Odkritje deformirane cevi
Med rutinskim letnim pregledom vzdrževalno osebje umakne PTFE izmenjevalnik toplote iz kopeli s koncentrirano kislino 150 stopinj. Več cevi med nosilnimi ploščami kaže vidno povešanje. Ena cev se je prepognila blizu podporne objemke. Tuljava se še vedno segreva, vendar je deformacija progresivna-vsako leto se povešanje poveča.
PTFE pri povišani temperaturi ni tog material. Zmehča se, lezi pod dolgotrajno obremenitvijo in se znatno razširi. Brez ustrezne podporne razdalje kombinacija lastne-teže, toplotnega raztezanja in tlaka pare povzroči trajno deformacijo. Deformirane cevi izgubijo svoj načrtovani razmik, kar ustvarja omejitve pretoka in morebitne kontaktne točke, kjer lahko vibracije povzročijo poškodbe zaradi raztrganja.
Mehanizem lezenja pri povišani temperaturi
Lezenje je časovno-odvisna deformacija pod konstantno obremenitvijo. Za PTFE pri temperaturah nad 100 stopinj postane lezenje merljivo pod napetostmi, ki so precej pod kratkoročno-mejo tečenja. Vodoravna PTFE cev, ki je podprta samo na svojih koncih, doživlja upogibno obremenitev zaradi lastne teže. Več mesecev pri 140 stopinjah ta stres povzroči postopno povešanje.
Hitrost lezenja eksponentno narašča s temperaturo. Pri 80 stopinjah je lezenje zanemarljivo za pravilno podprte cevi. Pri 120 stopinjah postane lezenje pomembna zasnova. Pri 150 stopinjah in več lezenje prevladuje v mehanski zasnovi-razmik med podporami mora biti dovolj blizu, da omeji upogibno napetost na ravni, ki povzročajo sprejemljivo lezenje v načrtovani življenjski dobi.
Težavo še poveča toplotna ekspanzija. PTFE se razširi približno 0,12 mm na meter na stopinjo Celzija, kar je približno desetkrat več kot jeklo. 2-metrska cev, segreta s 25 stopinj na 140 stopinj, zraste za skoraj 28 mm. Če podpore omejujejo to raztezanje, pride do tlačnega upogibanja. Cev se bočno upogne med nosilci, kar povzroči trajno bočno deformacijo.
Tabela 1: Priporočena razdalja podporne cevi iz PTFE glede na temperaturo (10 mm OD × 1 mm stene, vodoravna orientacija)
| Delovna temperatura (stopinja) | Največja podporna razdalja - še vedno tekoča (mm) | Največji podporni razmik - mešana kopel (mm) | Primarna skrb |
|---|---|---|---|
| 60 | 600 | 500 | Upravljanje toplotne ekspanzije |
| 80 | 500 | 400 | Skromno lezenje, širitev |
| 100 | 400 | 300 | Plazenje postaja pomembno |
| 120 | 300 | 250 | Lezenje prevladuje pri oblikovanju |
| 140 | 250 | 200 | Nevarnost lezenja in upogibanja |
| 160 | 200 | 150 | Potrebna je maksimalna previdnost |
Razmiki, izračunani tako, da omejijo-upogib srednjega razpona na manj kot 3 mm in upogibno napetost pod 0,5 MPa pri temperaturi. Mešane kopeli zahtevajo manjši razmik zaradi hidrodinamične obremenitve zaradi premikanja raztopine.
Načela oblikovanja podpore
Podporne plošče za PTFE cevi morajo omogočati osno premikanje, hkrati pa preprečevati stranski premik. Temu namenu služijo vodila z režami, izdelana iz trdnega PTFE ali PVDF. Cev prosto drsi skozi režo med toplotnim raztezanjem in krčenjem, vendar stene reže preprečujejo povešanje ali bočni upogib.
Reža mora biti nekoliko predimenzionirana-0,5 do 1,0 mm večja od zunanjega premera cevi, da preprečite zapenjanje in hkrati ohranite bočno podporo. Tesne reže omejujejo toplotno gibanje, s čimer oporo spremenijo v omejitev, ki povzroči upogibanje. Preveč ohlapne reže omogočajo, da cev vibrira pod stresanjem, kar povzroča utrujenost kontaktne točke podpore.
Končne pritrditve zahtevajo posebno pozornost. Povezava cevi-z-glavo je običajno kompresijski priključek. Cev se mora prosto razširiti med glavo in prvo oporo. Razdalja od glave do prve podpore mora biti polovica normalne podporne razdalje, da se omeji upogibna napetost med raztezanjem.
Premisleki glede navpične usmerjenosti
Navpične cevi lezijo drugače kot vodoravne cevi. Lastna{1}}teža povzroči natezno napetost namesto upogibne napetosti. Natezno lezenje povzroči raztezek in tanjšanje stene, ne pa povešanje. Podporni razmik za navpične cevi obravnava odpornost proti upogibanju in nadzor tresljajev namesto samo{4}}deformacije teže.
Navpične PTFE cevi med kolektorji je treba podpreti bočno v intervalih, ki ne presegajo razmika za vodoravne cevi pri enaki temperaturi. Podpore preprečujejo Eulerjevo upogibanje pod tlačnimi toplotnimi obremenitvami in omejujejo amplitudo vibracij zaradi pretoka tekočine.
Povzetek
Deformacija cevi toplotnega izmenjevalnika PTFE pri visokih temperaturah je posledica lezenja pod lastno-težo in upogibanja zaradi omejenega toplotnega raztezanja. Ustrezna podporna razdalja omeji upogibno obremenitev na ravni, ki povzročajo sprejemljivo lezenje v življenjski dobi opreme.
Podporni razmik se zmanjša, ko se delovna temperatura poveča, s 600 mm pri 60 stopinjah na 200 mm pri 160 stopinjah za 10 mm OD cevi. Vodilni nosilci z režami omogočajo prosto aksialno toplotno gibanje, hkrati pa preprečujejo stranski premik. Razdalja-od-prve-podpore zahteva prepolovljen razmik za obvladovanje napetosti pri raztezanju.
Inženirska analiza za razmik podpornih cevi iz PTFE v posebnih delovnih pogojih je na voljo ob predložitvi premera cevi, debeline stene, orientacije, delovne temperature, intenzivnosti mešanja tekočine in projektnih zahtev glede življenjske dobe.
