Aluminijev bron, ki že desetletja služi morski vodi
Aluminijev bron je zlitina na osnovi-bakra, ki vsebuje 5–11 % aluminija z dodatki železa, niklja in mangana. Zlitina tvori zaščitni film iz aluminijevega oksida, ki je odporen proti koroziji z morsko vodo, film pa se samo{4}}celi, če je poškodovan. Stopnja korozije v čisti morski vodi je običajno manjša od 0,025 mm na leto, kar zagotavlja življenjsko dobo 20–30 let za tipično debelino stene cevi.
Aluminijev bron se uporablja v toplotnih izmenjevalnikih morske vode, ker združuje ustrezno odpornost proti koroziji z visoko toplotno prevodnostjo in zmernimi stroški. Toplotna prevodnost je približno 60 W/m·K, kar je približno 240-krat več kot PTFE. Visoka prevodnost pomeni, da so toplotni izmenjevalniki iz aluminijastega brona kompaktni in razmeroma poceni.
Omejitev aluminijevega brona je njegova dovzetnost za erozijo-korozijo pri visokih hitrostih pretoka in za napad sulfida v onesnaženi morski vodi. Meja erozije-korozije je običajno 1,5–2,5 m/s za uporabo z morsko vodo, nad katero se zaščitna folija mehansko odstrani in stopnja korozije močno naraste. Napad sulfida se pojavi, ko morska voda vsebuje vodikov sulfid, ki je pogost v onesnaženih pristaniščih in estuarijih. Sulfid reagira z bakrom v zlitini in tvori bakrov sulfid, ki ni zaščiten.
PTFE, ki odpravlja korozijske mehanizme
PTFE je odporen na morsko vodo pri vseh koncentracijah in temperaturah znotraj svojega delovnega območja. Material ne korodira, življenjsko dobo pa določajo mehanski dejavniki in ne kemični vplivi. PTFE ni dovzeten za erozijsko-korozijo pri visokih hitrostih pretoka in ga ne napadajo sulfidi ali kloridi.
Odprava korozijskih mehanizmov je glavni razlog, da je PTFE določen za uporabo v morski vodi, kjer aluminijev bron ne bi deloval. PTFE enota ne povzroča erozije-korozije ali sulfidnega napada, ki omejuje življenjsko dobo aluminijastega brona, zmogljivost prenosa toplote pa ostane stabilna skozi celotno življenjsko dobo.
Vrzel toplotne prevodnosti
Toplotna prevodnost aluminijevega brona je približno 60 W/m·K v primerjavi z 0,25 W/m·K za PTFE. Razmerje je približno 240:1.
Za izmenjevalnik toplote, ki odbija 100 kW v morski vodi pri 30 stopinjah, zahteva enota iz aluminijastega brona približno 5 m² površine na podlagi skupnega koeficienta prenosa toplote 1000 W/m²·K in logaritemske srednje temperaturne razlike 20 stopinj. Enota iz PTFE za isto delovanje zahteva približno 25 m² površine na podlagi skupnega koeficienta 200 W/m·K in enake temperaturne razlike.
Enota PTFE je 5-krat večja od enote iz aluminijastega brona. Večja velikost poveča stroške kapitala, tlorisno površino in prostornino tekočine. Nižji toplotni tok zmanjša temperaturo stene cevi, kar je ugodno za proces, vendar večja površina zagotavlja tudi več površine za usedline in zahteva več časa za čiščenje.
Meja erozije-korozije aluminijevega brona
Meja erozije-korozije je hitrost toka, nad katero se zaščitna folija na aluminijastem bronu mehansko odstrani in stopnja korozije močno naraste. Meja je odvisna od sestave zlitine, kemije morske vode in geometrije cevi.
Za standardni aluminijev bron v čisti morski vodi je meja erozije-korozije običajno 1,5–2,5 m/s. Nad to hitrostjo se lahko stopnja korozije poveča za faktor od pet do deset, življenjska doba pa se zmanjša z 20–30 let na 3–5 let.
Meja erozije-korozije je kritičen konstrukcijski parameter za toplotne izmenjevalnike iz aluminijeve bronaste barve. Hitrost na strani-cevi je treba vzdrževati pod mejo, kar lahko zahteva večji premer cevi ali nižji pretok. Večji premer cevi poveča velikost izmenjevalnika toplote in stroške kapitala.
PTFE nima meje erozije-korozije v enakem smislu. Material ni dovzeten za mehansko odstranjevanje zaščitne folije, ker zaščitne folije ni. Toplotni izmenjevalnik iz PTFE lahko deluje pri višjih hitrostih pretoka brez tveganja erozije-korozije, kar zagotavlja večjo prilagodljivost pri zasnovi.
Napad sulfida na aluminijev bron
Do napada s sulfidi pride, ko morska voda vsebuje vodikov sulfid, ki je pogost v onesnaženih pristaniščih, estuarijih in območjih industrijskih izpustov. Sulfid reagira z bakrom v aluminijevem bronu in tvori bakrov sulfid, ki ni zaščiten. Stopnja korozije se močno poveča, življenjska doba pa se zmanjša z 20–30 let na 1–3 leta.
Napad sulfida je lokaliziran pojav, ki se začne na koncih cevi in na spojih cevi-in-cevne pločevine, kjer je hitrost pretoka nizka in koncentracija sulfida visoka. Napad se kaže kot luknjanje, ki predre steno cevi in povzroči puščanje.
PTFE ni napaden s sulfidom. Material je odporen na vodikov sulfid pri vseh koncentracijah in temperaturah v njegovem delovnem območju. To je glavni razlog, da je PTFE določen za uporabo morske vode v onesnaženih pristaniščih in estuarijih.
Primerjava dveh materialov pri izmenjavi toplote morske vode
Naslednja tabela povzema zmogljivost in stroškovne značilnosti toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE in aluminijevega brona v storitvi izmenjave toplote z morsko vodo pri 30 stopinjah s čisto morsko vodo in hitrostjo pretoka 1,5 m/s.
| Značilno | Toplotni izmenjevalnik iz aluminijastega brona | PTFE izmenjevalnik toplote | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplotna prevodnost | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Aluminij bron |
| Skupni koeficient prenosa toplote | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Aluminij bron |
| Potrebna površina za 100 kW | 5 m² | 25 m² | Aluminij bron |
| Kemična odpornost na čisto morsko vodo | Odlično | Odlično | Enakopravni |
| Kemična odpornost na morsko-onesnaženo morsko vodo | Ubogi | Odlično | PTFE |
| Meja erozije-korozije | 1.5–2.5 m/s | Noben | PTFE |
| Najvišja delovna temperatura | 200 stopinj | 260 stopinj | PTFE |
| Mehanska trdnost | visoko | Zmerno | Aluminij bron |
| Odpornost na toplotni udar | Zmerno | visoko | PTFE |
| Popravljivost | Omejeno | Dobro | PTFE |
| Življenjska doba v čisti morski vodi | 20–30 let | 15–20 let | Aluminij bron |
| Življenjska doba v morski-kontaminirani morski vodi | 1–3 leta | 15–20 let | PTFE |
| Stroški kapitala za 100 kW dajatve | $45,000 | $52,000 | Aluminij bron |
| Stroški namestitve | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Letni stroški vzdrževanja | $2,000 | $3,000 | Aluminij bron |
| Pet{0}}letni skupni stroški (čista morska voda) | $91,000 | $92,000 | Enakopravni |
| Pet{0}}letni skupni stroški (kontaminirano-s sulfidom) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Pet{0}}letne skupne vrednosti stroškov predvidevajo proizvodno vrednost 600 USD na uro in vključujejo kapitalske stroške, stroške namestitve in stroške vzdrževanja v petih letih. Ohišje, onesnaženo s -sulfidi, predvideva eno zamenjavo izmenjevalnika toplote v petih letih za enoto iz aluminijevega brona.
Ko je aluminij bron boljša izbira
Aluminijev bron je boljša izbira v več posebnih aplikacijah.
Storitev čiste morske vode.Ko je morska voda čista in je hitrost toka pod mejo erozije-korozije, aluminijev bron zagotavlja odlično delovanje ob nižjih kapitalskih stroških.
Storitev nizke-hitrosti.Ko je hitrost pretoka pod 1,5 m/s, je tveganje erozije-korozije nizko in aluminijev bron je boljša izbira.
Prostor{0}}omejene namestitve.Kadar je razpoložljivi prostor zelo omejen, je lahko manjša enota iz aluminijaste bronaste barve edina izvedljiva možnost. PTFE enota bi zahtevala 5-kratno površino, ki morda ne bo ustrezala razpoložljivemu prostoru.
Storitev pod visokim{0}}tlakom.Aluminijev bron ima večjo mehansko trdnost kot PTFE in lahko prenese višje pritiske. Za uporabo z morsko vodo pri tlakih nad 10 barov je lahko aluminijev bron edina izvedljiva možnost.
Ko je PTFE boljša izbira
PTFE je boljša izbira v več specifičnih aplikacijah.
Morska voda-onesnažena s sulfidi.PTFE je odporen na sulfide, medtem ko je aluminijev bron napaden. Za oskrbo z morsko vodo v onesnaženih pristaniščih in estuarijih je PTFE boljša izbira.
Hitra-storitev.PTFE nima meje erozije-korozije, zaradi česar je primeren za uporabo pri visokih hitrostih pretoka.
Storitev termocikliranja.PTFE ima višjo odpornost na toplotne udarce kot aluminijev bron, zaradi česar je primeren za uporabo pri pogostih temperaturnih spremembah.
Popravljiva storitev.PTFE izmenjevalnike toplote lahko popravi usposobljen tehnik na kraju samem, kar zmanjša čas izpada in izgubo proizvodnje.
Zahteva po dolgi življenjski dobi v onesnaženi morski vodi.Kadar je morska voda onesnažena in se pričakuje, da bo imel toplotni izmenjevalnik življenjsko dobo 10 let ali več, je PTFE boljša izbira, ker je odporen na kemične napade v daljšem obdobju.
Oblikovne lastnosti, ki podaljšujejo življenjsko dobo
Številne oblikovne značilnosti podaljšujejo življenjsko dobo toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE in aluminijeve brona pri servisiranju z morsko vodo.
Nadzor hitrosti pretoka.Ohranjanje hitrosti pretoka pod mejo erozije-korozije zmanjša stopnjo korozije aluminijevega brona.
Nadzor sulfida.Spremljanje koncentracije sulfida v morski vodi omogoča operaterju, da preklopi na drug vir hlajenja, če koncentracija sulfida naraste nad prag.
Katodna zaščita.Žrtvene anode ali katodni zaščitni sistem z vtisnjenim tokom lahko zmanjšajo stopnjo korozije aluminijevega brona.
-Določila za čiščenje na mestu.Priključki za dovod in povratek čistilne raztopine omogočajo čiščenje izmenjevalnika toplote brez demontaže, kar zmanjša čas izpada in izgubo proizvodnje.
Nadzor temperature.Temperaturni senzorji na vhodu in izstopu toplotnega izmenjevalnika omogočajo spremljanje prenosa toplote, kar omogoča zgodnje odkrivanje umazanije ali degradacije.
Parametri specifikacije za izmenjavo toplote morske vode
Inženirji opreme, ki ocenjujejo toplotne izmenjevalnike iz PTFE in aluminijevega brona za izmenjavo toplote z morsko vodo, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Kemija morske vode.Navedite koncentracijo klorida, koncentracijo sulfida in morebitne druge onesnaževalce.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Hitrost pretoka.Določite največjo hitrost pretoka in mejo erozije-korozije za aluminijev bron.
Delovni tlak.Določite največji delovni tlak.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in zahtevano površino za vsako možnost materiala.
Prostorske omejitve.Določite razpoložljivi prostor in največji dovoljeni odtis.
Zmogljivost vzdrževanja.Navedite vzdrževalne zmogljivosti objekta, vključno z možnostjo popravila toplotnega izmenjevalnika na kraju samem.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Ujemanje izbire materiala s pogoji uporabe morske vode
Izbira med toplotnimi izmenjevalniki iz PTFE in aluminijevega brona pri izmenjavi toplote z morsko vodo je odvisna od kemije morske vode, hitrosti pretoka, prostorskih omejitev in zahteve glede življenjske dobe. Aluminijev bron ima višjo toplotno prevodnost in zahteva manjšo površino, vendar je dovzeten za erozijo-korozijo in napad sulfida. PTFE ima nižjo toplotno prevodnost in zahteva večjo površino, vendar je odporen na vse onesnaževalce morske vode in hitrosti pretoka.
Odločitev o izbiri mora temeljiti na-specifični analizi objekta, ki vključuje kapitalske stroške, stroške namestitve, stroške vzdrževanja in izpostavljenost izgubam pri proizvodnji. Preprost model preglednice s temi komponentami stroškov zagotavlja informacije, potrebne za odločitev.
Za naprave za izmenjavo toplote z morsko vodo, ki ocenjujejo možnosti izmenjevalnika toplote, mora izbira materiala temeljiti na skupnih stroških lastništva v pričakovani življenjski dobi, ne le na kapitalskih stroških ali toplotni učinkovitosti. Enota iz aluminijastega brona z nižjimi kapitalskimi stroški ima lahko višje stroške v življenjski dobi, če je morska voda onesnažena in je enoto treba pogosto menjati.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za izmenjavo toplote z morsko vodo ali drugo korozivno storitev, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema kemijo morske vode, delovno temperaturo, hitrost pretoka, delovni tlak in prostorske omejitve, da potrdijo, da je izbor materiala usklajen z dejanskimi pogoji uporabe in strukturo stroškov objekta.
