Nopeuden uhka
PTFE-lämmönvaihdinputkeen nopeudella 25-35 m/s tuleva höyry kuljettaa mukanaan kondenssivesipisaroita. Nämä pisarat, jotka kulkevat lähes höyryn nopeudella, iskevät putken seinämään mutkissa, poikeiden siirtymissä ja virtaushäiriöalueilla. Jokainen isku antaa mikroskooppisen mekaanisen impulssin PTFE-pintaan.
Pienillä nopeuksilla viskoelastinen polymeeri absorboi iskuenergian elastisesti. Pinta pomppii vaurioitta. Suuremmilla nopeuksilla miljoonien pisaraiskujen kumulatiivinen vaikutus aiheuttaa pinnan karhentumista, materiaalihävikkiä ja mahdollisia seinämien ohenemista. Tämä on eroosio-puhtaasti mekaanista kulumista ilman kemiallisia komponentteja.
Suurin sallittu höyryn nopeus on kynnys, jonka alapuolella eroosio suunnittelun käyttöiän aikana on merkityksetöntä. Tämän kynnyksen yläpuolella eroosio kerääntyy mitattavissa olevaksi seinämähäviöksi laitteen käyttöiän aikana.
Pisaroiden törmäysmekanismi
Kondensaattia muodostuu jatkuvasti, kun höyry vapauttaa piilevää lämpöään. Osa lauhteesta valuu kalvona putken seinämää pitkin. Jotkin niistä kulkeutuvat pisaroina nopeaan-höyryytimeen. Muttereissa ja esteissä pisarat sinkoutuvat ulospäin keskipakovoiman vaikutuksesta ja osuvat putken seinämään.
Vesipisaran iskupaine kiinteällä pinnalla on verrannollinen vesivasaran paineeseen: P=ρ × c × V, missä ρ on veden tiheys, c on akustinen nopeus vedessä (noin 1500 m/s) ja V on pisaran törmäysnopeus. Iskunopeudella 30 m/s, hetkellinen paine törmäyspisteessä ylittää 45 MPa-, joka riittää muuttamaan PTFE:tä paikallisesti.
Yksittäinen isku ei aiheuta mitattavissa olevaa vahinkoa. Mutta 6 000 tuntia vuodessa toimiva höyryjärjestelmä tuottaa satoja miljoonia pisaroita putken seinämään vuosikymmenen aikana. Toistuvasta mikro-deformaatiosta johtuva kumulatiivinen väsymys aiheuttaa lopulta pinnan halkeamia, hiukkasten irtoamista ja mitattavaa seinämän ohenemista.
Taulukko 1: Höyryn nopeusrajat PTFE-lämmönvaihdinputkille
| Höyryn paine (barg) | Putken tunnus (mm) | Suositeltu maksimi höyrynopeus (m/s) | Absoluuttinen maksiminopeus (m/s) | Eroosioriski yli absoluuttisen max |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Keskivaikea (karhennukset 5 vuoden sisällä) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Kohtalainen |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Kohtalainen |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Matala-Kohtalainen (suurempi halkaisija vähentää pisarapitoisuutta) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Kohtalainen |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Matala (suurempi halkaisija; pienempi höyryn tiheys korkeammalla paineella) |
Nopeusrajoitukset perustuvat PTFE:n eroosionkestävyystietoihin ja konservatiiviseen ekstrapolointiin pitkäaikaisesta -huoltokokemuksesta. Absoluuttinen maksimi edustaa nopeutta, jonka ylittyessä mitattavissa olevan eroosion odotetaan jatkuvan 10 vuoden sisällä.
Kuivuusfraktion yhteys
Höyryn nopeusrajoitukset olettavat, että kuivausosuus on 98 % tai korkeampi-, mikä tarkoittaa, että mukana on 2 % tai vähemmän massasta. Pienemmillä kuivuusosuuksilla mukana kulkeutunut vesi on suurempi ja eroosioriski tietyllä nopeudella kasvaa vastaavasti.
Jos kasvihöyryn laatu on alle 98 %:n kuivuus, suurinta sallittua nopeutta tulee pienentää 10-15 % lisääntyneen pisarakuormituksen huomioon ottamiseksi. Vaihtoehtoisesti lämmönvaihtimen ylävirtaan asennettu höyrynerotin poistaa ylimääräisen mukana kulkeutuneen veden ja palauttaa suunnittelun nopeusmarginaalin.
Suunnittelunopeuden laskenta
Höyryn nopeus kussakin putkessa lasketaan jakamalla tilavuushöyryn virtaus putkea kohti putken poikki{0}}pinta-alalla. Höyryn kokonaismassavirta määräytyy lämpöverosta: massavirtaus=lämpömaksu / höyryn piilevä lämpö.
50 kW:n PTFE-lämmönvaihtimessa, jossa on 40 putkea, joiden sisähalkaisija on 8 mm ja joka toimii 3 bargin höyryllä, massavirta putkea kohti on noin 0,75 kg/h. Kyllästetyn höyryn ominaistilavuus 3 barg:ssa on 0,46 m³/kg. Tilavuusvirta putkea kohti on 0,35 m³/h. Putken poikkileikkausala on 5,0 × 10⁻⁵ m². Höyryn nopeus on 1,9 m/s{16}}hyvin turvallisissa rajoissa.
Nopeuslaskenta tulee suorittaa suunnitteluvaiheessa ja varmistaa, että se alittaa suositellun maksimin. Useimmissa PTFE-lämmönvaihtimissa, joissa on riittävä putkimäärä, höyryn nopeudet ovat luonnollisesti alhaiset useiden rinnakkaisten virtausreittien vuoksi. Suuri nopeus on useammin huolenaihe pienissä vaihtimissa, joissa on vähän putkia tai järjestelmissä, joissa höyryn syöttöpaine on huomattavasti suunnittelupainetta suurempi.
Yhteenveto
Suurin sallittu höyryn nopeus PTFE-lämmönvaihdinputkien sisällä on 20-30 m/s riippuen putken halkaisijasta ja höyrynpaineesta, ja 35-38 m/s edustaa absoluuttista maksimiarvoa, jonka yläpuolella on odotettavissa mitattavaa eroosiota. Näissä rajoissa oletetaan, että höyryn kuivuusosuus on 98 % tai enemmän. Pienemmät kuivuusosuudet vaativat nopeuden vähentämistä.
Useimmissa oikein suunnitelluissa moni-putki-PTFE-vaihtimissa höyryn nopeudet putoavat luonnollisesti näiden rajojen alapuolelle rinnakkaisten virtausreittien suuren määrän vuoksi. Suunnittelun aikainen nopeustarkistus varmistaa, että eroosio ei rajoita laitteen käyttöikää.
Tekninen analyysi höyryn nopeuden tarkistamiseksi tietyissä PTFE-lämmönvaihtimissa on saatavilla, kun lämpöteho, höyrynpaine, putkien lukumäärä ja mitat sekä höyryn laatutiedot on toimitettu.
