Diferencialna ekspanzija, ki ustvarja napetost v cevni plošči
Obrat za kemično predelavo uporablja PTFE-ohišje-in-cevni izmenjevalnik toplote s 1,5 m cevnim snopom. Procesna tekočina se segreje od 25 stopinj do 90 stopinj, servisna tekočina pa je para pri 120 stopinjah. Cevni snop je na obeh koncih pritrjen na cevne plošče, ki so privijačene na ohišje.
PTFE cevi se razširijo za približno 12 × 10⁻⁵/stopinjo. Pri dvigu temperature za 65 stopinj je prosti raztez 1,5 m cevi približno 11,7 mm. Lupina iz ogljikovega jekla se razširi za približno 1,2 × 10⁻⁵ / stopinjo, kar je pri enakem dvigu temperature približno 1,2 mm. Razlika med cevmi in lupino je približno 10,5 mm.
Če je cevni snop pritrjen na obeh koncih, je ta diferencialna ekspanzija omejena. Cevi se prisilno stisnejo, cevne pločevine pa se upognejo. Tlačna napetost v ceveh in upogibna napetost v cevnih ploščah lahko preseže trdnost PTFE, zlasti na spojih cevi-in-cevne plošče, kjer je koncentracija napetosti največja.
Stres, ki se razvije brez dodatka
Tlačna napetost v omejeni cevi je podana s σ=E × × ΔT, kjer je E modul elastičnosti, koeficient toplotnega raztezanja in ΔT sprememba temperature. Za PTFE pri 90 stopinjah je modul približno 300 MPa, ekspanzijski koeficient je 12 × 10⁻⁵ / stopinjo, temperaturna sprememba pa je 65 stopinj. Tlačna napetost je približno 23,4 MPa.
Natezna trdnost PTFE pri 90 stopinjah je približno 12–15 MPa. Tlačna napetost 23,4 MPa presega natezno trdnost, kar pomeni, da bi se cev upognila ali pa bi spoj cevne pločevine odpovedal.
Upogibna napetost v cevni plošči je odvisna od debeline cevne plošče in velikosti diferencialne ekspanzije. Za 20 mm cevno ploščo z 10,5 mm diferencialno razteznostjo lahko upogibna napetost preseže 20 MPa, kar je nad dovoljeno napetostjo za PTFE pri povišani temperaturi.
Možnosti dodatka za toplotno raztezanje
Več možnosti zasnove zagotavlja dovoljeno toplotno raztezanje, ki preprečuje napetost cevne plošče.
Plavajoča cevna plošča.Ena cevna plošča se lahko prosto premika z raztezkom cevi, druga pa je pritrjena na lupino. Plavajoča cevna plošča je zatesnjena z gibljivim mehom ali drsnim tesnilom, ki omogoča gibanje brez puščanja. Plavajoča zasnova odpravlja aksialno omejitev cevi in zmanjšuje napetost cevne pločevine za 70–80 %.
Raztezni spoj v lupini.Raztezni spoj z mehom, nameščen v valjasto lupino, omogoča, da se lupina širi in krči neodvisno od cevi. Raztezni spoj absorbira diferencialno gibanje in zmanjša napetost na cevnih ploščah in priključkih šob.
U-sveženj cevi.Cevi so upognjene v-obliko U, oba konca pa sta povezana z eno samo cevno ploščo. U-upogib omogoča, da se cevi prosto širijo in krčijo, ne da bi obremenjevale cevno ploščo. Zasnova U-cevi odpravlja diferencialno raztezno napetost, vendar zahteva večji premer lupine za enako površino.
Drsne opore.Snop cevi je podprt z drsnimi nosilci, ki omogočajo aksialno gibanje, hkrati pa zagotavljajo radialno podporo. Drsni nosilci se prilagodijo diferencialni ekspanziji, ne da bi obremenjevali cevno ploščo.
Fleksibilni spoji cevi--na cevno ploščo.Spoji cevi-in-cevne pločevine so zasnovani s prilagodljivim prehodom, ki se prilagaja diferencialnemu gibanju med cevjo in pločevino. Fleksibilen spoj zmanjša koncentracijo napetosti in omogoča, da se cev razširi brez pokanja spoja.
Primerjava možnosti toplotnega raztezanja
Naslednja tabela povzema zmanjšanje napetosti in stroške za različne možnosti toplotnega raztezanja v toplotnem izmenjevalniku PTFE s snopom cevi 1,5 m in dvigom temperature za 65 stopinj.
| Možnost dodatka | Zmanjšanje stresa | Premija za kapitalske stroške | Zahteva za vzdrževanje | Pričakovana življenjska doba cevne pločevine |
|---|---|---|---|---|
| Brez dodatka (fiksno-fiksno) | 0% | Izhodišče | Pogosto popravilo | 2–4 leta |
| Drsne opore | 20–30% | +5% | Inšpekcija podpore | 4–6 let |
| Gibljivi sklepi | 30–40% | +10% | Skupni pregled | 5–8 let |
| Raztezni spoj v lupini | 50–60% | +20% | Pregled meha | 8–12 let |
| Plavajoča cevna plošča | 70–80% | +25% | Pregled tesnila | 10–15 let |
| U-sveženj cevi | 90–95% | +30% | Pregled cevi | 15–20 let |
| Plavajoča cevna plošča z razteznim spojem | 95%+ | +40% | Letni pregled | 15–20 let |
Zmanjšanje napetosti je relativno glede na fiksno-fiksno konfiguracijo. Premija kapitalskih stroškov je odstotek povečanja glede na osnovno konfiguracijo. Pričakovana življenjska doba cevne pločevine predvideva pravilno namestitev in vzdrževanje.
Izračun dodatka za toplotno raztezanje
Dodatek toplotnega raztezanja se izračuna iz razlike v raztezku med cevmi in ohišjem. Izračun poteka na naslednji način.
Prosta razteznost cevi je ΔL_cev= _cev × L × ΔT_cev. Prosta razširitev lupine je ΔL_lupina= _lupina × L × ΔT_lupina. Diferencialna ekspanzija je ΔL_diff=ΔL_tube − ΔL_shell.
Za primer, ΔL_cev=12 × 10⁻⁵ × 1500 × 65=11.7 mm in ΔL_lupina=1.2 × 10⁻⁵ × 1500 × 65=1.2 mm. Diferencialna ekspanzija je 10,5 mm.
Dodatek mora upoštevati diferencialno raztezanje z rezervo za negotovost pri temperaturi in razteznih koeficientih. Običajno se uporablja 20–30 % rezerva, kar daje dodatek 12,6–13,7 mm.
Dodatek je zagotovljen s premikanjem plavajoče cevne pločevine, gibom razteznega spoja ali upogljivostjo U-upogiba. Dodatek mora biti naveden v dokumentaciji v zvezi z oddajo javnega naročila in preverjen ob namestitvi.
Vpliv temperature na dodatek
Dodatek toplotnega raztezanja je odvisen od temperaturnega območja delovanja. Večje temperaturno območje zahteva večji dodatek.
Za izmenjevalnik toplote, ki deluje od 25 stopinj do 90 stopinj, je temperaturno območje 65 stopinj, dodatek pa 10,5 mm. Za izmenjevalnik toplote, ki deluje od 25 stopinj do 150 stopinj, je temperaturno območje 125 stopinj, dodatek pa 20,2 mm. Za izmenjevalnik toplote, ki deluje od 25 stopinj do 200 stopinj, je temperaturno območje 175 stopinj, dodatek pa 28,3 mm.
Dodatek narašča linearno s temperaturnim območjem. Zasnova toplotnega izmenjevalnika mora ustrezati največjemu pričakovanemu temperaturnemu razponu med delovanjem, vključno z zagonom, zaustavitvijo in motnjami v procesu.
Oblikovne značilnosti, ki zmanjšujejo zahtevani dodatek
Več konstrukcijskih značilnosti zmanjšuje zahtevano toplotno raztezanje.
Krajši snop cevi.Krajši cevni snop ima manjšo absolutno razteznost pri enaki spremembi temperature. 1,0 m snop se razširi za 7,8 mm namesto za 11,7 mm za dvig temperature za 65 stopinj.
Nižja delovna temperatura.Nižja delovna temperatura zmanjša spremembo temperature in raztezanje. Toplotni izmenjevalnik, ki deluje pri 70 stopinjah namesto pri 90 stopinjah, ima manjše zahteve glede dodatka.
Material lupine z višjim razteznim koeficientom.Material lupine z višjim razteznim koeficientom zmanjša diferencialno raztezanje. Lupina iz nerjavečega jekla se razširi bolj kot lupina iz ogljikovega jekla, kar zmanjša razliko.
Material cevi z nižjim razteznim koeficientom.Material cevi z nižjim razteznim koeficientom zmanjša diferencialno raztezanje. Polnjene PTFE spojine imajo nekoliko nižje ekspanzijske koeficiente kot čisti PTFE.
Segmentiran snop cevi.Razdelitev cevnega snopa na segmente z vmesnimi nosilci zmanjša efektivno dolžino in raztezanje. Segmentirani sveženj zahteva manjši dodatek.
Parametri specifikacije za dodatek za toplotno raztezanje
Inženirji opreme, ki določajo izmenjevalnik toplote iz PTFE, morajo potrditi naslednje parametre pri dobavitelju.
Temperaturno območje.Določite najvišjo in najnižjo delovno temperaturo ter pričakovan temperaturni profil.
Dolžina cevi.Določite dolžino snopa cevi.
Material cevi.Določite material cevi in koeficient toplotne razteznosti.
Material lupine.Določite material lupine in koeficient toplotne razteznosti.
Diferencialna ekspanzija.Določite izračunano diferencialno raztezanje na podlagi materialov cevi in lupine ter temperaturnega območja.
Marža dodatka.Določite mejo dodatka. Priporočena marža je 20–30 %.
Možnost dodatka.Določite možnost dodatka glede na potrebno zmanjšanje stresa in stroške.
Preverjanje.Določite metodo za preverjanje dovoljenosti pri namestitvi, kot je preverjanje dimenzij ali preskus gibanja.
Ujemanje dovoljene toplotne ekspanzije s pogoji uporabe
Dodatek toplotnega raztezanja preprečuje obremenitev cevne plošče, ki povzroča razpoke, puščanje spojev in prezgodnjo odpoved toplotnih izmenjevalnikov PTFE. Dodatek se izračuna iz razlike v raztezku med cevmi in lupino, z rezervo za negotovost. Dodatek zagotavlja lebdeča cevna plošča, raztezni spoj v ohišju, snop U-cevi ali kombinacija teh lastnosti.
Možnost dodatka je treba izbrati glede na temperaturno območje, dolžino cevi in zahtevano zmanjšanje napetosti. Plavajoča cevna plošča zagotavlja 70–80-odstotno zmanjšanje napetosti ob 25-odstotni premiji stroškov. AU-snop cevi zagotavlja 90–95 % zmanjšanje obremenitve ob 30 % višji ceni.
Za obrate za kemično obdelavo, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, mora biti dovoljena toplotna razteznost navedena v dokumentaciji javnega naročila in preverjena ob namestitvi. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, morda ne vključuje ustreznega dodatka, posledična napetost cevne pločevine pa lahko povzroči prezgodnjo odpoved.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za uporabo z znatnimi temperaturnimi spremembami, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema temperaturno območje, dolžino cevi, material cevi, material lupine, diferencialno raztezanje in možnost dodatka, da potrdijo, da se enota ujema z dejanskimi pogoji delovanja in zahtevami po toplotnem raztezanju objekta.
