تهديد السرعة
البخار الذي يدخل إلى أنبوب المبادل الحراري PTFE بسرعة 25-35 م/ث يحمل قطرات مكثفة محصورة. تؤثر هذه القطرات، التي تنتقل بسرعة قريبة من سرعة البخار، على جدار الأنبوب عند الانحناءات، وانتقالات الرأس، ومناطق اضطراب التدفق. يوفر كل تأثير دفعة ميكانيكية مجهرية لسطح PTFE.
عند السرعات المنخفضة، يتم امتصاص طاقة التأثير بشكل مرن بواسطة البوليمر اللزج المرن. ينتعش السطح دون ضرر. عند السرعات الأعلى، يؤدي التأثير التراكمي لملايين من تأثيرات القطرات إلى خشونة السطح، وفقدان المواد، وترقق الجدار في نهاية المطاف. يعد هذا تآكلًا-تآكلًا ميكانيكيًا خالصًا بدون أي مكونات كيميائية.
إن الحد الأقصى لسرعة البخار المسموح بها هو الحد الأدنى الذي لا يكاد يذكر فيه التآكل على مدى عمر الخدمة التصميمي. وفوق هذه العتبة، يتراكم التآكل مؤديًا إلى فقدان الجدار القابل للقياس خلال عمر المعدات.
آلية اصطدام القطرات
تتشكل المكثفات بشكل مستمر حيث يطلق البخار حرارته الكامنة. يتم تصريف بعض المكثفات كفيلم على طول جدار الأنبوب. يتم احتجاز بعضها على شكل قطرات في قلب البخار عالي السرعة-. عند المنعطفات والعوائق، تنطلق القطرات إلى الخارج بقوة الطرد المركزي وتضرب جدار الأنبوب.
يتناسب ضغط تأثير قطرة ماء على سطح صلب مع ضغط المطرقة المائية: P=ρ × c × V، حيث ρ هي كثافة الماء، وc هي السرعة الصوتية في الماء (حوالي 1500 م/ث)، وV هي سرعة تأثير القطرة. عند سرعة تصادم تبلغ 30 م/ث، يتجاوز الضغط اللحظي عند نقطة التصادم 45 ميجا باسكال-كافي لتشويه PTFE محليًا.
تأثير واحد لا يسبب أي ضرر يمكن قياسه. لكن نظام البخار الذي يعمل لمدة 6000 ساعة سنويًا يسلم مئات الملايين من تأثيرات القطرات على جدار الأنبوب على مدار عقد من الزمن. يؤدي التعب التراكمي الناتج عن التشوه الجزئي المتكرر-إلى ظهور تشققات سطحية وانفصال الجسيمات وترقق الجدار القابل للقياس.
الجدول 1: حدود سرعة البخار لأنابيب المبادل الحراري PTFE
| ضغط البخار (بار) | معرف الأنبوب (مم) | السرعة القصوى للبخار الموصى بها (م/ث) | السرعة القصوى المطلقة (م/ث) | خطر التآكل فوق الحد الأقصى المطلق |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | معتدل (التخشين خلال 5 سنوات) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | معتدل |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | معتدل |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | منخفض-متوسط (القطر الأكبر يقلل من تركيز القطرات) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | معتدل |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | منخفض (قطر أكبر؛ كثافة بخار أقل عند الضغط العالي) |
تعتمد حدود السرعة على بيانات مقاومة تآكل PTFE والاستقراء المتحفظ من تجربة الخدمة طويلة الأمد-. يمثل الحد الأقصى المطلق السرعة التي من المتوقع أن يتجاوزها التآكل القابل للقياس خلال 10 سنوات من الخدمة المستمرة.
اتصال جزء الجفاف
تفترض حدود سرعة البخار نسبة جفاف تبلغ 98% أو أعلى-مما يعني 2% أو أقل من المياه المحبوسة بالكتلة. في أجزاء الجفاف المنخفضة، يكون محتوى الماء المحبوس أعلى، ويزداد خطر التآكل عند سرعة معينة بشكل متناسب.
إذا كانت جودة البخار في المصنع أقل من 98% من الجفاف، فيجب تقليل السرعة القصوى المسموح بها بنسبة 10-15% لمراعاة زيادة تحميل القطرات. وبدلاً من ذلك، يقوم فاصل البخار المثبت أعلى المبادل الحراري بإزالة الماء الزائد ويستعيد هامش السرعة التصميمية.
حساب سرعة التصميم
يتم حساب سرعة البخار في كل أنبوب عن طريق قسمة تدفق البخار الحجمي لكل أنبوب على مساحة المقطع العرضي للأنبوب. يتم تحديد إجمالي تدفق كتلة البخار من واجب الحرارة: تدفق الكتلة=واجب الحرارة / الحرارة الكامنة للبخار.
بالنسبة لمبادل حراري PTFE بقدرة 50 كيلووات مع 40 أنبوبًا بمعرف 8 مم يعمل عند 3 بارج من البخار، يبلغ التدفق الكتلي لكل أنبوب حوالي 0.75 كجم/ساعة. الحجم النوعي للبخار المشبع عند 3 بار هو 0.46 متر مكعب/كجم. يبلغ التدفق الحجمي لكل أنبوب 0.35 م³/ساعة. مساحة المقطع العرضي للأنبوب هي 5.0 × 10⁻⁵ متر مربع. تبلغ سرعة البخار 1.9 م/ث-ضمن الحدود الآمنة.
يجب إجراء حساب السرعة أثناء مرحلة التصميم والتحقق من أنها أقل من الحد الأقصى الموصى به. بالنسبة لمعظم المبادلات الحرارية PTFE ذات العدد الكافي من الأنابيب، تكون سرعات البخار منخفضة بشكل طبيعي بسبب مسارات التدفق المتوازية المتعددة. غالبًا ما تكون السرعة العالية مصدر قلق في المبادلات الصغيرة ذات الأنابيب القليلة أو في الأنظمة التي يكون فيها ضغط إمداد البخار أعلى بكثير من الضغط التصميمي.
ملخص
الحد الأقصى لسرعة البخار المسموح بها داخل أنابيب المبادل الحراري PTFE هو 20-30 م/ث، اعتمادًا على قطر الأنبوب وضغط البخار، مع 35-38 م/ث يمثل الحد الأقصى المطلق الذي يُتوقع فوقه تآكل قابل للقياس. تفترض هذه الحدود أن نسبة جفاف البخار تبلغ 98% أو أعلى. تتطلب أجزاء الجفاف المنخفضة تقليل السرعة.
بالنسبة إلى مبادلات PTFE متعددة الأنابيب-المصممة بشكل صحيح، تنخفض سرعات البخار بشكل طبيعي إلى ما دون هذه الحدود نظرًا للعدد الكبير من مسارات التدفق المتوازية. يضمن التحقق من السرعة أثناء التصميم أن التآكل لا يحد من عمر خدمة المعدات.
يتوفر التحليل الهندسي للتحقق من سرعة البخار في تصميمات محددة للمبادل الحراري PTFE عند تقديم بيانات واجب الحرارة وضغط البخار وعدد الأنابيب وأبعادها وبيانات جودة البخار.
