Zvuk kladiva z tanku
Operátori v blízkosti vertikálnej ponornej cievky v horúcej čistiacej nádrži počujú rytmické búchanie počas zahrievania-. Zvuk pripomína úder kladiva do kovovej rúry-preto sa používa výraz vodné kladivo. Hluk nie je len nepríjemný. Každý impulz kladiva generuje tlakovú špičku, ktorá namáha steny rúrky, oslabuje zvarové švy a prípadne spôsobuje únavové zlyhanie v miestach najvyššieho namáhania.
V kovových zvislých zvitkoch je vodný ráz trvalým problémom spôsobeným geometriou rozhrania pary-kondenzátu. Para vstupuje v hornej časti cievky a prúdi nadol. Kondenzát sa tvorí na stenách trubice a musí prúdiť proti-prúdne pare a odvádzať smerom nadol proti stúpajúcemu prúdu prichádzajúcej pary. Pri určitých rýchlostiach pary a zaťažení kondenzátom sa dvojfázový tok stáva nestabilným. Kvapky kondenzátu sú nadvihnuté prúdom pary, potom sa zrútia späť nadol, čím sa vytvorí pulz kladiva.
Tento jav znehodnocuje nielen špirálu, ale aj odvádzač kondenzátu, regulačný ventil a spoje potrubia. Záznamy o údržbe z pokovovacích dielní s vertikálnymi kovovými hadmi ukazujú, že výmena odvádzača kondenzátu sa v priemere každých 12-18 mesiacov z dôvodu poškodenia kladivom.
Stabilita počítadla-aktuálneho toku
Vo vertikálnej trubici s parou prúdiacou nadol a kondenzátom odtekajúcim dole gravitáciou môžu tieto dve fázy stabilne koexistovať, ak je rýchlosť pary pod kritickým prahom. Kondenzát vytvára prstencový film na stene rúrky, para prúdi cez centrálne jadro a obe fázy sa pohybujú rovnakým smerom.
Nestabilita vzniká vtedy, keď sa rýchlosť pary zvýši-počas spúšťania, počas-období vysokého dopytu alebo keď sa regulačný ventil otvorí dokorán. Pri vysokej rýchlosti pary šmyková sila na rozhraní pary-kondenzátu prekonáva gravitáciu. Film kondenzátu je odtrhnutý od steny a unášaný ako kvapôčky v prúde pary. Tieto kvapky sa spájajú do slimákov, ktoré premosťujú priemer rúrky. Tlak pary za slimákom ho urýchľuje. Keď slimák narazí na ohyb, ventil alebo stacionárny stĺpec kondenzátu, náhle sa zastaví. Kinetická energia sa mení na tlakový impulz.
V kovových cievkach prenášajú pevné steny rúrky tento tlakový impulz efektívne na každý pripojený komponent. Rázová vlna sa odráža tam a späť cez systém. V každom bode odrazu-lakťa, odpaliska, reduktora-je koncentrácia stresu najvyššia. To sú presne miesta, kde sa nakoniec objavia únavové trhliny.
Tabuľka 1: Faktory závažnosti vodného kladiva pre konštrukcie vertikálnych výmenníkov tepla
| Design Factor | Kovová vertikálna cievka | Vertikálna cievka z PTFE s optimalizovaným odtokom |
|---|---|---|
| Tuhosť steny rúry | Vysoká (200 GPa oceľ) | Nízka (0,5 GPa PTFE) |
| Účinnosť prenosu tlakových vĺn | >95% | <30% (viscoelastic damping) |
| Cesta odvádzania kondenzátu | Protiprúd-k steamu (nestabilný) | Samostatná noha zvodu kondenzátu |
| Režim prietoku pary-kondenzátu | Zmiešaná dvojfázová-fáza | Oddelené fázy |
| Náchylnosť na tvorbu slimákov | High at >Kapacita pary 30%. | Veľmi nízka (odtoková dráha zabraňuje hromadeniu) |
| Špičkový prítlak (bar) | 20-80 (nad tlak pary) | <5 (damped by tube compliance) |
| Frekvencia poškodenia lapača pary | Každých 12-18 mesiacov | >5 rokov |
Dizajnové riešenie PTFE
Výmenníky tepla PTFE zmierňujú vodné rázy prostredníctvom dvoch mechanizmov: tlmenie materiálu a optimalizovaná geometria drenáže.
Viskoelastická povaha PTFE absorbuje energiu tlakovej vlny. Keď tlakový impulz prechádza trubicou z PTFE, polymérne reťazce podliehajú molekulárnemu preskupeniu, ktoré rozptýli mechanickú energiu ako teplo. Amplitúda impulzu klesá exponenciálne s prejdenou vzdialenosťou. Tlaková špička, ktorá by zaznamenala 60 barov v oceľovej rúre, zaznamená 15 barov v PTFE-a klesne na neškodnú úroveň do jedného metra od šírenia.
Toto tlmenie chráni nielen PTFE cievku, ale aj pripojené kovové komponenty-lapač kondenzátu, regulačný ventil, potrubie-pred plnou silou akéhokoľvek kladiva, ku ktorému dôjde.
Geometria drenáže správne navrhnutej PTFE vertikálnej špirály oddeľuje cesty pary a kondenzátu. Para vstupuje cez horný zberač a prúdi cez viacero paralelných rúrok. Kondenzát odteká zo spodného zberača do vyhradenej vratnej vetvy kondenzátu, ktorá je izolovaná od prúdu pary. Tieto dve fázy neprechádzajú protiprúdom- tou istou trubicou. Nestabilita toku, ktorá generuje slimáky v kovových cievkach, je navrhnutá mimo systému.
Ochrana proti pasci pary
Vodný ráz je hlavnou príčinou predčasného zlyhania odvádzača pary. Plavák, termostatický prvok alebo kotúčový mechanizmus, ktorý sa otvára a zatvára pri vypúšťaní kondenzátu, nie je navrhnutý tak, aby vydržal opakované tlakové skoky. Každá udalosť kladiva deformuje vnútorné komponenty, zhoršuje tesniace povrchy a skracuje životnosť pasce.
PTFE cievka, ktorá tlmí tlakové impulzy, výrazne predlžuje životnosť odvádzača kondenzátu. Lapač pracuje v stabilnom tlakovom prostredí, pričom cykluje pri navrhnutej frekvencii a nie je zasiahnutý prerušovanými rázovými vlnami. Intervaly údržby pasce sa predlžujú z mesiacov na roky.
Zhrnutie
Parné kondenzačné kladivo vo vertikálnych ponorných cievkach je výsledkom dvojfázovej nestability toku, keď sa para a kondenzát pohybujú protiprúdom-. Kovové cievky efektívne prenášajú impulzy tlaku kladiva, čo spôsobuje únavové poškodenie cievok, zachytávačov a potrubí. Výmenníky tepla z PTFE zmierňujú rázy prostredníctvom viskoelastického tlmenia, ktoré absorbuje energiu tlakových vĺn, a optimalizovanej geometrie drenáže, ktorá oddeľuje cesty pary a kondenzátu.
Znížená tvrdosť kladiva predlžuje životnosť odvádzača pary, znižuje údržbu potrubia a eliminuje únavové praskanie v miestach koncentrácie napätia. Flexibilný fluoropolymérový materiál premieňa deštruktívnu energiu hydraulického šoku na neškodný molekulárny pohyb.
Technické odporúčania pre dizajn vertikálnej špirály z PTFE s optimalizovaným odvodom kondenzátu sú k dispozícii po predložení tlaku pary, požadovaného výkonu ohrevu, rozmerov nádrže a aktuálnych pozorovaní vodného rázu.
