קול הפטיש מהטנק
מפעילים ליד סליל טבילה אנכי במיכל ניקוי חם שומעים דפיקות קצובות במהלך חימום-. הצליל דומה לפטיש שפוגע בצינור מתכת-ומכאן המונח פטיש מים. הרעש לא רק מעצבן. כל פעימת פטיש מייצרת ספייק לחץ המלחיץ את קירות הצינור, מחליש את תפרי הריתוך ובסופו של דבר גורם לכשל עייפות בנקודות של הלחץ הגבוה ביותר.
בסלילים אנכיים מתכתיים, פטיש מים הוא בעיה מתמשכת המונעת על ידי הגיאומטריה של ממשק הקונדנסט-. אדים נכנסים בחלק העליון של הסליל וזורמים כלפי מטה. עיבוי נוצר על דפנות הצינור וחייב לזרום נגד-זרם אל הקיטור, ומתנקז כלפי מטה כנגד הזרימה כלפי מעלה של הקיטור הנכנס. במהירויות קיטור ועומסי עיבוי מסוימות, הזרימה הדו-פאזית הופכת ללא יציבה. שבלולים של קונדנסט מורמים על ידי זרימת הקיטור, ואז מתמוטטים בחזרה כלפי מטה, ויוצרים את פעימת הפטיש.
תופעה זו משפילה לא רק את הסליל אלא גם את מלכודת הקיטור, שסתום הבקרה וחיבורי הצנרת. רישומי תחזוקה מחנויות ציפוי עם סלילים מתכתיים אנכיים מראים החלפות מלכודות קיטור בממוצע כל 12-18 חודשים עקב נזק לפטיש.
הנגד-חוסר יציבות זרימה נוכחית
בצינור אנכי עם קיטור שזורם כלפי מטה ועיבוי מתנקז כלפי מטה תחת כוח הכבידה, שני השלבים יכולים להתקיים ביציבות אם מהירות הקיטור מתחת לסף קריטי. הקונדנסט יוצר סרט טבעתי על דופן הצינור, קיטור זורם דרך הליבה המרכזית, ושני השלבים נעים באותו כיוון.
חוסר היציבות מתעורר כאשר מהירות הקיטור עולה-במהלך האתחול, בתקופות-ביקוש גבוה, או כאשר שסתום הבקרה נפתח לרווחה. במהירות קיטור גבוהה, כוח הגזירה בממשק הקיטור-מתגבר על כוח המשיכה. סרט הקונדנסט נתלש מהקיר ונאגר כטיפות בזרימת הקיטור. טיפות אלו מתלכדות לשבלולים המגשרים על קוטר הצינור. לחץ הקיטור מאחורי הקליע מאיץ אותו. כשהשבלול פוגע בעיקול, בשסתום או בעמוד נייח של עיבוי, הוא נעצר בפתאומיות. האנרגיה הקינטית הופכת לדופק לחץ.
בסלילים מתכתיים, קירות הצינור הקשיחים מעבירים את דופק הלחץ הזה ביעילות לכל רכיב מחובר. גל ההלם משתקף קדימה ואחורה דרך המערכת. בכל נקודת השתקפות-מרפק, טי, מפחית-ריכוז המתח הוא הגבוה ביותר. אלו בדיוק המקומות שבהם מופיעים בסופו של דבר סדקי עייפות.
טבלה 1: גורמי חומרת פטיש מים עבור עיצובים של מחליף חום אנכי
| גורם עיצוב | סליל אנכי מתכתי | סליל אנכי PTFE עם ניקוז אופטימלי |
|---|---|---|
| קשיחות קיר הצינור | גבוה (פלדה של 200 GPa) | נמוך (0.5 GPa PTFE) |
| יעילות העברת גלי לחץ | >95% | <30% (viscoelastic damping) |
| נתיב ניקוז עיבוי | זרם- נגדי ל-Steam (לא יציב) | הרגל יורדת עיבוי נפרדת |
| משטר זרימת קיטור- | מעורב דו-שלבי | שלבים מופרדים |
| רגישות להיווצרות שבלול | High at >קיבולת קיטור של 30%. | נמוך מאוד (נתיב ניקוז מונע הצטברות) |
| שיא לחץ הפטיש (בר) | 20-80 (מעל לחץ קיטור) | <5 (damped by tube compliance) |
| תדירות הנזק של מלכודת קיטור | כל 12-18 חודשים | >5 שנים |
פתרון העיצוב של PTFE
מחליפי חום PTFE מקלים על פטיש מים באמצעות שני מנגנונים: שיכוך חומר וגיאומטריית ניקוז אופטימלית.
האופי הויסקו-אלסטי של PTFE סופג אנרגיית גלי לחץ. כאשר דופק לחץ עובר דרך צינור PTFE, שרשראות הפולימר עוברות סידור מחדש מולקולרי המפזר אנרגיה מכנית כחום. משרעת הדופק דועכת באופן אקספוננציאלי עם המרחק שנסע. זינוק לחץ שירשם 60 בר בצינור פלדה רושם 15 בר ב-PTFE-ומתפרק לרמות בלתי מזיקות בטווח של מטר אחד מהתפשטות.
שיכוך זה מגן לא רק על סליל ה-PTFE, אלא גם על הרכיבים המתכתיים המחוברים-מלכדת קיטור, שסתום בקרה, צנרת- מכל הכוח של כל אירוע פטיש שאכן מתרחש.
גיאומטריית הניקוז של סליל אנכי מסוג PTFE שתוכנן כהלכה מפרידה בין נתיבי הקיטור והעיבוי. קיטור נכנס דרך כותרת עליונה וזורם דרך מספר צינורות מקבילים. קונדנסט מתנקז מכותרת תחתונה לתוך רגל החזרת עיבוי ייעודית המבודדת מזרימת הקיטור. שני השלבים אינם עוברים זרם נגדי- דרך אותו צינור. חוסר יציבות הזרימה שיוצר שבלולים בסלילים מתכתיים מתוכננת מתוך המערכת.
הגנת מלכודת קיטור
פטיש מים הוא הגורם המוביל לכשל בטרם עת של מלכודת קיטור. המצוף, האלמנט התרמוסטטי או מנגנון הדיסק שנפתח ונסגר כדי לפרוק עיבוי אינו מתוכנן לעמוד בפני קוצים חוזרים ונשנים של לחץ. כל אירוע פטיש מעוות רכיבים פנימיים, משפיל את משטחי האיטום ומקצר את חיי המלכודת.
סליל PTFE המרכך את פעימות הלחץ מאריך את חיי מלכודת הקיטור באופן משמעותי. המלכודת פועלת בסביבת לחץ יציבה, רוכבת על אופניים בתדר שתוכנן במקום להיפגע על ידי גלי הלם לסירוגין. מרווחי תחזוקת המלכודות מתארכים מחודשים לשנים.
תַקצִיר
פטיש עיבוי קיטור בסלילי טבילה אנכיים נובע מאי-יציבות-ת זרימה דו-פאבית כאשר קיטור וזרימה נגדית-. סלילים מתכתיים משדרים פעימות לחץ פטיש ביעילות, וגורמים לנזקי עייפות לסלילים, מלכודות וצנרת. מחליפי חום PTFE מקלים על הפטיש באמצעות שיכוך ויסקו אלסטי הסופג אנרגיית גלי לחץ וגיאומטריית ניקוז אופטימלית המפרידה בין נתיבי קיטור לקונדנסט.
חומרת הפטיש המופחתת מאריכה את חיי מלכודת הקיטור, מפחיתה את תחזוקת הצנרת ומבטלת סדקי עייפות בנקודות ריכוז מתח. החומר הפלואורו-פולימר הגמיש הופך את האנרגיה ההרסנית של הלם הידראולי לתנועה מולקולרית בלתי מזיקה.
המלצות הנדסיות לתכנון סליל אנכי PTFE עם ניקוז עיבוי אופטימלי זמינות עם הגשת לחץ קיטור, חובת חימום נדרשת, ממדי מיכל ותצפיות נוכחיות בפטיש מים.
