A sebesség veszélye
A PTFE hőcserélő csövébe 25-35 m/s sebességgel belépő gőz kondenzátumcseppeket szállít. Ezek a cseppek, amelyek közel gőzsebességgel haladnak, becsapódnak a cső falába a kanyarokban, a fejléc átmeneteknél és az áramlási zavart okozó területeken. Minden egyes ütközés mikroszkopikus mechanikai impulzust ad a PTFE felületére.
Kis sebességeknél az ütközési energiát rugalmasan nyeli el a viszkoelasztikus polimer. A felület sérülés nélkül visszapattan. Nagyobb sebességeknél a több millió csepp becsapódás kumulatív hatása felületi érdességet, anyagveszteséget és esetleges falvékonyodást okoz. Ez erózió{3}}pusztán mechanikai kopás, vegyi összetevők nélkül.
A legnagyobb megengedett gőzsebesség az a küszöbérték, amely alatt a tervezett élettartam alatt elhanyagolható az erózió. E küszöbérték felett az erózió felhalmozódik, és mérhető falveszteséget okoz a berendezés élettartamán belül.
A cseppek ütközési mechanizmusa
A kondenzátum folyamatosan képződik, miközben a gőz felszabadítja a rejtett hőjét. A kondenzátum egy része filmként távozik a cső falán. Némelyik cseppekként magával ragad a nagy-sebességű gőzmagban. A kanyarokban és akadályoknál a cseppek centrifugális erő hatására kifelé dobódnak, és nekiütköznek a cső falának.
A szilárd felületen lévő vízcsepp ütközési nyomása arányos a vízkalapács nyomásával: P=ρ × c × V, ahol ρ a víz sűrűsége, c az akusztikus sebesség vízben (kb. 1500 m/s), V pedig a csepp becsapódási sebessége. 30 m/s ütközési sebességnél a pillanatnyi nyomás az ütközési pontban meghaladja a 45 MPa- értéket, ami elegendő a PTFE helyi deformálásához.
Egyetlen ütés nem okoz mérhető károkat. De az évi 6000 órát üzemelő gőzrendszer több száz millió cseppet juttat a cső falára egy évtizeden keresztül. Az ismételt mikro-deformációból eredő kumulatív fáradtság végül felületi repedéseket, részecskeleválást és mérhető falvékonyodást okoz.
1. táblázat: Gőzsebesség-határértékek PTFE hőcserélő csövekhez
| Gőznyomás (barg) | Cső azonosító (mm) | Javasolt maximális gőzsebesség (m/s) | Abszolút maximális sebesség (m/s) | Eróziós kockázat az abszolút maximális érték felett |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Közepes (érdülés 5 éven belül) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Mérsékelt |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Mérsékelt |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Alacsony-Közepes (a nagyobb átmérő csökkenti a cseppkoncentrációt) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Mérsékelt |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Alacsony (nagyobb átmérő; kisebb gőzsűrűség nagyobb nyomáson) |
A sebességhatárok a PTFE erózióállósági adatain és a hosszú távú szolgáltatási tapasztalatok konzervatív extrapolációján alapulnak. Az abszolút maximum azt a sebességet jelenti, amely felett a folyamatos üzem 10 évében mérhető erózió várható.
A szárazsági frakció kapcsolat
A gőzsebesség-korlátozások 98%-os vagy magasabb szárazsági hányadot feltételeznek,{1}}ami azt jelenti, hogy a víz tömegére vonatkoztatva legfeljebb 2%. Alacsonyabb szárazsági frakcióknál nagyobb a magával ragadott víztartalom, és ezzel arányosan nő az erózió veszélye adott sebesség mellett.
Ha a növényi gőz minősége 98%-os szárazság alatt van, a megnövekedett cseppterhelés figyelembe vétele érdekében a megengedett legnagyobb sebességet 10-15%-kal kell csökkenteni. Alternatív megoldásként a hőcserélő előtt elhelyezett gőzleválasztó eltávolítja a felesleges vizet, és visszaállítja a tervezett sebességhatárt.
Tervezési sebesség számítás
Az egyes csövekben lévő gőzsebességet úgy számítjuk ki, hogy a csövenkénti gőzáramot elosztjuk a cső keresztmetszeti területével{0}}. A teljes gőztömegáramot a hőterhelésből határozzuk meg: tömegáram=hőterhelés / gőz látens hője.
Egy 50 kW-os PTFE hőcserélőnél 40 cső átmérőjű, 8 mm átmérőjű, 3 barg gőzzel működik, a csövenkénti tömegáram körülbelül 0,75 kg/h. A telített gőz fajlagos térfogata 3 barg nyomáson 0,46 m³/kg. A térfogatáram csövenként 0,35 m³/h. A cső keresztmetszete{11}}5,0 × 10⁻⁵ m². A gőz sebessége 1,9 m/s{16}}jól a biztonságos határokon belül van.
A sebességszámítást a tervezési szakaszban kell elvégezni, és ellenőrizni kell, hogy az ajánlott maximum alá esik-e. A legtöbb megfelelő csőszámmal rendelkező PTFE hőcserélő esetében a gőzsebesség természetesen alacsony a több párhuzamos áramlási útvonal miatt. A nagy sebesség gyakrabban aggodalomra ad okot kevés csöves kis hőcserélőknél vagy olyan rendszerekben, ahol a gőzellátási nyomás jelentősen meghaladja a tervezett nyomást.
Összegzés
A maximálisan megengedhető gőzsebesség a PTFE hőcserélő csöveken belül 20-30 m/s, a csőátmérőtől és gőznyomástól függően, a 35-38 m/s pedig az abszolút maximum, amely felett mérhető erózió várható. Ezek a határértékek 98%-os vagy magasabb gőzszárazságot feltételeznek. Az alacsonyabb szárazsági frakciók sebességcsökkentést igényelnek.
A legtöbb megfelelően tervezett több-csöves PTFE hőcserélő esetében a gőzsebesség természetesen ezen határértékek alá esik a párhuzamos áramlási útvonalak nagy száma miatt. A tervezés során a sebességellenőrzés biztosítja, hogy az erózió ne korlátozza a berendezés élettartamát.
Műszaki elemzés a gőzsebesség ellenőrzéséhez bizonyos PTFE-hőcserélő-konstrukciókban a hőterhelés, a gőznyomás, a csövek számának és méreteinek, valamint a gőzminőségi adatoknak a benyújtásával érhető el.
