Hastighetstrusselen
Damp som kommer inn i et PTFE-varmevekslerrør ved 25-35 m/s fører med seg kondensatdråper. Disse dråpene, som beveger seg med nesten damphastighet, støter på rørveggen ved bøyninger, headeroverganger og områder med strømningsforstyrrelser. Hvert slag gir en mikroskopisk mekanisk impuls til PTFE-overflaten.
Ved lave hastigheter absorberes slagenergien elastisk av den viskoelastiske polymeren. Overflaten spretter tilbake uten skade. Ved høyere hastigheter produserer den kumulative effekten av millioner av dråpestøt overflaterøsing, materialtap og eventuell veggtynning. Dette er erosjon-ren mekanisk slitasje uten kjemiske komponenter.
Den maksimalt tillatte damphastigheten er terskelen under hvilken erosjon over designlevetiden er ubetydelig. Over denne terskelen akkumuleres erosjon til målbart veggtap innenfor utstyrets levetid.
Dråpepåvirkningsmekanismen
Kondensat dannes kontinuerlig når damp frigjør sin latente varme. Noe kondensat renner som en film langs rørveggen. Noen er med som dråper i dampkjernen med høy-hastighet. Ved svinger og hindringer blir dråper kastet utover av sentrifugalkraft og treffer rørveggen.
Slagtrykket til en vanndråpe på en fast overflate er proporsjonal med vannslagstrykket: P=ρ × c × V, der ρ er vannets tetthet, c er den akustiske hastigheten i vann (omtrent 1500 m/s), og V er dråpens slaghastighet. Ved 30 m/s støthastighet overstiger det øyeblikkelige trykket ved støtpunktet 45 MPa-tilstrekkelig til å deformere PTFE lokalt.
En enkelt påvirkning forårsaker ingen målbar skade. Men et dampsystem som opererer 6000 timer per år, leverer hundrevis av millioner av dråpestøt til rørveggen over et tiår. Den kumulative trettheten fra gjentatt mikro-deformasjon gir til slutt overflatesprekker, partikkelløsning og målbar veggfortynning.
Tabell 1: Damphastighetsgrenser for PTFE varmevekslerrør
| Damptrykk (barg) | Rør-ID (mm) | Anbefalt maks damphastighet (m/s) | Absolutt makshastighet (m/s) | Erosjonsrisiko over absolutt maks |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Moderat (grovning innen 5 år) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Moderat |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Moderat |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Lav-Moderat (større diameter reduserer dråpekonsentrasjonen) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Moderat |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Lav (større diameter; lavere damptetthet ved høyere trykk) |
Hastighetsgrenser basert på PTFE-erosjonsmotstandsdata og konservativ ekstrapolering fra lang-serviceerfaring. Absolutt maksimum representerer hastigheten over hvilken målbar erosjon forventes innen 10 år med kontinuerlig drift.
Tørrhetsfraksjonsforbindelsen
Damphastighetsgrenser antar en tørrhetsfraksjon på 98 % eller høyere-, som betyr 2 % eller mindre medført vann i masse. Ved lavere tørrhetsfraksjoner er det medførte vanninnholdet høyere, og erosjonsrisikoen ved en gitt hastighet øker proporsjonalt.
Hvis plantens dampkvalitet er under 98 % tørrhet, bør den maksimalt tillatte hastigheten reduseres med 10-15 % for å ta høyde for den økte dråpebelastningen. Alternativt fjerner en dampseparator installert oppstrøms for varmeveksleren overflødig medført vann og gjenoppretter designhastighetsmarginen.
Designhastighetsberegning
Damphastigheten i hvert rør beregnes ved å dele den volumetriske dampstrømmen per rør med rørets tverrsnittsareal. Den totale dampmassestrømmen bestemmes fra varmebelastningen: massestrøm=varmebelastning / latent dampvarme.
For en 50 kW PTFE varmeveksler med 40 rør med 8 mm ID som opererer ved 3 barg damp, er massestrømmen per rør omtrent 0,75 kg/t. Det spesifikke volumet av mettet damp ved 3 barg er 0,46 m³/kg. Den volumetriske strømmen per rør er 0,35 m³/t. Rørets tverrsnittsareal{11} er 5,0 × 10⁻⁵ m². Damphastigheten er 1,9 m/s-godt innenfor sikre grenser.
Hastighetsberegningen bør utføres i prosjekteringsfasen og verifiseres at den faller under anbefalt maksimum. For de fleste PTFE varmevekslere med tilstrekkelig antall rør, er damphastighetene naturlig lave på grunn av de mange parallelle strømningsbanene. Høy hastighet er oftere et problem i små vekslere med få rør eller i systemer der damptilførselstrykket er betydelig over designtrykket.
Sammendrag
Maksimal tillatt damphastighet inne i PTFE varmevekslerrør er 20-30 m/s, avhengig av rørdiameter og damptrykk, med 35-38 m/s som representerer det absolutte maksimum over hvilket målbar erosjon forventes. Disse grensene antar damptørrhetsfraksjon på 98 % eller høyere. Fraksjoner med lavere tørrhet krever hastighetsreduksjon.
For de fleste riktig utformede PTFE-vekslere med flere-rør faller damphastighetene naturlig under disse grensene på grunn av det store antallet parallelle strømningsbaner. Hastighetsverifisering under design sikrer at erosjon ikke begrenser utstyrets levetid.
Teknisk analyse for verifisering av damphastighet i spesifikke PTFE-varmevekslerdesign er tilgjengelig ved innsending av varmebelastning, damptrykk, rørtall og dimensjoner, og dampkvalitetsdata.
