangan haba dan mengurangkan pekali pemindahan haba.
Kekangan ketiga ialah tegasan dalaman yang timbul apabila dinding tiub dipanaskan oleh stim. Bahagian wap tiub adalah pada 191 darjah, dan bahagian proses adalah pada 160 darjah, yang menghasilkan perbezaan suhu 31 darjah di seluruh dinding. Dalam bahan kekonduksian-rendah, perbezaan suhu ini menghasilkan tegasan haba yang ketara yang menambah tegasan tekanan.
Had Pembendung Tekanan
Bendungan tekanan adalah had yang paling asas. Tegasan gelung dalam tiub-berdinding nipis di bawah tekanan dalaman adalah berkadar dengan tekanan dan diameter tiub dan berkadar songsang dengan ketebalan dinding. Untuk tiub PTFE dengan diameter luar 6 mm dan dinding 1.0 mm, tegasan gelung pada tekanan dalaman 10 bar adalah lebih kurang 30 MPa. Kekuatan tegangan PTFE pada 190 darjah adalah lebih kurang 10–12 MPa, yang bermaksud tiub tidak boleh mengandungi tekanan dengan faktor keselamatan yang mencukupi.
Meningkatkan ketebalan dinding mengurangkan tegasan gelung tetapi meningkatkan rintangan haba. Dinding 2.0 mm mengurangkan tegasan gelung kepada 15 MPa, yang berada dalam had kekuatan, tetapi rintangan haba berganda, dan pekali pemindahan haba berkurangan. Penukar haba mestilah lebih besar untuk mengimbangi, yang meningkatkan kos modal dan keperluan ruang.
Alternatifnya ialah mengurangkan diameter tiub. Tiub diameter luar 3 mm dengan dinding 1.0 mm mempunyai tegasan gelung 15 MPa pada 10 bar, yang berada dalam had kekuatan. Tiub diameter yang lebih kecil mempunyai luas permukaan per unit isipadu yang lebih tinggi, yang sebahagiannya mengimbangi pekali pemindahan haba yang lebih rendah.
Had Kekuatan Bergantung-Suhu
Kekuatan tegangan PTFE berkurangan dengan suhu. Pada 20 darjah, kekuatan tegangan adalah kira-kira 25-30 MPa. Pada 100 darjah, ia adalah kira-kira 15-18 MPa. Pada 190 darjah, ia adalah kira-kira 10-12 MPa. Pada 250 darjah, ia adalah kira-kira 5-6 MPa.
Kekuatan yang semakin berkurangan mengehadkan tegasan yang dibenarkan dan tekanan yang dibenarkan. Penukar haba yang dinilai untuk 10 bar pada 100 darjah boleh dinilai untuk hanya 4–5 bar pada 190 darjah . Faktor penyusutan biasanya 0.5–0.6 pada 190 darjah berbanding dengan{10}}penilaian suhu bilik.
Penurunan bukan fungsi linear suhu. Kekuatan berkurangan secara perlahan sehingga 150 darjah dan lebih cepat melebihi 200 darjah . Had praktikal untuk-perkhidmatan wap tekanan tinggi ialah kira-kira 150–180 darjah , di atasnya penarafan tekanan menjadi terlalu rendah untuk kebanyakan sistem stim industri.
Had Rayapan
Rayapan ialah ubah bentuk perlahan bahan di bawah beban yang berterusan. PTFE merayap pada suhu bilik dan kadar rayapan meningkat dengan suhu. Pada 190 darjah , kadar rayapan boleh 10–20 kali lebih tinggi daripada pada 20 darjah .
Dalam penukar haba, rayapan menjelma sebagai peningkatan perlahan dalam diameter tiub dan penurunan perlahan dalam ketebalan dinding. Tiub mengembang di bawah tekanan dalaman, dan dinding menipis. Lama kelamaan, tiub mungkin pecah atau sambungan-tiub ke-tiub mungkin bocor.
Had rayapan biasanya dinyatakan sebagai tegasan maksimum yang menghasilkan ketegangan kurang daripada 1% dalam 10,000 jam. Untuk PTFE pada 190 darjah, tegasan ini adalah lebih kurang 3–4 MPa, yang jauh lebih rendah daripada kekuatan tegangan. Had rayapan, bukan kekuatan tegangan, ialah parameter kawalan untuk-perkhidmatan jangka panjang.
Had Tekanan Terma
Tegasan terma dalam dinding tiub adalah berkadar dengan perbezaan suhu merentasi dinding, pekali pengembangan terma, dan modulus keanjalan. Untuk PTFE, pekali pengembangan terma adalah lebih kurang 12 × 10⁻⁵ / darjah , dan modulus pada 190 darjah adalah lebih kurang 200 MPa.
Untuk perbezaan suhu 31 darjah merentasi dinding, tegasan haba adalah lebih kurang 7.4 MPa. Tekanan ini menambah tekanan tekanan dan mengurangkan tekanan yang dibenarkan. Dalam aplikasi wap-tekanan tinggi, tegasan haba boleh menjadi sebahagian kecil daripada jumlah tegasan dan ia mesti disertakan dalam pengiraan reka bentuk.
Tegasan haba boleh dikurangkan dengan mengurangkan perbezaan suhu di seluruh dinding, yang bermaksud mengurangkan fluks haba. Fluks haba yang lebih rendah memerlukan kawasan permukaan yang lebih besar, yang meningkatkan kos modal.
Membandingkan Unit PTFE dan Logam dalam-Perkhidmatan Stim Tekanan Tinggi
Jadual berikut meringkaskan prestasi dan ciri kos PTFE dan penukar haba keluli tahan karat dalam-perkhidmatan wap tekanan tinggi pada 12 bar dan 191 darjah .
| Ciri | Penukar Haba Keluli Tahan Karat | Penukar Haba PTFE | Kelebihan |
|---|---|---|---|
| Tekanan operasi maksimum pada 191 darjah | 25 bar | 4–5 bar | Keluli tahan karat |
| Suhu operasi maksimum | 400 darjah | 260 darjah | Keluli tahan karat |
| Kekuatan tegangan pada 191 darjah | 140 MPa | 10–12 MPa | Keluli tahan karat |
| Had rayapan pada 191 darjah | Tidak berkenaan | 3–4 MPa | Keluli tahan karat |
| Kekonduksian terma | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Keluli tahan karat |
| Pekali pemindahan haba keseluruhan | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Keluli tahan karat |
| Kawasan permukaan diperlukan untuk 150 kW | 5 m² | 20 m² | Keluli tahan karat |
| Tegasan terma pada 31 darjah ΔT | 15 MPa | 7.4 MPa | PTFE |
| Rintangan kimia terhadap kondensat wap | bagus | Cemerlang | PTFE |
| Hayat perkhidmatan dalam perkhidmatan wap | 20–30 tahun | 8–12 tahun | Keluli tahan karat |
| Kos modal untuk duti 150 kW | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Kos pemasangan | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Kos penyelenggaraan tahunan | $1,500 | $3,000 | Keluli tahan karat |
| Jumlah kos lima-tahun | $82,500 | $90,000 | Keluli tahan karat |
Jumlah nilai kos lima-tahun mengandaikan nilai pengeluaran sebanyak $500 sejam dan termasuk kos modal, kos pemasangan dan kos penyelenggaraan dalam tempoh lima tahun.
Apabila PTFE Masih Pilihan Yang Lebih Baik
Walaupun had mekanikal, PTFE masih merupakan pilihan yang lebih baik dalam beberapa-aplikasi wap tekanan tinggi.
Perkhidmatan kondensat menghakis.Jika kondensat stim mengandungi spesies menghakis seperti klorida atau fluorida, unit keluli tahan karat mungkin terhakis, manakala unit PTFE tahan.
Perkhidmatan wap tekanan-rendah.Pada tekanan wap di bawah 5 bar dan suhu di bawah 150 darjah, had mekanikal PTFE adalah kurang teruk, dan unit PTFE mungkin berdaya saing.
Perkhidmatan ketulenan tinggi-.Jika cecair proses sensitif kepada pencemaran daripada ion logam, unit PTFE adalah pilihan yang lebih baik kerana ia tidak mencairkan ion logam.
Perkhidmatan beban haba kecil.Untuk beban haba yang kecil, luas permukaan unit PTFE yang lebih besar adalah kurang kekangan, dan kos modal yang lebih rendah mungkin memihak kepada PTFE.
Perkhidmatan retrofit.Jika penukar haba sedia ada ialah unit PTFE dan tekanan stim dinaikkan, unit PTFE mungkin masih mencukupi jika tekanan berada dalam had penurunan.
Pengubahsuaian Reka Bentuk Yang Memanjangkan Had Tekanan PTFE
Beberapa pengubahsuaian reka bentuk melanjutkan had tekanan penukar haba PTFE dalam-perkhidmatan wap tekanan tinggi.
Diameter tiub yang lebih kecil.Tiub diameter yang lebih kecil mempunyai tegasan gelung yang lebih rendah untuk tekanan dan ketebalan dinding yang sama. Tiub 3 mm boleh menahan tekanan yang lebih tinggi daripada tiub 6 mm dengan ketebalan dinding yang sama.
Dinding tiub yang lebih tebal.Dinding yang lebih tebal mengurangkan tegasan gelung tetapi meningkatkan rintangan haba. Ketebalan dinding mesti dioptimumkan untuk tekanan tertentu dan keperluan pemindahan haba.
Pembinaan tiub bertetulang.Tiub PTFE dengan tetulang logam atau komposit boleh menahan tekanan yang lebih tinggi daripada tiub tidak bertetulang. Tetulang itu mungkin jalinan dawai, balutan lingkaran atau lapisan komposit.
Mengurangkan suhu operasi.Menurunkan suhu stim mengurangkan tegasan haba dan meningkatkan kekuatan bahan. Tekanan wap yang lebih rendah atau nyahpanas super boleh mengurangkan suhu.
Fluks haba dikurangkan.Fluks haba yang lebih rendah mengurangkan perbezaan suhu merentasi dinding dan tegasan haba. Kawasan permukaan yang lebih besar diperlukan, yang meningkatkan kos modal.
Lembaran tiub terapung.Lembaran tiub terapung mengurangkan tegasan paksi pada tiub dan lembaran tiub, yang meningkatkan pembendungan tekanan.
Parameter Spesifikasi untuk Perkhidmatan Stim-Tekanan Tinggi
Jurutera peralatan yang menilai penukar haba PTFE untuk-perkhidmatan wap tekanan tinggi hendaklah mengesahkan parameter berikut dengan pembekal.
Tekanan dan suhu wap.Nyatakan tekanan wap maksimum dan suhu tepu.
Suhu proses.Nyatakan suhu bendalir proses dan suhu pendekatan.
Diameter tiub dan ketebalan dinding.Tentukan diameter tiub dan ketebalan dinding berdasarkan keperluan tekanan dan pemindahan haba.
Penilaian tekanan.Tentukan penarafan tekanan pada suhu operasi, bukan pada suhu bilik.
Had rayapan.Tentukan had rayapan dan tegasan maksimum yang dibenarkan untuk perkhidmatan jangka-panjang.
Tekanan terma.Nyatakan pengiraan tegasan haba dan tegasan yang dibenarkan.
Pengukuhan.Nyatakan sama ada tiub itu diperkukuh dan jenis tetulang.
Keperluan hayat perkhidmatan.Nyatakan jangka hayat perkhidmatan dan jadual penggantian.
Memadankan Reka Bentuk PTFE dengan Keadaan Stim
Had penukar haba PTFE dalam-perkhidmatan wap tekanan tinggi ialah pembendungan tekanan,{1}}kekuatan bergantung kepada suhu, rayapan dan tegasan terma. Had ini boleh diuruskan dengan pengubahsuaian reka bentuk seperti diameter tiub yang lebih kecil, dinding yang lebih tebal, tetulang dan fluks haba yang dikurangkan. Had praktikal untuk PTFE dalam-perkhidmatan wap tekanan tinggi ialah kira-kira 5 bar pada 190 darjah , di atasnya reka bentuk menjadi tidak praktikal atau kos modal menjadi mahal.
Keputusan pemilihan hendaklah berdasarkan analisis-khusus kemudahan yang menggabungkan keadaan wap, keperluan proses, kos modal dan kos penyelenggaraan. Model hamparan mudah dengan parameter ini menyediakan maklumat yang diperlukan untuk membuat keputusan.
Untuk kemudahan perkhidmatan wap-tekanan tinggi yang menilai pilihan penukar haba, pemilihan bahan hendaklah berdasarkan jumlah kos pemilikan sepanjang jangka hayat perkhidmatan, bukan hanya kos modal atau prestasi terma. Unit logam dengan kos modal yang lebih tinggi mungkin mempunyai kos seumur hidup yang lebih rendah jika ia boleh mengendalikan keadaan wap tanpa berkurangan.
Jurutera peralatan dan pakar perolehan yang menilai spesifikasi penukar haba PTFE untuk-stim tekanan tinggi atau perkhidmatan menuntut lain boleh meminta semakan reka bentuk yang meliputi tekanan stim, suhu stim, diameter tiub, ketebalan dinding, penarafan tekanan, had rayapan dan tegasan terma untuk mengesahkan unit dipadankan dengan keadaan stim dan keperluan proses sebenar kemudahan itu.
