Steam-tabellen som definerer grensen
Et kjemisk anlegg som krever 150 kW varme ved en prosesstemperatur på 160 grader har tilgang til damp på 12 bar, som gir en mettet temperatur på 191 grader. Den metalliske varmeveksleren som er spesifisert for denne oppgaven er en skall-og-rørenhet med en 6 mm rørvegg i rustfritt stål. PTFE-alternativet skal vurderes opp mot samme plikt.
Ved 12 bar og 191 grader er det mettede damptrykket godt innenfor rekkevidden til metalliske varmevekslere. For PTFE er den første begrensningen det maksimale driftstrykket. Standard PTFE varmevekslere er klassifisert for 0,5–1,0 MPa (5–10 bar) ved moderat temperatur, men trykkklassifiseringen synker når temperaturen øker. Ved 190 grader kan det tillatte arbeidstrykket for et typisk PTFE-rør være 0,3–0,5 MPa, som er under det nødvendige damptrykket.
Den andre begrensningen er den temperaturavhengige-styrken. PTFE beholder omtrent 50 % av romtemperaturen-strekkfasthet ved 190 grader, og krypehastigheten øker betydelig. Rørveggen må være tykkere for å tåle trykket ved forhøyet temperatur, noe som øker den termiske motstanden og reduserer varmeoverføringskoeffisienten.
Den tredje begrensningen er den indre spenningen som utvikles når rørveggen varmes opp av dampen. Dampsiden av røret er på 191 grader, og prosesssiden er på 160 grader, noe som skaper en temperaturforskjell på 31 grader over veggen. I et materiale med lav-ledningsevne gir denne temperaturforskjellen en betydelig termisk spenning som øker trykkspenningen.
Trykkbegrensningsgrensen
Trykkbegrensning er den mest grunnleggende begrensningen. Bøylespenningen i et tynn-vegget rør under innvendig trykk er proporsjonal med trykket og rørdiameteren og omvendt proporsjonal med veggtykkelsen. For et PTFE-rør med 6 mm ytre diameter og 1,0 mm vegg er bøylespenningen ved 10 bar innvendig trykk ca. 30 MPa. Strekkfastheten til PTFE ved 190 grader er omtrent 10–12 MPa, noe som betyr at røret ikke kan holde trykket med en tilstrekkelig sikkerhetsfaktor.
Å øke veggtykkelsen reduserer bøylespenningen, men øker den termiske motstanden. En 2,0 mm vegg reduserer bøylespenningen til 15 MPa, som er innenfor styrkegrensen, men den termiske motstanden dobles, og varmeoverføringskoeffisienten synker. Varmeveksleren må være større for å kompensere, noe som øker kapitalkostnaden og plassbehovet.
Alternativet er å redusere rørdiameteren. Et rør på 3 mm ytre diameter med 1,0 mm vegg har en bøylespenning på 15 MPa ved 10 bar, som er innenfor styrkegrensen. Røret med mindre diameter har et høyere overflateareal per volumenhet, noe som delvis kompenserer for den lavere varmeoverføringskoeffisienten.
Den temperaturavhengige-styrkegrensen
Strekkstyrken til PTFE avtar med temperaturen. Ved 20 grader er strekkstyrken omtrent 25–30 MPa. Ved 100 grader er det omtrent 15–18 MPa. Ved 190 grader er det omtrent 10–12 MPa. Ved 250 grader er det omtrent 5–6 MPa.
Den avtagende styrken begrenser tillatt spenning og tillatt trykk. En varmeveksler som er klassifisert for 10 bar ved 100 grader kan være klassifisert for kun 4–5 bar ved 190 grader. Nedsettelsesfaktoren er vanligvis 0,5–0,6 ved 190 grader sammenlignet med romtemperaturen{10}.
Reduksjonen er ikke en lineær funksjon av temperaturen. Styrken avtar sakte opp til 150 grader og raskere over 200 grader. Den praktiske grensen for-høytrykksdamptjeneste er omtrent 150–180 grader, over hvilken trykkklassifiseringen blir for lav for de fleste industrielle dampsystemer.
Krypegrensen
Kryp er den langsomme deformasjonen av et materiale under vedvarende belastning. PTFE kryper ved romtemperatur og krypehastigheten øker med temperaturen. Ved 190 grader kan krypehastigheten være 10–20 ganger høyere enn ved 20 grader.
I en varmeveksler viser krypet seg som en langsom økning i rørdiameter og en langsom nedgang i veggtykkelse. Røret ekspanderer under det indre trykket, og veggen tynnes. Over tid kan røret sprekke eller røret-til-rørplateskjøten kan lekke.
Krypegrensen uttrykkes typisk som den maksimale spenningen som gir mindre enn 1 % tøyning på 10 000 timer. For PTFE ved 190 grader er denne spenningen omtrent 3–4 MPa, som er mye lavere enn strekkfastheten. Krypegrensen, ikke strekkstyrken, er den kontrollerende parameteren for lang-tjeneste.
Den termiske spenningsgrensen
Den termiske spenningen i rørveggen er proporsjonal med temperaturforskjellen over veggen, koeffisienten for termisk ekspansjon og elastisitetsmodulen. For PTFE er varmeutvidelseskoeffisienten omtrent 12 × 10⁻⁵ / grad, og modulen ved 190 grader er omtrent 200 MPa.
For en temperaturforskjell på 31 grader over veggen er den termiske spenningen ca. 7,4 MPa. Denne spenningen øker trykkspenningen og reduserer det tillatte trykket. I en høytrykksdampapplikasjon kan den termiske spenningen være en betydelig brøkdel av den totale spenningen, og den må inkluderes i designberegningen.
Den termiske spenningen kan reduseres ved å redusere temperaturforskjellen over veggen, noe som betyr å redusere varmefluksen. En lavere varmefluks krever større overflate, noe som øker kapitalkostnaden.
Sammenligning av PTFE og metalliske enheter i-høytrykksdamptjeneste
Tabellen nedenfor oppsummerer ytelsen og kostnadsegenskapene til varmevekslere av PTFE og rustfritt stål i høytrykksdamptjeneste ved 12 bar og 191 grader.
| Karakteristisk | Varmeveksler i rustfritt stål | PTFE varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Maksimalt driftstrykk ved 191 grader | 25 bar | 4–5 bar | Rustfritt stål |
| Maksimal driftstemperatur | 400 grader | 260 grader | Rustfritt stål |
| Strekkfasthet ved 191 grader | 140 MPa | 10–12 MPa | Rustfritt stål |
| Krypegrense ved 191 grader | Ikke aktuelt | 3–4 MPa | Rustfritt stål |
| Termisk ledningsevne | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | Rustfritt stål |
| Total varmeoverføringskoeffisient | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Rustfritt stål |
| Overflate nødvendig for 150 kW | 5 m² | 20 m² | Rustfritt stål |
| Termisk spenning ved 31 grader ΔT | 15 MPa | 7,4 MPa | PTFE |
| Kjemisk motstand mot dampkondensat | God | Glimrende | PTFE |
| Levetid i dampservice | 20–30 år | 8–12 år | Rustfritt stål |
| Kapitalkostnad for 150 kW avgift | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| Installasjonskostnad | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Årlig vedlikeholdskostnad | $1,500 | $3,000 | Rustfritt stål |
| Fem-års totalkostnad | $82,500 | $90,000 | Rustfritt stål |
De fem-års totale kostnadsverdiene antar en produksjonsverdi på 500 USD per time og inkluderer kapitalkostnaden, installasjonskostnaden og vedlikeholdskostnaden over fem år.
Når PTFE fortsatt er det bedre valget
Til tross for de mekaniske begrensningene, er PTFE fortsatt det bedre valget i flere høytrykksdampapplikasjoner.
Etsende kondensat service.Hvis dampkondensatet inneholder etsende stoffer som klorider eller fluorider, kan den rustfrie stålenheten korrodere mens PTFE-enheten er motstandsdyktig.
Lav-damptjeneste.Ved damptrykk under 5 bar og temperaturer under 150 grader er de mekaniske begrensningene for PTFE mindre alvorlige, og PTFE-enheten kan være konkurransedyktig.
Høy-renhetstjeneste.Hvis prosessvæsken er følsom for forurensning fra metallioner, er PTFE-enheten det bedre valget fordi den ikke utlekker metallioner.
Liten varmebelastningstjeneste.For små varmebelastninger er det større overflatearealet til PTFE-enheten mindre av en begrensning, og den lavere kapitalkostnaden kan favorisere PTFE.
Ettermonteringstjeneste.Hvis den eksisterende varmeveksleren er en PTFE-enhet og damptrykket økes, kan PTFE-enheten fortsatt være tilstrekkelig hvis trykket er innenfor den reduserte grensen.
Designmodifikasjoner som utvider PTFE-trykkgrensen
Flere designmodifikasjoner utvider trykkgrensen for PTFE-varmevekslere i høytrykksdamptjeneste.
Mindre rørdiameter.Et rør med mindre diameter har en lavere bøylespenning for samme trykk og veggtykkelse. Et 3 mm rør tåler høyere trykk enn et 6 mm rør med samme veggtykkelse.
Tykkere rørvegg.En tykkere vegg reduserer bøylespenningen, men øker den termiske motstanden. Veggtykkelsen må optimaliseres for de spesifikke trykk- og varmeoverføringskravene.
Forsterket rørkonstruksjon.Et PTFE-rør med metall- eller komposittarmering tåler høyere trykk enn et uforsterket rør. Armeringen kan være en trådfletting, en spiralomvikling eller et komposittlag.
Redusert driftstemperatur.Senking av damptemperaturen reduserer den termiske spenningen og øker materialets styrke. Et lavere damptrykk eller en desuperheater kan redusere temperaturen.
Redusert varmefluks.En lavere varmefluks reduserer temperaturforskjellen over veggen og den termiske spenningen. Det kreves større overflate, noe som øker kapitalkostnaden.
Flytende rørplate.En flytende rørplate reduserer den aksiale spenningen på rørene og rørplaten, noe som forbedrer trykkbegrensningen.
Spesifikasjonsparametre for-høytrykksdamptjeneste
Utstyrsingeniører som evaluerer PTFE-varmevekslere for-høytrykksdamptjeneste, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Damptrykk og temperatur.Angi maksimalt damptrykk og mettet temperatur.
Prosesstemperatur.Spesifiser prosessvæsketemperaturen og tilnærmingstemperaturen.
Rørdiameter og veggtykkelse.Spesifiser rørdiameteren og veggtykkelsen basert på kravene til trykk og varmeoverføring.
Trykkvurdering.Spesifiser trykkklassifiseringen ved driftstemperatur, ikke ved romtemperatur.
Krypegrense.Spesifiser krypegrensen og maksimalt tillatt stress for lang-tjeneste.
Termisk stress.Spesifiser termisk spenningsberegning og tillatt spenning.
Forsterkning.Spesifiser om røret er forsterket og armeringstype.
Levetid krav.Angi forventet levetid og utskiftingsplanen.
Matchende PTFE-design til Steam-forhold
Begrensningene til PTFE-varmevekslere i høy-damptjeneste er trykkbegrensning, temperatur-avhengig styrke, kryp og termisk stress. Disse begrensningene kan håndteres av designmodifikasjoner som mindre rørdiameter, tykkere vegg, forsterkning og redusert varmefluks. Den praktiske grensen for PTFE i-høytrykksdamptjeneste er omtrent 5 bar ved 190 grader, over hvilken utformingen blir upraktisk eller kapitalkostnaden blir uoverkommelig.
Valgbeslutningen bør være basert på en anleggsspesifikk analyse- som inkluderer dampforholdene, prosesskravene, kapitalkostnaden og vedlikeholdskostnadene. En enkel regnearkmodell med disse parameterne gir informasjonen som trengs for å ta avgjørelsen.
For høytrykksdampserviceanlegg som evaluerer varmeveksleralternativer, bør materialvalget være basert på de totale eierkostnadene over forventet levetid, ikke bare kapitalkostnaden eller den termiske ytelsen. En metallisk enhet med en høyere kapitalkostnad kan ha en lavere levetidskostnad hvis den kan håndtere dampforholdene uten reduksjon.
Utstyrsingeniører og innkjøpsspesialister som evaluerer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for høytrykksdamp eller annen krevende tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker damptrykk, damptemperatur, rørdiameter, veggtykkelse, trykkklassifisering, krypegrense og termisk spenning for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske dampanleggsforholdene og prosesskravene til dampanlegget.
