Oikean putken valitseminen-johon -välystyy PTFE-vaihtimelle korkean-lämpötilojen kaasuhuollossa?

Kuumalla kaasusta-kaasuun lämmönvaihtimessa PTFE-putkien lämpötilan vaihtelu voi olla sata astetta tai enemmän kylmästä käynnistyksestä täyteen toimintaan. Tämä aiheuttaa pitkien taipuvien muoviputkien pituuden ja leveyden lisääntymisen huomattavasti. Jos jäykkien tukilevyjen reiät porataan pienellä välyksellä huoneenlämmössä, laajenevat putket puristuvat kovia reunoja vasten, mikä sitoo ja mahdollisesti murskaa tai katkeaa. Oikein määritetty kylmämittavälys, elintärkeä suunnittelulaskelma, voi estää tämän lämpöhalvauksen.

Tässä artikkelissa kuvataan, kuinka PTFE-vaihdinkaasun huoltoon vaadittava putken välilevyn välys voidaan arvioida oikein ottaen huomioon PTFE:n korkea lämpölaajenemiskerroin ja voimakkaat lämpötilagradientit, joita tyypillisesti havaitaan kaasun{0}}käsittelysovelluksissa.

Miksi PTFE-putket laajenevat enemmän kuin metallilevyt
Suuri ero lämpölaajenemisessa
PTFE:n lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin kymmenen kertaa suurempi kuin ruostumattoman teräksen. Vakioarvot:

PTFE: 120-200×10-6/aste (riippuen lämpötila-alueesta ja suunnasta)

Ruostumaton teräs (304/316) 16-18 x 10-6/ aste

PTFE-putkelle, joka toimii 200 asteessa (ympäristön alku 20 asteessa, ΔT=180 astetta), ulkohalkaisijaltaan 20 mm putken säteittäinen laajeneminen on:

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 -4 mm.

Saman alkuhalkaisijan omaavan ruostumattomasta teräksestä valmistetun välilevyn reiän vastaava laajeneminen on:

ΔDreikä​=20×17×10–6×180≈0,06 mmΔDreikä​=20×17×10–6×180≈0,06 mm

Netto radiaalinen laajenemisero (putken miinus reikä) on noin 0,48 mm. Jos välys huoneenlämmössä on vain 0,2 mm, putki pakotetaan ohjauslevyn reikää vasten käyttölämpötilassa. Tämä johtaa puristumiseen ja suuriin kitkavoimiin sekä putken seinämän mahdolliseen puristumiseen.

Riittämättömän puhdistuksen vaikutukset
Vahinko, joka voi tapahtua, kun PTFE-putkea painetaan kovaa välilevyn reikää (erityisesti metallilevyä) vasten:

Sitoutuminen ja putken lommahdus - Putki ei liiku vapaasti välilevyn läpi, mikä johtaa aksiaaliseen puristumiseen ja lommahdukseen tukien välillä.

Viilto tai hankaus - Metallilevyn terävä reuna voi leikata pehmennettyyn PTFE:hen korkeassa lämpötilassa ja aiheuttaa vuodon.

Liiallinen säteittäinen paine liian tiukasta reiästä saa putken hiipumaan soikeaan muotoon, mikä vähentää pysyvästi virtausaluetta ja lisää lämpövastusta.

Kylmän, löysästi sopivan putken on lämmitettynä annettava laajentua tiiviiksi mutta vapaaksi sovitukseksi, kuten mäntä sylinterissään. Oikea välys on sellainen, että käyttölämpötilassa putki yksinkertaisesti koskettaa ohjauslevyn reikää, eikä se jää puristuksiin.

Vaadittava kylmävaran määrittäminen
VAIHE 1: PUTKUPINNAN MAKSIMIKÄYTTÖLÄMPÖTILAN LÖYTTÄMINEN
Kaasu--kaasuvaihtimessa putken seinämän lämpötila on yleensä lähellä kuuman ja kylmän kaasuvirran keskiarvoa. Mutta virtaus voi olla väärin jakautunut niin, että siellä on paikallisia kuumia kohtia. Laajenemislaskelmien tulee perustua ennustettuun putken pintalämpötilaan. Konservatiivisuus Monet suunnittelijat pitävät sisään tulevan kuuman kaasun lämpötilaa pahimpana putken lämpötilana konservatiivisuuden vuoksi.

Vaihe 2: Putken säteittäisen laajenemisen määrittäminen
Laske putken ulkohalkaisijan kasvu vertailulämpötilasta (yleensä 20 astetta) maksimikäyttölämpötilaan seuraavan kaavan avulla. Käytä turvallisuussyistä PTFE:n CTE:n ylärajaa (esim. . 180-200 x 10^-6 /ºC)

Vaihe 3: Ohjauslevyn reiän säteittäisen laajenemisen laskeminen
Välilevymateriaali, yleensä ruostumaton teräs, hiiliteräs tai vuorattu metalli, laajenee paljon vähemmän. Säteittäinen nettohäiriö nollavälille ympäristön lämpötilassa saadaan laajentamalla sitä putken laajenemisen vähentämiseksi.

Vaihe 4: Valitse Minimi kuumavara
Vähimmäishalkaisijavälys tarvitaan ei--sitovaa liukua varten korkeimmassa käyttölämpötilassa. Tyypillinen kuumavälys PTFE-putkille on 0,2-0,5 mm (riippuen putken halkaisijasta). Tämä estää putken säteittäisen puristumisen.

5. Laske tarvittava huone-lämpötila käänteisesti
Tarvittava kylmävälys (halkaisija) on:

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

Esimerkki, jossa putken ulkohalkaisija on 20 mm, ΔT=180 aste, kuuma välyskohde=0.3 mm:

=0.3+(0,54–0,06)=0.78 mmCcold​=0.3+(0,54–0,06)=0.78mm

Tällöin ohjauslevyn reiän tulee olla 0,78 mm suurempi kuin kylmäputken ulkohalkaisija. Tämä on paljon löysempi istuvuus kuin 0,2–0,3 mm:n välys, jota yleensä käytetään matalan lämpötilan nestehuoltoon.

"PTFE-kaasunvaihtimien suunnittelukriteerit
Suositellut turvaetäisyydet
Putken ulkohalkaisija (mm) Max. käyttölämpötila ( aste ) Suositeltu kylmä halkaisijavälys (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
Nämä luvut perustuvat ruostumattomasta teräksestä valmistettujen välilevyjen käyttöön ja 0,3-0,5 mm:n kuumavälykseen. PFA-putkien välystä voidaan pienentää 10-15 % (jossa on hieman pienempi CTE).

Kauppa-Off: Vähemmän tukea kylmässä
Löysempi huonelämpövälys tarkoittaa, että putkia tuetaan vähemmän tehokkaasti, kun vaihdin on kylmä tai käynnistettäessä. Tämä voi johtaa:

Lisääntynyt putken tärinä ohimenevässä tai alhaisessa virtauksessa

Mahdollinen putken välinen kosketus (jos välykset ovat liian suuret)

Putkinippu hieman epätasapainossa asennuksen aikana

Ongelmat ovat yleensä siedettäviä, koska vaihdin viettää suurimman osan käyttöiästään korotetussa lämpötilassa, jossa täytetyt putket tuetaan tiukasti. Kylmän tärinän vaarojen vähentämiseksi voidaan lisätä ylimääräisiä välilevyjä tai tärinänvaimennusliuskoja-, tai putket voidaan kiinnittää pehmeästi putkilevyihin.

Oikean välilevymateriaalin valinta: metalli tai fluoripolymeeri
Tarvittava välys riippuu välilevyn materiaalista:

Metalliset välilevyt ( ruostumaton teräs , hastelloy ) - Korkea jäykkyys , terävät reunat . Vaadi suurin välys, koska ne eivät anna periksi tai mukaudu laajenevaan putkeen. Pehmeä PFA- tai PTFE-levy on anteeksiantavampi kuin metallilevy.

Vuoratut metallilevyt - PTFE-vuori tarjoaa pehmeämmän laakeripinnan, mikä vähentää leikkauksen mahdollisuutta. Vuoraus on elastisesti muotoutuva, joten välystä voidaan pienentää hieman (10-20%).

Kiinteät PTFE- tai PFA-levyt Nämä laajenevat lähes yhtä paljon kuin itse putket. Laajenemisero putken ja välilevyn välillä on vaatimaton, joten huomattavasti tiukempaa kylmävälystä (0,2-0,4 mm) voidaan käyttää. Mutta kiinteät fluoripolymeerilevyt eivät ole yhtä kestäviä ja voivat taipua suurilla kaasunopeuksilla, joten ne eivät sovellu kaikkiin kaasupalveluihin.

TEMA-standardit ja PTFE
Metallilämmönvaihtimissa on Tubular Exchanger Manufacturers Associationin (TEMA) asettamat vakiovälykset putkien---välit. 0.4 mm pienille putkille ja 1,2 mm suurille putkille ovat ruostumattomien teräsputkien normaalit välykset äärimmäisissä lämpötiloissa. TEMA ei kuitenkaan koske PTFE-letkuja suoraan, koska PTFE-letku laajenee täysin eri tavalla.

PTFE-vaihdin vaatii määrätyn lisäyksen korkean lämpötilan kaasukäyttöön. Suunnittelijat noudattavat alan standardeja tai fluoripolymeerivaihtimen suunnittelusuosituksia (esim. valmistajat, kuten DuPont tai Chemours) eivätkä yksin TEMAa. Konservatiivinen lähestymistapa olisi ottaa metalliputkien TEMA-välys perustaksi ja lisätä nettoerolaajeneminen PTFE:n ja teräksen välillä.

Käytännön esimerkki: 200 asteen kaasupalvelun etäisyyden määrittäminen.
PTFE-putket ulkohalkaisija 25 mm, ohjauslevyt ruostumatonta terästä 316, kaasun maksimilämpötila 200 astetta, ympäristön referenssi 20 astetta.

Laskeminen:

ΔT=180 aste

CTE PTFE ≈ 160 x 10⁻⁶/aste (20 - 200 asteen alueen keskikohta)

CTE-teräs noin 17 × 10⁻⁶ / aste

ΔD_putki=25 × 160e-6 × 180=0.72 mm

ΔD-reikä=25 x 17e-6 x 180=0.077 mm

Nettoerolaajennus=0.72 - 0.077=0.643 mm

Kuuma välyskohde=0.4 mm (25 mm OD)

Vaadittu välys kylmällä=0.4 + 0.643=1.043 mm (noin 1,0–1,1 mm)

Piirustus: Ohjauslevyn reiän halkaisija=Putken ulkohalkaisija (kylmä) + 1.0 mm. Huoneenlämmössä istuvuus on aika huono. 200 asteessa putki laajenee täyttääkseen välyksen antaen tukea ilman sitoutumista.

Johtopäätös: Suunnittelu lämpöturvotusta varten
Näennäisesti yksinkertainen rako putken ja välilevyn välillä on tärkeä suunnitteluominaisuus, lämpötilaherkkä PTFE-kaasunvaihtimessa--yksityiskohta, joka välttää tuhoavan lämpölukituksen-. PTFE laajenee noin kymmenen kertaa enemmän kuin ruostumaton teräs, joten nestekäyttöön riittävä huoneenlämpöinen välys johtaa kiinnittymiseen ja putken vaurioitumiseen korkean lämpötilan kaasusovelluksessa. Putken ja välilevyn reiän säteittäinen laajeneminen voidaan laskea ja siihen voidaan lisätä sopiva kuumakäyttövälys oikean kylmävälyksen määrittämiseksi. Kaikki lämpenevät laitteet on rakennettava laajentamaan itseään. PTFE-kaasunvaihdin, jossa on suuri putken ja välilevyn välys, ei ole huono ammattitaito. Se on älykästä lämpötekniikkaa.