Kako odabrati ispravnu cijev-za-razmak pregrade za PTFE izmjenjivač u visoko{2}}temperaturnom plinskom servisu?

U izmjenjivaču topline vrući plin--plin promjena temperature PTFE cijevi može biti stotinu stupnjeva ili više od hladnog početka do punog rada. To uzrokuje da se dugačke savitljive plastične cijevi znatno povećaju u duljinu i širinu. Ako su rupe u krutim potpornim pregradama izbušene s malim razmakom na sobnoj temperaturi, cijevi koje se šire bit će pritisnute uz tvrde rubove, zaglaviti se i moguće zgnječiti ili prerezati. Pravilno određen dimenzionalni razmak od hladnoće, vitalni izračun dizajna, može spriječiti ovo toplinsko zahvatanje.

Ovaj članak opisuje kako ispravno procijeniti zazor cijevi koji je potreban za PTFE izmjenjivač plina, uzimajući u obzir visoki koeficijent toplinskog širenja PTFE-a i jake temperaturne gradijente koji se obično vide u-primjenama za rukovanje plinom.

Zašto se PTFE cijevi šire više od metalnih pregrada
Velika razlika u toplinskom širenju
Koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) PTFE-a je otprilike deset puta veći od koeficijenta nehrđajućeg čelika. Standardne vrijednosti:

PTFE: 120-200×10-6/ stupanj (ovisno o temperaturnom rasponu i orijentaciji)

Nehrđajući čelik (304/316) 16-18 x 10-6/ stupanj

Za PTFE cijev koja radi na 200 stupnjeva (početak ambijenta na 20 stupnjeva, ΔT=180 stupnjeva) radijalno širenje cijevi vanjskog promjera 20 mm je:

Δ L= 0 ⋅ L 0 ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0,54 mm Δ D=D 0 ⋅ PTFE ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0,54 mm

Ekvivalentno širenje rupe u pregradi od nehrđajućeg čelika istog početnog promjera je:

ΔDotvor​=20×17×10−6×180≈0,06 mmΔDotvor​=20×17×10−6×180≈0,06 mm

Neto razlika u radijalnom širenju (cijev minus rupa) je otprilike 0,48 mm. Ako je zazor na sobnoj temperaturi samo 0,2 mm, cijev će biti pritisnuta prema rupi pregrade na radnoj temperaturi. To rezultira stezanjem i velikim silama trenja te mogućim gnječenjem stijenke cijevi.

Učinci neadekvatnog čišćenja
Oštećenje koje može nastati kada se PTFE cijev pritisne na tvrdu rupu pregrade (osobito metalnu pregradu) je:

Vezivanje i izvijanje cijevi - Cijev se ne kreće slobodno kroz pregradu, što dovodi do aksijalne kompresije i izvijanja između nosača.

Posjekotina ili abrazija - Oštar rub metalne pregrade može zarezati omekšali PTFE na visokoj temperaturi i uzrokovati curenje.

Prekomjerni radijalni pritisak iz otvora koji je pretijesan dovodi do toga da cijev puzi u ovalni oblik što trajno smanjuje područje protoka i povećava toplinski otpor.

Hladna, labava cijev kada se zagrije mora se pustiti da se raširi u čvrsto, ali slobodno prianjanje, poput klipa u svom cilindru. Odgovarajući zazor je takav da na radnoj temperaturi cijev jednostavno dodiruje rupu pregrade, a da ne bude priklještena.

Određivanje potrebnog hladnog razmaka
KORAK 1: PRONALAŽENJE MAKSIMALNE RADNE TEMPERATURE POVRŠINE CIJEVI
U izmjenjivaču plin-na-plin temperatura stijenke cijevi obično je blizu srednje vrijednosti struje toplog i hladnog plina. Ali protok može biti nepravilno raspoređen tako da postoje lokalna vruća područja. Izračuni ekspanzije moraju se temeljiti na maksimalnoj predviđenoj temperaturi površine cijevi. Konzervativnost Mnogi dizajneri ulaznu temperaturu vrućeg plina uzimaju kao temperaturu cijevi u najgorem slučaju za konzervativizam.

Korak 2: Određivanje radijalnog širenja cijevi
Pomoću sljedeće formule izračunajte povećanje vanjskog promjera cijevi od referentne temperature (obično 20 stupnjeva) do maksimalne radne temperature. Za sigurnost koristite gornju granicu za CTE PTFE (npr. . 180-200 x 10^-6 /ºC)

Korak 3: Izračun radijalnog širenja otvora za zatvaranje
Materijal pregrade, obično nehrđajući čelik, ugljični čelik ili obloženi metal, širi se mnogo manje. Neto radijalna interferencija za nulti razmak na temperaturi okoline dobiva se njegovim širenjem kako bi se smanjilo širenje cijevi.

Korak 4: Odaberite minimalni topli razmak
Potreban je minimalni dijametralni razmak za neobvezujuće klizno pristajanje pri najvećoj radnoj temperaturi. Tipični vrući razmak za PTFE cijevi je 0,2 do 0,5 mm (ovisno o promjeru cijevi). Time se sprječava radijalno stiskanje cijevi.

5. Obrnuto izračunajte potrebni razmak-temperature prostorije
Potreban hladni zazor (dijametralan) je:

Ccold=Ch+(ΔDtube-ΔDhole) Chot=Ch+(ΔDtube-ΔDhole)

Za primjer s cijevi OD 20 mm, ΔT=180 stupnjeva, vrući ciljni razmak=0.3 mm:

=0.3+(0,54-0,06)=0.78 mmChladno​=0.3+(0,54−0,06)=0.78mm

Stoga bi rupa pregrade trebala biti okrenuta 0,78 mm veća od OD hladne cijevi. Ovo je mnogo labavije od zazora od 0,2–0,3 mm koji se općenito koristi za tekućine s niskim-temperaturama.

"Kriterij dizajna za izmjenjivače plinova od PTFE-a
Preporučene sigurne udaljenosti
OD cijevi (mm) Max. radna temperatura (stupnjevi) Predloženi hladni dijametralni razmak (mm)
10 150 0.4–0.6 10 200 0.6–0.8 20 150 0.6–0.8 20 200 0.8–1.1 30 200 1.0–1.4
Ove brojke temelje se na upotrebi pregrada od nehrđajućeg čelika i toplom razmaku od 0,3-0,5 mm. Zazor se može smanjiti za 10-15% za PFA cijevi (s nešto nižim CTE).

Kompromis-: manje potpore na hladnoći
Labaviji razmak od sobne temperature znači da su cijevi manje učinkovito podržane kada je izmjenjivač hladan ili pri pokretanju. To može dovesti do:

Povećana vibracija cijevi u prolaznim okolnostima ili okolnostima slabog protoka

Mogući kontakt između cijevi (ako su razmaci preveliki)

Cijevni snop malo nije poravnat tijekom instalacije

Problemi su obično podnošljivi budući da izmjenjivač većinu svog radnog vijeka provodi na povišenoj temperaturi, gdje napuhane cijevi postaju čvrsto poduprte. Kako bi se smanjile opasnosti od hladnih vibracija, mogu se dodati dodatne međupregrade ili anti-trake za vibracije ili se cijevi mogu mekano pričvrstiti na cijevne ploče.

Odabir pravog materijala za pregradu: metal ili fluoropolimer
Potreban razmak ovisi o materijalu pregrade:

Metalne pregrade (nehrđajući čelik, hastelloy) - Visoka krutost, oštri rubovi. Zahtijevaju najveći razmak jer ne popuštaju niti se prilagođavaju cijevi koja se širi. Mekana PFA ili PTFE pregrada više oprašta od metalne pregrade.

Obložene metalne pregrade - PTFE obloga pruža mekšu površinu ležaja, smanjujući mogućnost rezanja. Obloga je elastično deformabilna pa se zazor može malo smanjiti (10-20%).

Čvrste PTFE ili PFA pregrade Ove se šire gotovo jednako koliko i same cijevi. Razlika u ekspanziji između cijevi i pregrade je skromna stoga se može upotrijebiti znatno manji hladni razmak (0,2-0,4 mm). Ali pregrade od čvrstog fluorpolimera nisu toliko robusne i mogu se otkloniti pri velikim brzinama plina, što ih čini neprikladnima za sve plinske usluge.

TEMA standardi & PTFE
Metalni izmjenjivači topline imaju standardne razmake od-do-pregrade koje je odredilo Udruženje proizvođača cjevastih izmjenjivača (TEMA). 0.4 mm za male cijevi i 1,2 mm za velike cijevi uobičajeni su razmaci za cijevi od nehrđajućeg čelika pri ekstremnim temperaturama. Međutim, TEMA se ne bavi izravno PTFE cijevima, jer se PTFE cijevi šire na potpuno drugačiji način.

PTFE izmjenjivač zahtijeva određeni dodatak za rad s plinom na visokoj temperaturi. Dizajneri slijede industrijske standarde ili preporuke za dizajn fluoropolimernih izmjenjivača (npr. proizvođači kao što su DuPont ili Chemours), a ne samo TEMA. Konzervativni pristup bio bi uzeti TEMA zazor za metalne cijevi kao osnovu i dodati neto diferencijalno širenje između PTFE-a i čelika.

Praktični primjer: Određivanje dopuštenja za uslugu plina od 200 stupnjeva.
PTFE cijevi od 25 mm OD, pregrade od nehrđajućeg čelika 316, maksimalna temperatura plina 200 stupnjeva, referentna temperatura okoline 20 stupnjeva.

Izračun:

ΔT=180 stupanj

CTE PTFE ≈ 160 x 10⁻⁶/ stupanj (sredina raspona za 20 do 200 stupnjeva)

CTE čelika približno 17 × 10⁻⁶ / stupanj

ΔD_cijev=25 × 160e-6 × 180=0.72 mm

ΔD rupa=25 x 17e-6 x 180=0.077 mm

Neto diferencijalno širenje=0.72 - 0.077=0.643 mm

Vruća meta razmaka=0.4 mm (25 mm OD)

Potreban razmak na hladnom=0.4 + 0.643=1.043 mm (oko 1,0 do 1,1 mm)

Specifikacija crteža: Promjer rupe za zatvaranje=OD cijevi (hladno) + 1.0 mm. Na sobnoj temperaturi pristajanje je prilično loše. Na 200 stupnjeva cijev se širi kako bi ispunila prazninu, dajući potporu bez vezivanja.

Zaključak: Dizajn za toplinsko bubrenje
Naizgled jednostavan razmak između cijevi i pregrade vitalna je značajka dizajna, osjetljiva na temperaturu, u PTFE izmjenjivaču plina--detalj koji izbjegava destruktivno toplinsko zaključavanje-. PTFE se širi oko deset puta više od nehrđajućeg čelika, tako da će razmak pri sobnoj temperaturi koji je prikladan za tekućinu rezultirati vezivanjem i oštećenjem cijevi u primjeni plina visoke temperature. Radijalno širenje cijevi i odbojnog otvora može se izračunati i dodati odgovarajući vrući radni razmak kako bi se odredio pravi hladni razmak. Svaka oprema koja se zagrijava mora biti izgrađena da podnese vlastitu ekspanziju. PTFE izmjenjivač plina s velikim razmakom između cijevi i pregrade nije loša izrada. To je pametan toplinski inženjering.