Problemet med vertikalt rørstabilitet
Vertikale PTFE-varmevekslerrør utsettes for trykkbelastninger fra to kilder: vekten av selve rørene (egen-vekt som virker nedover) og den termiske ekspansjonsbegrensningen (røret ønsker å ekspandere nedover, men er begrenset av samlehodene, og skaper trykkspenning). I en vertikal orientering er rørene kolonner under kompresjon. Hvis den ustøttede lengden mellom støttene er for stor, vil rørene spennes sideveis.
Knekking i PTFE-rør er elastisk-materialet gir seg ikke før knekking. Den kritiske knekklasten for en slank søyle er gitt av Eulers formel: P_crit=π² × E × I / (K × L)², hvor E er elastisitetsmodulen til PTFE ved driftstemperaturen, I er treghetsmomentet til rørtverrsnittet-, K er den effektive lengdefaktoren (1, 0 for endepunktene, 0 for endene.) ustøttet lengde mellom støttene.
For å forhindre knekking, må den faktiske trykkbelastningen på hvert rør være mindre enn den kritiske knekklasten delt på en sikkerhetsfaktor (typisk 3-4 for PTFE for å ta hensyn til den lave modulen og potensialet for krypning).
Beregningen av belastning og støtte
Trykkbelastningen på et vertikalt rør kommer først og fremst fra begrenset termisk ekspansjon. Den termiske ekspansjonskraften er: F=A × E × × ΔT, der A er rørtverrsnittsarealet-, E er elastisitetsmodulen, er den termiske ekspansjonskoeffisienten og ΔT er temperaturstigningen. Denne kraften er belastningen som ville være nødvendig for å begrense ekspansjonen fullt ut.
I praksis er ikke rørendene helt begrenset-overskriftene og støtterammen har noe samsvar. Den faktiske trykklasten er en brøkdel av den fullstendig begrensede verdien, men for designformål brukes den fullstendig begrensede lasten for å gi konservatisme.
For et 10 mm OD × 1 mm vegg PTFE-rør, 2 meter langt, oppvarmet fra 25 grader til 140 grader (ΔT=115 grader ), med E=400 MPa ved gjennomsnittstemperaturen,=120 × 10⁻⁶/grad, er den fullstendig begrensede kompresjonskraften for ca. 14 N. 2-meter pinnet-endesøylen på dette røret er omtrent 2,5 N - langt mindre enn den termiske ekspansjonskraften. Røret vil spenne seg hvis det ikke støttes over hele lengden.
| Antall støtter (spenn) | Ustøttet lengde (mm) | Kritisk knekkbelastning (N) | Sikkerhetsfaktor (P_crit / P_actual) |
|---|---|---|---|
| 0 (full lengde) | 2,000 | 2.5 | 0,2 (spenner) |
| 1 (midtpunktstøtte) | 1,000 | 10 | 0,7 (spenner) |
| 2 (to mellomliggende) | 667 | 22.5 | 1,6 (marginal) |
| 3 (tre mellomliggende) | 500 | 40 | 2.9 (akseptabelt) |
| 4 (fire mellomliggende) | 400 | 62.5 | 4,5 (konservativ) |
Støttedesignet for vertikale rør
Mellomstøttene for vertikale rør er typisk slissede PTFE-føringsplater. Sporene lar røret gli aksialt under termisk ekspansjon samtidig som det forhindrer sideforskyvning. Sporklaringen er 0,5-1,0 mm på rørets OD-nok for fri glidning, tett nok til å gi sidestøtte før røret har bøyd seg betydelig.
Styreplatene monteres på den vertikale bærerammen med de beregnede intervallene. Selve rammen må være stiv nok til å gi faste støttepunkter-en fleksibel ramme overvinner formålet med mellomstøttene ved å la støttepunktene bevege seg sideveis.
For veldig lange vertikale rør (3-5 meter), bør de øverste støttene være utformet for å bære vekten av røret for å forhindre at hele vekten samler seg som trykklast i bunnen. Vektstøtter-krager eller klemmer på røret som hviler på styreplaten, overfører rørvekten til rammen med intervaller, og forhindrer at den kumulative vekten når de nedre seksjonene.
Sammendrag
Det optimale antallet rørstøttepunkter for en vertikal PTFE-varmeveksler bestemmes av Euler-knekkingsanalyse av røret under begrenset termisk ekspansjonsbelastning. For et 2 meter, 10 mm OD-rør med 115 graders temperaturøkning, gir tre eller fire mellomstøtter tilstrekkelig sikkerhet mot knekking. Støttene er slissede PTFE-føringsplater som tillater aksial termisk bevegelse samtidig som de forhindrer sideavbøyning. Vektstøtter med intervaller forhindrer kumulativ vektbelastning på nedre rørseksjoner.
Teknisk støtte for vertikal PTFE-varmevekslerkonstruksjon er tilgjengelig ved innsending av rørdimensjoner, driftstemperatur, rørlengde og toppkonfigurasjon.
