Rýchlostná hrozba
Para vstupujúca do rúrky výmenníka tepla z PTFE rýchlosťou 25-35 m/s nesie unášané kvapôčky kondenzátu. Tieto kvapôčky, pohybujúce sa rýchlosťou blízkou pary, narážajú na stenu rúrky v ohyboch, prechodoch zberača a oblastiach narušenia prúdenia. Každý náraz dodá povrchu PTFE mikroskopický mechanický impulz.
Pri nízkych rýchlostiach je energia nárazu elasticky absorbovaná viskoelastickým polymérom. Povrch odskakuje bez poškodenia. Pri vyšších rýchlostiach kumulatívny účinok miliónov dopadov kvapiek spôsobuje zdrsnenie povrchu, stratu materiálu a prípadné stenčenie steny. Ide o eróziu-čisto mechanické opotrebovanie bez chemických zložiek.
Maximálna povolená rýchlosť pary je hranica, pod ktorou je erózia počas projektovanej životnosti zanedbateľná. Nad touto hranicou sa erózia hromadí až do merateľnej straty steny počas životnosti zariadenia.
Mechanizmus dopadu kvapiek
Kondenzát sa tvorí nepretržite, pretože para uvoľňuje svoje latentné teplo. Časť kondenzátu steká ako film pozdĺž steny rúrky. Niektoré sú unášané ako kvapôčky v jadre pary s vysokou rýchlosťou{2}}. V ohyboch a prekážkach sú kvapôčky vymrštené smerom von odstredivou silou a narážajú na stenu trubice.
Nárazový tlak kvapky vody na pevnom povrchu je úmerný tlaku vodného rázu: P=ρ × c × V, kde ρ je hustota vody, c je akustická rýchlosť vo vode (približne 1 500 m/s) a V je rýchlosť dopadu kvapiek. Pri rýchlosti nárazu 30 m/s okamžitý tlak v bode nárazu presahuje 45 MPa-, čo je dostatočné na lokálnu deformáciu PTFE.
Jediný náraz nespôsobí žiadne merateľné škody. Ale parný systém pracujúci 6 000 hodín ročne prináša stovky miliónov kvapôčok dopadajúcich na stenu trubice za desaťročie. Kumulatívna únava z opakovanej mikro-deformácie nakoniec spôsobí povrchové trhliny, uvoľnenie častíc a merateľné stenčenie steny.
Tabuľka 1: Limity rýchlosti pary pre PTFE rúrky výmenníka tepla
| Tlak pary (barg) | ID rúry (mm) | Odporúčaná maximálna rýchlosť pary (m/s) | Absolútna maximálna rýchlosť (m/s) | Riziko erózie nad absolútny max |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Stredné (zhrubnutie do 5 rokov) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Mierne |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Mierne |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Nízka-Stredná (väčší priemer znižuje koncentráciu kvapiek) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Mierne |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Nízka (väčší priemer, nižšia hustota pary pri vyššom tlaku) |
Limity rýchlosti založené na údajoch o odolnosti proti erózii PTFE a konzervatívnej extrapolácii z dlhodobých-skúseností s prevádzkou. Absolútne maximum predstavuje rýchlosť, nad ktorou sa očakáva merateľná erózia do 10 rokov nepretržitej prevádzky.
Spojenie frakcie suchosti
Limity rýchlosti pary predpokladajú podiel suchosti 98 % alebo viac{1}}, čo znamená 2 % alebo menej strhávanej vody z hmotnosti. Pri nižších suchých frakciách je obsah strhávanej vody vyšší a riziko erózie pri danej rýchlosti sa úmerne zvyšuje.
Ak je kvalita pary v závode nižšia ako 98 % suchosti, maximálna povolená rýchlosť by sa mala znížiť o 10 – 15 %, aby sa zohľadnilo zvýšené zaťaženie kvapôčkami. Alternatívne odlučovač pary inštalovaný pred výmenníkom tepla odstraňuje prebytočnú unášanú vodu a obnovuje návrhovú rezervu rýchlosti.
Výpočet konštrukčnej rýchlosti
Rýchlosť pary v každej trubici sa vypočíta vydelením objemového prietoku pary na trubicu plochou prierezu trubice. Celkový hmotnostný prietok pary je určený z tepelnej spotreby: hmotnostný prietok=tepelná spotreba / latentné teplo pary.
Pre 50 kW PTFE výmenník tepla so 40 rúrkami s vnútorným priemerom 8 mm pracujúcim pri 3 barg pary je hmotnostný prietok na rúru približne 0,75 kg/h. Špecifický objem nasýtenej pary pri 3 barg je 0,46 m³/kg. Objemový prietok na hadičku je 0,35 m³/h. Prierez-rúry je 5,0 × 10⁻⁵ m². Rýchlosť pary je 1,9 m/s{16}}v rámci bezpečných limitov.
Výpočet rýchlosti by sa mal vykonať vo fáze návrhu a overiť, či nedosahuje odporúčané maximum. Pre väčšinu PTFE výmenníkov tepla s primeraným počtom rúrok sú rýchlosti pary prirodzene nízke v dôsledku viacerých paralelných dráh prúdenia. Vysoká rýchlosť je častejšie problémom v malých výmenníkoch s malým počtom rúrok alebo v systémoch, kde je tlak prívodu pary výrazne vyšší ako projektovaný tlak.
Zhrnutie
Maximálna povolená rýchlosť pary vo vnútri rúr PTFE výmenníka tepla je 20-30 m/s, v závislosti od priemeru rúrky a tlaku pary, pričom 35-38 m/s predstavuje absolútne maximum, nad ktorým sa očakáva merateľná erózia. Tieto limity predpokladajú podiel suchosti pary 98 % alebo vyšší. Frakcie s nižšou sušinou vyžadujú zníženie rýchlosti.
Vo väčšine správne navrhnutých viac{0}}rúrkových PTFE výmenníkov rýchlosti pary prirodzene klesajú pod tieto limity v dôsledku veľkého počtu paralelných dráh prúdenia. Overenie rýchlosti počas návrhu zabezpečuje, že erózia neobmedzuje životnosť zariadenia.
Technická analýza na overenie rýchlosti pary v konkrétnych konštrukciách PTFE výmenníkov tepla je k dispozícii po predložení tepelnej záťaže, tlaku pary, počtu a rozmerov rúrok a údajov o kvalite pary.
