Kakav je učinak brzog smanjenja tlaka na PFA grijač koji je radio na 2 bara?

U sustavima pod tlakom kao što su autoklavi, tlačni reaktori ili zatvoreni spremnici, PFA grijači su dizajnirani da rade s unutarnjim tlakom koji se izjednačava sa sustavom. Tijekom brzog pada tlaka u sustavu (vakuumski prekid ili odzračivanje u nuždi) razlika tlaka preko PFA omotača je obrnuta. U normalnim radnim uvjetima pri 2 bara (abs) tlak u grijaču (prostor između PFA i jezgre) je otprilike jednak tlaku sustava. Ako se brzo odzrači na 1 bar (atmosferski), tlak sustava će porasti na 1 bar, ali tlak u prstenu grijača može ostati na 2 bara sekunde do minute, ovisno o propusnosti i ventilacijskim stazama. To uzrokuje razliku tlaka do 1 bara (14,5 psi) iznutra prema van, stavljajući PFA plašt u krug. Za PFA grijač s 25 mm OD i 2 mm stijenke, razlika od 1 bara daje obručno naprezanje=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, znatno ispod vlačne čvrstoće PFA (12-15 MPa). Dakle, jedan incident pada tlaka nije katastrofalan. Ponovljeno brzo smanjenje tlaka (stotine ciklusa) međutim uzrokuje pucanje uslijed zamora. Učinak je kumulativan, mikropukotine nastaju na kontaktu nakon 500-2000 ciklusa napredujući do prodiranja i konačnog kvara.

Razlike naprezanja i tlaka pri depresurizaciji
Primarni proces nije obručno naprezanje zbog razlike tlaka, već brzo hlađenje koje obično prati pad tlaka. Adijabatsko širenje i hlađenje dogodit će se tijekom smanjenja tlaka u opskrbi parom ili parom. Ako je sustav zasićena para od 2 bara (120 stupnjeva), brzo odzračivanje na 1 bar odmah smanjuje temperaturu na 100 stupnjeva (preko ekspanzije). PFA grijač na 120 stupnjeva dobiva toplinski udar od 20 stupnjeva. Kombinacija razlike tlaka (0,625 MPa obručno naprezanje) i toplinskog udara (temperaturni gradijent kroz zid) uzrokuje veće vršno naprezanje na PFA-metalnom međusklopu. Kaljenje na 20 stupnjeva s razlikom tlaka od 1 bara-približavajući se granici zamora rezultira maksimalnim naprezanjem od 3-5 MPa pomoću analize konačnih elemenata.

Za ne{0}}parne sustave (samo tekućina) smanjenje tlaka ne hladi jer su tekućine gotovo nekompresibilne. Međutim, otopljeni plinovi mogu istjecati iz otopine i stvarati mjehuriće koji kolabiraju na površini PFA (kavitacija). Kavitacijska erozija (vidi članak #13) je destruktivnija od same razlike tlaka.

Najgori slučaj je brzo smanjenje tlaka vrućeg zasićenog sustava u kojem je PFA apsorbirao vodu ili kisele pare. Kako tlak pada, apsorbirane hlapljive tvari bljesnu u paru unutar PFA stijenke, stvarajući unutarnje mjehuriće (vidi članak #61). Na 120 stupnjeva, PFA zasićen vodom je osjetljiv na stvaranje mjehurića pri razlici od 1 bara.

Sažetak učinaka prema vrsti sustava
Tip sustava Radni uvjeti Stopa depresurizacije Primarna naprezanja PFA Mehanizam oštećenja Kvar Kritični ciklusi
Samo tekućina (bez plina u otopini) 2 bara, 80 stupnjeva Quick (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10 000 (umor nije značajan)
Tekućina s otopljenim zrakom 2 bara, 80 stupnjeva Brza kavitacija ispuštanjem plinova Površinska rupa 1.000–5.000
Zasićena para 2 bara, 120 stupnjeva Rapid Termalni šok (20 stupnjeva ) + obruč Zamor sučelja 500–2000
Superheated water (>100 stupnjeva ) 2 bara, 120 stupnjeva Brzo treptanje do pare u PFA Unutarnje stvaranje mjehurića 200–1000
Kisela para + para 2 bara, 130 stupnjeva Brza propusnost kisele pare treperi + toplina Mjehurići + pucanje 100–500
Bilo koje s PFA natopljenim propuštenim Bilo koje unutarnje stvaranje pare BlisteringSaturated: jedno-kratni događaj
Kvantifikacija učinka ponovljene depresurizacije
Primjer: PFA grijač u zasićenoj pari na 120 stupnjeva, 2 bara, 10 brzih depresurizacija dnevno. (npr. dnevni šaržni ciklusi s odzračivanjem) Očekivani životni vijek:

Bez pada tlaka: osnovni vijek trajanja 5-8 godina (termički ciklusi)

S dekompresijom: Život 1-3 godine

Smanjenje je posljedica kombinacije toplinskog šoka (zbog adijabatskog hlađenja) i obručnog naprezanja. Ako je para pregrijana (bez tekuće vode), hlađenje je manje ozbiljno jer se ne oslobađa latentna toplina. Pregrijana para na 150 stupnjeva, 2 bara, hlađenje na 120 stupnjeva pri smanjenju tlaka (smanjenje od 30 stupnjeva) izazvat će dodatni toplinski stres.

Brzo smanjenje tlaka ima mali učinak na sustave samo s tekućinom (bez pare). Obručno naprezanje od 0,6 MPa znatno je ispod 5–10 MPa tipičnih za toplinske cikluse. Glavno naprezanje uzrokuje diferencijalno širenje pri grijanju/hlađenju, a ne tlak.

Depresurizacija-Ublažavanje sustava sklonih
Ako se brzo smanjenje tlaka ne može izbjeći, učinite sljedeće:

Povećajte vrijeme ispuštanja s 1 sekunde na 30-60 sekundi, ispuštajte polako. To eliminira toplinski udar i omogućuje PFA izjednačavanje tlaka bez stresa.

Ugradite vod za izjednačavanje tlaka. Spojite prstenasto područje između PFA i jezgre na tlak sustava pomoću cijevi malog provrta. Time se izbjegavaju razlike u tlaku tijekom odzračivanja.

Idite na deblji PFA: 2,5-3,0 mm stijenke=odgovarajuće manje napetosti obruča. Za naprezanje obruča zida od 3 mm pri 1 baru=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa-čak i manje.

Osušite PFA: Ako PFA nije zasićen vodom ili kiselinom, neće doći do treptanja. Ako se radi o redovitom smanjenju tlaka, grijače držite suhima i izbjegavajte dugotrajno uranjanje u tekućine koje prodiru.

Check post-events: Check the insulation resistance after any fast depressurisation. Damage is indicated by drops >20%

Primjer na terenu
Farmaceutski reaktor koji koristi PFA grijače u parno{0}}grijanoj posudi pod tlakom na 120 stupnjeva, 2 bara. Ciklus se sastojao od brzog smanjenja tlaka (5 s) na kraju svake serije (10 serija/dan). Grijači su kvarili svakih 8-12 mjeseci zbog opekotina na PFA površini. Tvornica je modificirala ciklus za ventilaciju preko 60 sekundi. Nema mjehurića, a vijek trajanja grijača je 4+ godina. Dodatnih 55 sekundi svake serije (10 minuta/dan) bilo je podnošljivo. Inače se ništa nije promijenilo.

Zaključak: Brzo smanjenje tlaka oštećuje samo PFA u opskrbi parom
PFA grijači nisu jako osjetljivi na brzo smanjenje tlaka od 2 bara u slučaju sustava koji rade samo s tekućinom (naprezanje obruča 1 MPa znatno ispod granice zamora). U radu sa zasićenom parom ili parom, toplinski šok (20-30 stupnjeva), unutarnje bljeskanje prodrlih hlapljivih tvari i naprezanje obruča dovode do zamora, pucanja i mjehurića nakon 500-2000 ciklusa ograničavajući vijek trajanja grijača za 50-80%. Ventilacija treba biti učinjena nježno (30-60 sekundi) kako bi se izbjeglo oštećenje PFA. Dodajte vodove za izjednačavanje tlaka ili suhi PFA prije rada pod tlakom. Ako se vaš sustav brzo ispušta i ima paru ili vruće pare, pretpostavimo da je vaš PFA grijač oštećen. Testirajte, smanjite ili prihvatite smanjeni vijek trajanja. Problem je para, a ne tlak. Kontrolirajte pare, kontrolirajte štetu.