שאלת העיצוב
תהליך כימי דורש חימום מתמשך ב-160 מעלות באמצעות קיטור רווי ב-6 בארג. מחליף החום PTFE חייב לספק חיי שירות של 10 שנים ללא החלפת צינור עקב קרע בזחילה או עיוות מוגזם. על מהנדס התכנון לבחור עובי דופן הצינור המספק חיים אלה בלחץ ובטמפרטורה שצוינו.
הבחירה היא איזון בין העברת חום לחיים מכניים. קירות דקים יותר מעבירים חום בצורה יעילה יותר-ההתנגדות המוליכה נמוכה יותר-אבל יש להם חיי זחילה קצרים יותר מכיוון שמתח החישוק גבוה יותר. קירות עבים יותר מספקים חיים ארוכים יותר אך דורשים יותר שטח פנים כדי לפצות על העברת החום המופחתת, מה שמגדיל את גודל המחליף והעלות.
שיטת חישוב חיי זחילה
זחילה בצינורות PTFE בלחץ פנימי מונעת על ידי מתח החישוק: σ=P × (D - t) / (2t), כאשר P הוא הלחץ הפנימי, D הוא הקוטר החיצוני של הצינור, ו-t הוא עובי הדופן. עבור צינור OD ולחץ קיטור נתון, מתח החישוק יורד ככל שעובי הדופן גדל.
זמן קרע הזחילה-הזמן שבו הצינור יכשל בזחילה-הוא פונקציה של טמפרטורה ומתח חישוק. ב-160 מעלות, PTFE שונה מציג עקומת קרע זחילה צפויה. הזמן עד לכשל פוחת באופן אקספוננציאלי עם הגדלת הלחץ החישוק.
עבור אורך חיים עיצובי של 10 שנים (87,600 שעות) ב-160 מעלות, מתח החישוק המרבי המותר עבור PTFE שונה הוא כ-2.5-3.0 MPa, בהתבסס על נתוני קרע זחילה עם מקדם בטיחות של 1.5 במתח. עובי הדופן הנדרש מחושב על ידי סידור מחדש של נוסחת מתח החישוק: t=P × D / (2σ + P).
| פרמטר עיצוב | עֵרֶך |
|---|---|
| לחץ רוויה בקיטור | 6 בארג (7 בר מוחלט) |
| טמפרטורת רוויה באדים | 165 מעלות |
| עיצוב צינור OD | 10 מ"מ |
| חיי שירות נדרשים | 10 שנים (87,600 שעות) |
| מתח חישוק מותר ב-PTFE שונה ב-160 מעלות, 87,600 שעות | 2.5-3.0 MPa (עם 1.5× מקדם בטיחות) |
| עובי דופן מינימלי מחושב | 10 × 0.7 / (2 × 2.75 + 0.7)=1.12 מ"מ → ציין 1.2 מ"מ |
| מתח חישוק מתיר PTFE בתולה | 1.5-2.0 MPa |
| עובי דופן מינימלי של PTFE Virgin | 1.75 מ"מ → ציין 2.0 מ"מ |
בחירת PTFE שונה לעומת Virgin
PTFE מתוקן, עם ענפי הצד הקומונומרים שלו, מספק עמידות לזחילה טובה משמעותית מ-PTFE בתולי בטמפרטורות גבוהות. ב-160 מעלות ו-87,600 שעות, ל-PTFE שונה יש מתח חישוק מותר גבוה בכ-50-60% מ-PTFE בתולי.
הבדל זה מתורגם ישירות לעובי הדופן הנדרש. PTFE שונה בעובי דופן של 1.2 מ"מ מספק חיים של 10 שנים. PTFE בתולה ידרוש עובי דופן של 1.75-2.0 מ"מ עבור אותם חיים. הדופן העבה יותר של PTFE בתולי יגדיל את עלות חומרי הצינור ויפחית את מקדם העברת החום, וידרוש כ-15-20% יותר שטח פנים לאותה חובת חום.
עבור קיטור 6 בארג ב-160 מעלות, PTFE שונה הוא החומר המומלץ. עלות החומר המצטברת של PTFE שעבר שינוי על פני PTFE בתולה מוחזרת דרך הקיר הדק יותר (פחות חומר בשימוש) וטביעת הרגל הקטנה יותר של המחליף (פחות שטח פנים נדרש).
חישוב העונש על העברת חום
ההתנגדות המוליכה של דופן הצינור היא t/k, כאשר k היא המוליכות התרמית של PTFE (כ-0.25 W/m·K). עבור קיר של 1.2 מ"מ, ההתנגדות היא 0.0012/0.25=0.0048 m²·K/W. עבור קיר של 2.0 מ"מ, ההתנגדות היא 0.0020/0.25=0.0080 m²·K/W.
בהנחה ששאר ההתנגדויות (סרט צד-אדים, סרט צד-תהליך, עכירות) מסתכמות ב-0.0030 מ"ר·K/W, ערך ה-U- הכולל עבור הקיר בגודל 1.2 מ"מ הוא 1/(0.0048 + 0.0030)=128 W/m²·K. עבור הקיר בגודל 2.0 מ"מ, זה 1/(0.0080 + 0.0030)=91 W/m²·K-הפחתה של 29%.
כדי לספק את אותה חובת חום, מחליף ה-PTFE בתולי -עבה יותר דורש 29% יותר משטח הפנים מאשר מחליף ה-PTFE המותאם -הדק יותר. טביעת הרגל הגדולה יותר מגדילה את עלות ההון ואת נפח המיכל הנעקר.
לוח הבדיקות וההחלפות
אפילו עם חיי עיצוב של 10 שנים, יש לבדוק את הצינורות מעת לעת כדי לאמת את קצב הזחילה בפועל. מדידות עובי אולטרסאונד בשנים 3, 5 ו-7 מאשרות שדילול הקיר נמצא במסלול החזוי. אם הקצב הנמדד גבוה מהחזוי, ההחלפה מתקדמת. אם נמוך יותר, חיי השירות עשויים להתארך מעבר ל-10 שנים.
תַקצִיר
צינור מחליף חום שונה מסוג PTFE עם עובי דופן של 1.2 מ"מ מספק חיי זחילה של 10 שנים ב-6 barg קיטור ו-160 מעלות, על בסיס מתח חישוק מותר של 2.5-3.0 MPa. Virgin PTFE ידרוש עובי דופן של 1.75-2.0 מ"מ, וכתוצאה מכך עונש של 29% העברת חום ומחליף גדול ויקר יותר. PTFE שונה הוא החומר המומלץ עבור שירות זה. מדידת עובי אולטרסאונד תקופתית מאמתת את קצב הזחילה בפועל.
תמיכה הנדסית עבור בחירת עובי דופן צינור מחליף חום PTFE זמינה עם הגשת אפשרויות לחץ קיטור, טמפרטורת הפעלה, חיי שירות נדרשים, OD צינור ודרגת שרף PTFE.
