Wymiennik ciepła, który przez kilka lat wiernie zapewniał ten sam spadek ciśnienia, może stopniowo zacząć wykazywać nieco wyższe odczyty różnicowe. W wielu przypadkach rury nie są zanieczyszczone chemicznie ani zablokowane przez zanieczyszczenia. Zamiast tego geometria samych rurek PTFE powoli zmieniała się z biegiem czasu. PTFE, będący materiałem lepkosprężystym, pełza pod wpływem długotrwałego naprężenia mechanicznego, powodując stopniowe zwężanie się otworu rury w pobliżu złącza arkusza sitowego, podobnie jak wolno-zamykający się zawór.
Ta subtelna zmiana wymiarów rzadko jest dramatyczna, ale może powodować mierzalne skutki hydrauliczne w długich okresach międzyobsługowych. W wymiennikach ciepła z rurką PTFE stosowanych w korozyjnej obróbce chemicznej zjawisko to jest przewidywalnym aspektem-długoterminowego starzenia mechanicznego, a nie nieoczekiwanym trybem awarii.
Zrozumienie relacji pomiędzyZmiana spadku ciśnienia w wymienniku PTFE w czasie pełzaniai wydajność układu hydraulicznego są ważne dla niezawodnej konstrukcji wymiennika i pompy.
Zrozumienie pełzania PTFE
PTFE zachowuje się inaczej niż metale pod długotrwałym obciążeniem. Zamiast pozostać niezmienionym wymiarowo pod ciągłym naprężeniem, materiał powoli odkształca się z czasem.
To zachowanie jest znane jako pełzanie.
Co powoduje pełzanie?
Pełzanie występuje, gdy łańcuchy polimerowe stopniowo przestawiają się pod wpływem ciągłego mechanicznego ściskania lub rozciągania. W przeciwieństwie do odkształcenia sprężystego, które znika natychmiast po usunięciu naprężenia, pełzanie narasta stopniowo w ciągu tysięcy godzin pracy.
W wymiennikach ciepła PTFE najwyższe utrzymujące się naprężenia ściskające często występują w miejscu, w którym rury przechodzą przez zespół arkusza sitowego.
Rury ściskają się-w zwolnionym tempie.
W tych miejscach tulejki, pierścienie zaciskowe lub systemy uszczelek wywierają ciągły nacisk, aby utworzyć-szczelne uszczelnienie pomiędzy rurą a arkuszem sitowym. Z biegiem czasu materiał ścianki PTFE powoli przepływa pod tym obciążeniem.
Jak rozwija się ograniczenie średnicy rury
Miejscowe odkształcenie arkusza rurowego
Proces pełzania jest silnie zlokalizowany w pobliżu obszaru złącza ściskanego.
W miarę odkształcania się PTFE niewielka część ścianki rurki stopniowo wysuwa się do wewnątrz, w kierunku ścieżki przepływu. Zmniejsza to efektywną średnicę wewnętrzną rury w miejscu połączenia.
Chociaż zmiana wymiarowa jest często niewielka, nawet niewielkie zmniejszenie średnicy zwiększa opór przepływu.
Ograniczenie zachowuje się podobnie do zainstalowanego na stałe punktu dławiącego w każdej rurze.
Długoterminowe-konsekwencje hydrauliczne
W miarę zmniejszania się średnicy wewnętrznej spadek ciśnienia-po stronie rury stopniowo rośnie.
Wzrost ten wynosi zazwyczaj:
Powolny
Stały
Możliwy do przewidzenia
Nie można-odzyskiwać
W przeciwieństwie do zanieczyszczeń spowodowanych osadami lub kamieniem, przewężenia nie można oczyścić mechanicznie ani chemicznie, ponieważ wynika to z fizycznej deformacji materiału.
Zjawisko jest nieodwracalne.
Dlaczego efekt jest zwykle skromny
W większości dobrze-zaprojektowanych wymienników PTFE wzrost spadku ciśnienia pozostaje stosunkowo niewielki.
Typowy długoterminowy-wzrost może wynieść zaledwie kilka procent w ciągu kilku lat działalności. Jednak efekt staje się bardziej zauważalny w pewnych warunkach:
Długie rurki
Wysokie prędkości przepływu
Małe średnice rur
Podwyższone temperatury pracy
Systemy wysoko-ciśnieniowe
Ciasne obciążenia ściskające arkusza rurowego
W tych systemach nawet niewielkie zmniejszenie średnicy może spowodować wymierne straty hydrauliczne.
Z tego powoduZmiana spadku ciśnienia w wymienniku PTFE w czasie pełzaniajest często rozważany na etapie pierwotnego projektowania układu hydraulicznego, a nie traktowany jako nieoczekiwany problem operacyjny.
Wpływ temperatury na szybkość pełzania
Wyższa temperatura przyspiesza deformację
Na pełzanie PTFE duży wpływ mają:
Poziom stresu
Temperatura
Czas pod obciążeniem
W podwyższonych temperaturach ruchliwość cząsteczek znacznie wzrasta, przyspieszając proces pełzania.
W temperaturze 100 stopni pełzanie postępuje znacznie szybciej niż w temperaturze pokojowej.
Ta zależność temperaturowa jest szczególnie istotna w wymiennikach do przetwarzania chemicznego, w których przetwarzane są strumienie podgrzanych kwasów, zasad lub rozpuszczalników.
System działający nieprzerwanie w podwyższonej temperaturze może doświadczyć większości-długoterminowych zmian wymiarowych w ciągu pierwszych kilku lat pracy.
Relaksacja stresu i nasycenie
Efekt pełzania nie narasta w nieskończoność w tym samym tempie.
W miarę odkształcania się PTFE naprężenia wewnętrzne stopniowo się zmniejszają. Zmniejszone naprężenie zmniejsza szybkość pełzania, powodując stopniowe spowalnianie zmiany wymiarów w czasie.
Ostatecznie system osiąga stan quasi-{0}}stabilny, w którym dalsze odkształcenia stają się minimalne.
To zachowanie jest powszechnie opisywane jako nasycenie pełzaniem.
Rozważania dotyczące projektu hydraulicznego
Dopuszczanie marginesu w doborze pompy
Ponieważ wzrost ciśnienia związany z pełzaniem jest przewidywalny, zwykle można go uwzględnić na etapie wstępnego projektowania systemu.
Przy wyborze pomp obiegowych do systemów z wymiennikami PTFE często uwzględnia się niewielki dodatkowy margines ciśnienia.
Ten naddatek projektowy pomaga zapewnić, że wymagane natężenia przepływu będą osiągalne nawet po latach eksploatacji.
Bez tego marginesu może wystąpić-długoterminowa redukcja przepływu w miarę stopniowego wzrostu oporu hydraulicznego.
Monitorowanie trendów ciśnienia
Monitorowanie różnicy ciśnień w wymienniku zapewnia cenny wgląd w długoterminowe-zachowanie systemu.
Powolny, stabilny wzrost przez kilka lat może wskazywać raczej na normalne ograniczenie związane z pełzaniem, a nie na zanieczyszczenie lub zarastanie.
Analiza trendów pomaga rozróżnić:
Stopniowe starzenie mechaniczne
Nagłe zabrudzenie
Degradacja pompy
Warunki częściowej blokady
Zrozumienie tego rozróżnienia pozwala uniknąć niepotrzebnych procedur czyszczenia lub demontażu.
Minimalizacja pełzania na połączeniu arkusza rurowego
Zwiększanie powierzchni łożyska
Naprężenie wywierane na PTFE można zmniejszyć poprzez rozłożenie siły ściskającej na większą powierzchnię styku.
Tuleje o większych powierzchniach nośnych zmniejszają miejscowe naprężenia ściskające i zmniejszają tendencję do przepływu materiału do wewnątrz.
Niższe naprężenie bezpośrednio zmniejsza szybkość pełzania.
Stosowanie-sprężynowych systemów uszczelniających
Sprężynowe-lub zgodne układy uszczelniające pomagają utrzymać siłę uszczelniającą, ograniczając jednocześnie nadmierne sztywne ściskanie.
Systemy te wytrzymują stopniowe zmiany wymiarów skuteczniej niż konstrukcje z całkowicie sztywnymi mocowaniami.
Zalety obejmują:
Zmniejszona lokalna koncentracja naprężeń
Poprawiona stabilność uszczelnienia
Niższe-długoterminowe odkształcenie otworu
Lepsze zakwaterowanie w cyklach termicznych
Bardziej miękkie systemy uszczelniające zazwyczaj powodują mniej agresywne-długoterminowe zwężanie rurki.
Porównanie PTFE z metalowymi rurkami wymiennika
Metalowe rury wymienników zazwyczaj wykazują znikome pełzanie w zwykłych temperaturach procesu chemicznego. PTFE zachowuje się inaczej ze względu na swoją strukturę polimerową.
Jednakże PTFE oferuje zalety, którym metale nie mogą łatwo dorównać:
Wyjątkowa obojętność chemiczna
Odporność na agresywne kwasy
Powierzchnie niezanieczyszczające-
Doskonała odporność na korozję
Wadą jest to, że PTFE ma bardziej złożony profil starzenia mechanicznego.
Dlatego projektanci uwzględniają jednocześnie zarówno zgodność chemiczną, jak i długoterminowe-zachowanie mechaniczne.
Implikacje operacyjne na przestrzeni dziesięcioleci służby
Dobrze-zaprojektowane wymienniki PTFE często działają przez dziesięciolecia w środowiskach silnie korozyjnych, w których systemy metalowe szybko ulegają awariom.
Stopniowy wzrost ciśnienia spowodowany pełzaniem rzadko stanowi katastrofalne ograniczenie. Zamiast tego funkcjonuje jako powolna, możliwa do kontrolowania ewolucja wydajności hydraulicznej w czasie.
W wielu systemach wymiennik nadal spełnia wymagania procesu długo po wystąpieniu stabilizacji pełzania.
Kluczowym wymaganiem jest po prostu to, że oryginalny projekt systemu przewiduje skutki.
Wniosek
Pełzanie PTFE to znany i możliwy do opanowania proces starzenia mechanicznego, który może stopniowo zwiększać spadek ciśnienia w wymienniku w długich okresach eksploatacji. Długotrwałe ściskanie na połączeniu arkusza sitowego powoli odkształca ściankę rury PTFE do wewnątrz, nieznacznie zmniejszając średnicę otworu rury i powodując trwały wzrost oporu hydraulicznego.
Chociaż efekt jest na ogół skromny, związek pomiędzyZmiana spadku ciśnienia w wymienniku PTFE w czasie pełzanianależy wziąć pod uwagę podczas wstępnego projektowania układu hydraulicznego, szczególnie w przypadku zastosowań wysoko-lub z długimi-rurami. Właściwy dobór pompy, tulejki o większej-powierzchni łożyska i-sprężynowe systemy uszczelniające pomagają zminimalizować-długoterminowe zmiany wydajności i zachować projektowane prędkości przepływu przez dziesięciolecia pracy.
Nawet najbardziej obojętny chemicznie materiał ostatecznie rozwija mechaniczną historię życia kształtowaną przez stres, temperaturę i czas.
