Zagrożenie szybkością
Para wpływająca do rurki wymiennika ciepła z PTFE z szybkością 25-35 m/s niesie porwane kropelki kondensatu. Krople te, poruszające się z prędkością bliską pary, uderzają w ściankę rury na zakrętach, przejściach kolektora i obszarach zakłóceń przepływu. Każde uderzenie dostarcza mikroskopijny impuls mechaniczny na powierzchnię PTFE.
Przy małych prędkościach energia uderzenia jest elastycznie absorbowana przez lepkosprężysty polimer. Powierzchnia odbija się bez uszkodzeń. Przy wyższych prędkościach skumulowany efekt milionów uderzeń kropel powoduje chropowatość powierzchni, utratę materiału i ewentualne ścieńczenie ścianek. Jest to erozja-zużycie czysto mechaniczne, niezawierające składników chemicznych.
Maksymalna dopuszczalna prędkość pary to próg, poniżej którego erozja w projektowym okresie użytkowania jest znikoma. Powyżej tego progu erozja kumuluje się, powodując mierzalną utratę ścianki w ciągu całego okresu użytkowania sprzętu.
Mechanizm uderzenia kropel
Kondensat tworzy się w sposób ciągły, gdy para uwalnia ciepło utajone. Część kondensatu spływa w postaci filmu wzdłuż ścianki rury. Część jest porywana w postaci kropelek w rdzeniu parowym-o dużej prędkości. Na zakrętach i przeszkodach kropelki są wyrzucane na zewnątrz pod wpływem siły odśrodkowej i uderzają w ściankę rury.
Ciśnienie uderzenia kropli wody o stałą powierzchnię jest proporcjonalne do ciśnienia uderzenia wodnego: P=ρ × c × V, gdzie ρ to gęstość wody, c to prędkość akustyczna w wodzie (około 1500 m/s), a V to prędkość uderzenia kropli. Przy prędkości uderzenia 30 m/s chwilowe ciśnienie w punkcie uderzenia przekracza 45 MPa-wystarczające do miejscowego odkształcenia PTFE.
Pojedyncze uderzenie nie powoduje wymiernych szkód. Jednak system parowy działający 6000 godzin rocznie zapewnia w ciągu dekady setki milionów kropel uderzających w ściankę rury. Skumulowane zmęczenie spowodowane powtarzającymi się mikro-odkształceniami ostatecznie powoduje pęknięcia powierzchniowe, odrywanie się cząstek i mierzalne pocienienie ścianek.
Tabela 1: Dopuszczalne prędkości pary dla rurek wymiennika ciepła PTFE
| Ciśnienie pary (barg) | Średnica rury (mm) | Zalecana maksymalna prędkość pary (m/s) | Bezwzględna prędkość maksymalna (m/s) | Ryzyko erozji powyżej bezwzględnego maks |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Umiarkowane (stwardnienie w ciągu 5 lat) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Umiarkowany |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Umiarkowany |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Niska-Umiarkowana (większa średnica zmniejsza stężenie kropel) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Umiarkowany |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Niska (większa średnica; mniejsza gęstość pary przy wyższym ciśnieniu) |
Wartości graniczne prędkości oparte na danych dotyczących odporności PTFE na erozję i konserwatywnej ekstrapolacji z-długiego doświadczenia serwisowego. Maksimum bezwzględne oznacza prędkość, powyżej której spodziewana jest mierzalna erozja w ciągu 10 lat ciągłej pracy.
Przyłącze frakcji suchej
Limity prędkości pary zakładają, że frakcja suchości wynosi 98% lub więcej,-co oznacza 2% lub mniej porwanej wody w masie. Przy niższych frakcjach suchości zawartość wody porwanej jest większa, a ryzyko erozji przy danej prędkości wzrasta proporcjonalnie.
Jeśli jakość pary roślinnej jest niższa niż 98% suchości, maksymalną dopuszczalną prędkość należy zmniejszyć o 10-15%, aby uwzględnić zwiększone obciążenie kroplami. Alternatywnie, separator pary zainstalowany przed wymiennikiem ciepła usuwa nadmiar porwanej wody i przywraca projektowy margines prędkości.
Obliczanie prędkości projektowej
Prędkość pary w każdej rurze oblicza się, dzieląc objętościowy przepływ pary na rurę przez pole-przekroju rury. Całkowity przepływ masowy pary wyznacza się na podstawie obciążenia cieplnego: przepływ masowy=obciążenia cieplnego / ciepła utajonego pary.
W przypadku wymiennika ciepła z PTFE o mocy 50 kW i 40 rurek o średnicy wewnętrznej 8 mm, pracującego przy ciśnieniu pary 3 barów, masowy przepływ na rurę wynosi około 0,75 kg/h. Objętość właściwa pary nasyconej przy ciśnieniu 3 barg wynosi 0,46 m³/kg. Przepływ objętościowy na rurę wynosi 0,35 m3/h. Pole przekroju-rury wynosi 5,0 × 10⁻⁵ m². Prędkość pary wynosi 1,9 m/s-, co mieści się w bezpiecznych granicach.
Obliczenia prędkości należy wykonać na etapie projektowania i sprawdzić, czy spada ona poniżej zalecanego maksimum. W przypadku większości wymienników ciepła PTFE z odpowiednią liczbą rurek, prędkości pary są naturalnie niskie ze względu na wiele równoległych ścieżek przepływu. Wysoka prędkość częściej stanowi problem w małych wymiennikach z kilkoma rurkami lub w systemach, w których ciśnienie zasilania parą jest znacznie wyższe od ciśnienia projektowego.
Streszczenie
Maksymalna dopuszczalna prędkość pary wewnątrz rur wymiennika ciepła z PTFE wynosi 20-30 m/s, w zależności od średnicy rury i ciśnienia pary, przy czym 35-38 m/s reprezentuje absolutne maksimum, powyżej którego można spodziewać się mierzalnej erozji. Limity te zakładają udział suchości pary wynoszący 98% lub więcej. Frakcje o niższej suchości wymagają zmniejszenia prędkości.
W przypadku większości prawidłowo zaprojektowanych wielo-rurowych wymienników PTFE prędkości pary w naturalny sposób spadają poniżej tych wartości granicznych ze względu na dużą liczbę równoległych ścieżek przepływu. Weryfikacja prędkości podczas projektowania zapewnia, że erozja nie ogranicza żywotności sprzętu.
Analiza inżynierska służąca weryfikacji prędkości pary w określonych konstrukcjach wymienników ciepła z PTFE jest dostępna po przedłożeniu danych dotyczących obciążenia cieplnego, ciśnienia pary, liczby i wymiarów rur oraz danych dotyczących jakości pary.
