הברונזה מאלומיניום ששירת מי ים במשך עשרות שנים
ברונזה אלומיניום היא סגסוגת על בסיס נחושת- המכילה 5-11% אלומיניום, עם תוספות של ברזל, ניקל ומנגן. הסגסוגת יוצרת סרט מגן של תחמוצת אלומיניום העמיד בפני קורוזיה של מי ים, והסרט מרפא את עצמו-אם הוא ניזוק. קצב הקורוזיה במי ים נקיים הוא בדרך כלל פחות מ-0.025 מ"מ בשנה, מה שמספק חיי שירות של 20-30 שנים לעובי דופן צינור טיפוסי.
ברונזה אלומיניום משמשת במחליפי חום של מי ים מכיוון שהיא משלבת עמידות נאותה בפני קורוזיה עם מוליכות תרמית גבוהה ועלות מתונה. המוליכות התרמית היא בערך 60 W/m·K, שהוא בערך פי 240 גבוה יותר מ-PTFE. המוליכות הגבוהה פירושה שמחליפי חום אלומיניום ברונזה הם קומפקטיים וזולים יחסית.
המגבלה של ברונזה אלומיניום היא הרגישות שלו לשחיקה-לקורוזיה במהירויות זרימה גבוהות ולהתקפת גופרית במי ים מזוהמים. מגבלת הקורוזיה-השחיקה היא בדרך כלל 1.5-2.5 מ'/שניה עבור שירות מי ים, שמעליה מסירים את הסרט המגן באופן מכאני וקצב הקורוזיה עולה בחדות. התקפת הגופרית מתרחשת כאשר מי הים מכילים מימן גופרתי, הנפוץ בנמלים ושפכים מזוהמים. הגופרית מגיבה עם הנחושת בסגסוגת ויוצרת גופרית נחושת, שאינה מגינה.
ה-PTFE שמבטל את מנגנוני הקורוזיה
PTFE עמיד למי ים בכל הריכוזים והטמפרטורות בטווח השירות שלו. החומר אינו משחית, וחיי השירות נקבעים על ידי גורמים מכניים ולא על ידי התקפה כימית. PTFE אינו רגיש לשחיקה-לקורוזיה במהירויות זרימה גבוהות, והוא אינו מותקף על ידי סולפידים או כלורידים.
ביטול מנגנוני הקורוזיה הוא הסיבה העיקרית לכך ש-PTFE מצוין עבור שירות מי ים שבו ברונזה האלומיניום תיכשל. יחידת ה-PTFE אינה מפתחת את השחיקה-הקורוזיה או התקפת הגופרית המגבילה את חיי השירות ברונזה מאלומיניום, וביצועי העברת החום נשארים יציבים לאורך חיי השירות.
פער המוליכות התרמית
המוליכות התרמית של ברונזה אלומיניום היא כ-60 W/m·K, בהשוואה ל-0.25 W/m·K עבור PTFE. היחס הוא בערך 240:1.
עבור מחליף חום שדוחה 100 קילוואט במי ים ב-30 מעלות, יחידת ברונזה מאלומיניום דורשת שטח פנים של כ-5 מ"ר, בהתבסס על מקדם העברת חום כולל של 1,000 W/m²·K והפרש טמפרטורה ממוצע של 20 מעלות. יחידת PTFE לאותה משימה דורשת כ-25 מ"ר של שטח פנים, בהתבסס על מקדם כולל של 200 W/m·K ואותו הפרש טמפרטורה.
יחידת ה-PTFE גדולה פי 5 מיחידת הברונזה מאלומיניום. הגודל הגדול יותר מגדיל את עלות ההון, את שטח הרצפה ואת נפח הנוזל. שטף החום הנמוך יותר מפחית את טמפרטורת דופן הצינור, מה שמועיל לתהליך, אך שטח הפנים הגדול יותר מספק גם יותר משטח למשקעים ודורש יותר זמן לניקוי.
מגבלת השחיקה-של קורוזיה של אלומיניום ברונזה
גבול השחיקה-לקורוזיה הוא מהירות הזרימה שמעליה מסירים מכנית את הסרט המגן על ברונזה האלומיניום וקצב הקורוזיה עולה בחדות. הגבול תלוי בהרכב הסגסוגת, בכימיה של מי הים ובגיאומטריית הצינור.
עבור ברונזה סטנדרטית מאלומיניום במי ים נקיים, מגבלת הקורוזיה-של השחיקה היא בדרך כלל 1.5-2.5 מטר לשנייה. מעל מהירות זו, קצב הקורוזיה יכול לעלות בפקטור של חמישה עד עשר, וחיי השירות מצטמצמים מ-20-30 שנים ל-3-5 שנים.
מגבלת הקורוזיה-השחיקה היא פרמטר עיצובי קריטי עבור מחליפי חום מאלומיניום ברונזה. יש לשמור על מהירות הצד- של הצינור מתחת לגבול, מה שעשוי לדרוש קוטר צינור גדול יותר או קצב זרימה נמוך יותר. קוטר הצינור הגדול יותר מגדיל את גודל מחליף החום ואת עלות ההון.
ל-PTFE אין מגבלת-שחיקה באותו מובן. החומר אינו רגיש להסרה מכנית של סרט מגן מכיוון שאין סרט מגן. מחליף החום PTFE יכול לפעול במהירויות זרימה גבוהות יותר ללא סיכון לשחיקה-שקורוזיה, מה שמספק יותר גמישות בתכנון.
מתקפת הסולפיד על אלומיניום ברונזה
התקפת הגופרית מתרחשת כאשר מי הים מכילים מימן גופרתי, הנפוץ בנמלים מזוהמים, בשפכים ובאזורי הזרמה תעשייתיים. הגופרית מגיבה עם הנחושת שבברונזה האלומיניום ויוצרת גופרית נחושת, שאינה מגינה. קצב הקורוזיה עולה בחדות, וחיי השירות מצטמצמים מ-20-30 שנים ל-1-3 שנים.
התקפת הגופרית היא תופעה מקומית שמתחילה בקצוות הצינור ובחיבורי הצינור-ל-הצינור, שבהם מהירות הזרימה נמוכה וריכוז הגופרית גבוה. ההתקף מתבטא בבור, החודר לדופן הצינור וגורם לדליפה.
PTFE אינו מותקף על ידי סולפיד. החומר עמיד בפני מימן גופרתי בכל הריכוזים והטמפרטורות בטווח השירות שלו. זוהי הסיבה העיקרית לכך ש-PTFE מצוין עבור שירות מי ים בנמלים ושפכים מזוהמים.
השוואה בין שני החומרים בחילופי חום מי ים
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום מסוג PTFE ואלומיניום ברונזה בשירות החלפת חום של מי ים ב-30 מעלות עם מי ים נקיים ומהירות זרימה של 1.5 מ' לשנייה.
| מְאַפיֵן | מחליף חום אלומיניום ברונזה | מחליף חום PTFE | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | ברונזה מאלומיניום |
| מקדם העברת חום כולל | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | ברונזה מאלומיניום |
| שטח פני השטח הנדרש עבור 100 קילוואט | 5 m² | 25 m² | ברונזה מאלומיניום |
| עמידות כימית למי ים נקיים | מְעוּלֶה | מְעוּלֶה | לְהִשְׁתַווֹת |
| עמידות כימית למי ים המזוהמים עם סולפיד- | יָרוּד | מְעוּלֶה | PTFE |
| מגבלת קורוזיה-שחיקה | 1.5–2.5 m/s | אַף לֹא אֶחָד | PTFE |
| טמפרטורת פעולה מקסימלית | 200 מעלות | 260 מעלות | PTFE |
| חוזק מכני | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | ברונזה מאלומיניום |
| עמידות בפני זעזועים תרמיים | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | PTFE |
| יכולת תיקון | מוּגבָּל | טוֹב | PTFE |
| חיי שירות במי ים נקיים | 20-30 שנה | 15-20 שנים | ברונזה מאלומיניום |
| חיי שירות במי ים- מזוהמים בגופרית | 1-3 שנים | 15-20 שנים | PTFE |
| עלות הונית עבור חובה של 100 קילוואט | $45,000 | $52,000 | ברונזה מאלומיניום |
| עלות התקנה | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| עלות תחזוקה שנתית | $2,000 | $3,000 | ברונזה מאלומיניום |
| עלות כוללת של חמש- שנים (מי ים נקיים) | $91,000 | $92,000 | לְהִשְׁתַווֹת |
| עלות כוללת של חמש- שנים (מזוהם בסולפיד) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
ערכי העלות הכוללת של חמש- השנים מניחים ערך ייצור של $600 לשעה וכוללים את עלות ההון, עלות ההתקנה ועלות התחזוקה לאורך חמש שנים. המארז המזוהם בסולפיד מניח החלפה אחת של מחליף חום במשך חמש שנים עבור יחידת הברונזה מאלומיניום.
כאשר ברונזה אלומיניום היא הבחירה הטובה יותר
ברונזה אלומיניום היא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות מי ים נקיים.כאשר מי הים נקיים ומהירות הזרימה מתחת לגבול השחיקה-, ברונזה אלומיניום מספקת ביצועים מצוינים בעלות הון נמוכה יותר.
שירות-במהירות נמוכה.כאשר מהירות הזרימה נמוכה מ-1.5 מטר לשנייה, סיכון השחיקה-לקורוזיה נמוך, וברונזה מאלומיניום היא הבחירה הטובה ביותר.
התקנות מוגבלות-במקום.כאשר השטח הפנוי מוגבל מאוד, יחידת הברונזה הקטנה יותר מאלומיניום עשויה להיות האפשרות הישימה היחידה. יחידת ה-PTFE תדרוש פי 5 משטח הפנים, שאולי לא יתאים לשטח הפנוי.
שירות-בלחץ גבוה.ברונזה מאלומיניום יש חוזק מכני גבוה יותר מאשר PTFE ויכול לעמוד בלחצים גבוהים יותר. עבור שירות מי ים בלחצים מעל 10 בר, ברונזה אלומיניום עשויה להיות האפשרות הקיימא היחידה.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
מי ים מזוהמים בסולפיד-.PTFE עמיד בפני סולפיד, בעוד ברונזה אלומיניום מותקפת. עבור שירות מי ים בנמלים ושפכים מזוהמים, PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר.
שירות-במהירות גבוהה.ל-PTFE אין מגבלת-קורוזיה שחיקה, מה שהופך אותו למתאים לשירות במהירויות זרימה גבוהות.
שירות רכיבה על אופניים תרמי.ל-PTFE עמידות בפני זעזועים תרמיים גבוהים יותר מאלומיניום ברונזה, מה שהופך אותו מתאים לשירות עם שינויי טמפרטורה תכופים.
שירות בר תיקון.מחליפי חום PTFE ניתנים לתיקון באתר על ידי טכנאי מוסמך, מה שמפחית את זמן ההשבתה ואת אובדן הייצור.
דרישת חיי שירות ארוכים במי ים מזוהמים.כאשר מי הים מזוהמים ומחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 10 שנים או יותר, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שהוא מתנגד להתקפה הכימית לאורך תקופה ארוכה יותר.
תכונות עיצוב שמאריכות את חיי השירות
מספר מאפייני עיצוב מאריכים את חיי השירות של מחליפי חום PTFE ושל אלומיניום ברונזה בשירות מי ים.
בקרת מהירות זרימה.שמירה על מהירות הזרימה מתחת לגבול השחיקה-מפחיתה את קצב הקורוזיה של ברונזה האלומיניום.
ניטור סולפיד.ניטור ריכוז הגופרית במי הים מאפשר למפעיל לעבור למקור קירור אחר אם ריכוז הגופרית עולה מעל הסף.
הגנה קתודית.אנודות קורבנות או מערכת הגנה קתודית מרשימה בזרם יכולים להפחית את קצב הקורוזיה של ברונזה האלומיניום.
במקום הוראות ניקוי-.חיבורים לאספקה והחזרת תמיסת ניקוי מאפשרים לנקות את מחליף החום ללא פירוק, מה שמפחית את זמן ההשבתה ואת אובדן הייצור.
ניטור טמפרטורה.חיישני טמפרטורה בכניסה וביציאה של מחליף החום מאפשרים ניטור של ביצועי העברת החום, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של עכירות או השפלה.
מפרט פרמטרים לחילופי חום מי ים
מהנדסי ציוד המעריכים מחליפי חום מסוג PTFE ואלומיניום ברונזה להחלפת חום מי ים צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
כימיה של מי ים.ציין את ריכוז הכלוריד, ריכוז הגופרית וכל מזהם אחר.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
מהירות זרימה.ציין את מהירות הזרימה המקסימלית ואת מגבלת השחיקה-לקורוזיה עבור ברונזה האלומיניום.
לחץ הפעלה.ציין את לחץ הפעולה המקסימלי.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
אילוצי מקום.ציין את השטח הפנוי ואת טביעת הרגל המקסימלית המותרת.
יכולת תחזוקה.ציין את יכולת התחזוקה של המתקן, כולל היכולת לתקן את מחליף החום במקום.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפוי ואת לוח הזמנים להחלפה.
התאמת בחירת חומרים לתנאי השירות במי ים
הבחירה בין מחליפי חום PTFE ואלומיניום ברונזה בהחלפת חום מי ים תלויה בכימיה של מי הים, מהירות הזרימה, מגבלות החלל ודרישת חיי השירות. ברונזה מאלומיניום יש מוליכות תרמית גבוהה יותר ודורש פחות שטח פנים, אך הוא רגיש לשחיקה-לקורוזיה ולהתקפת גופרית. ל-PTFE מוליכות תרמית נמוכה יותר ודורש שטח פנים גדול יותר, אך הוא עמיד בפני כל מזהמי מי הים ומהירויות הזרימה.
החלטת הבחירה צריכה להתבסס על ניתוח ספציפי למתקן-שמשלב את עלות ההון, עלות ההתקנה, עלות התחזוקה והחשיפה לאובדן ייצור. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם רכיבי עלות אלו מספק את המידע הדרוש לקבלת ההחלטה.
עבור מתקני חילופי חום של מי ים המעריכים אפשרויות מחליפי חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על העלות הכוללת של הבעלות לאורך חיי השירות הצפוי, לא רק על עלות ההון או על הביצועים התרמיים. יחידת ברונזה מאלומיניום עם עלות הונית נמוכה יותר עשויה להיות בעלת עלות חיים גבוהה יותר אם מי הים מזוהמים והיחידה דורשת החלפה תכופה.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום של PTFE עבור חילופי חום מי ים או שירות מאכל אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה כימיה של מי ים, טמפרטורת הפעלה, מהירות זרימה, לחץ תפעול ומגבלות שטח כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
