วิธีเลือกท่อที่ถูกต้อง-ถึง-ระยะห่างของแผ่นกั้นสำหรับตัวแลกเปลี่ยน PTFE ในบริการก๊าซอุณหภูมิสูง-

ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากก๊าซร้อน-ถึง- การแกว่งของอุณหภูมิของท่อ PTFE อาจอยู่ที่ 100 องศาหรือมากกว่าตั้งแต่สตาร์ทที่เย็นไปจนถึงการทำงานเต็มรูปแบบ ทำให้ท่อพลาสติกโค้งงอยาวมีความยาวและความกว้างเพิ่มขึ้นมาก หากเจาะรูในแผ่นกั้นรองรับแบบแข็งโดยมีระยะห่างอย่างใกล้ชิดที่อุณหภูมิห้อง ท่อที่ขยายออกจะถูกกดติดกับขอบแข็ง ยึดและอาจเกิดการบดหรือถูกตัด ระยะห่างของมิติความเย็นที่กำหนดอย่างเหมาะสม ซึ่งเป็นการคำนวณการออกแบบที่สำคัญ สามารถป้องกันการกักเก็บความร้อนนี้ได้

บทความนี้จะอธิบายวิธีประเมินระยะห่างของแผ่นกั้นท่อที่จำเป็นสำหรับบริการก๊าซตัวแลกเปลี่ยน PTFE อย่างเหมาะสม โดยพิจารณาจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่สูงของ PTFE และการไล่ระดับอุณหภูมิที่รุนแรงซึ่งมักพบเห็นได้ทั่วไปในการใช้งานจัดการก๊าซ-

เหตุใดท่อ PTFE จึงขยายตัวมากกว่าแผ่นกั้นโลหะ
ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ในการขยายตัวทางความร้อน
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ของ PTFE มีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์ของเหล็กกล้าไร้สนิมประมาณสิบเท่า ค่ามาตรฐาน:

PTFE: 120-200×10-6/ องศา (ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิและการวางแนว)

สแตนเลส (304/316) 16-18 x 10-6/องศา

สำหรับท่อ PTFE ที่ทำงานที่ 200 องศา (เริ่มต้นโดยรอบที่ 20 องศา , ΔT=180 องศา ) การขยายตัวในแนวรัศมีของท่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 20 มม. คือ:

Δ L= 0 ⋅ L 0 ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 data 0.54 มม. Δ D=D 0 ⋅ PTFE ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 bai 0.54 มม.

การขยายตัวที่เท่ากันของรูในแผ่นกั้นสแตนเลสสตีลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นเท่ากันคือ:

Δรูเจาะ​=20×17×10−6×180γ0.06 มม. Δรูเจาะ​=20×17×10−6×180γ0.06 มม.

ความแตกต่างการขยายรัศมีสุทธิ (ท่อลบรู) คือประมาณ 0.48 มม. หากระยะห่างที่อุณหภูมิห้องเพียง 0.2 มม. ท่อจะถูกบังคับให้แนบกับรูแผ่นกั้นที่อุณหภูมิทำงาน ส่งผลให้เกิดการหนีบและแรงเสียดทานสูง และอาจเกิดการบดอัดของผนังท่อได้

ผลของการกวาดล้างไม่เพียงพอ
ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้เมื่อกดท่อ PTFE กับรูแผ่นกั้นแข็ง (โดยเฉพาะแผ่นกั้นโลหะ) คือ:

การผูกและการโก่งของท่อ - ท่อไม่เคลื่อนที่อย่างอิสระผ่านแผ่นกั้น ส่งผลให้เกิดการบีบอัดตามแนวแกนและการโก่งงอระหว่างส่วนรองรับ

การตัดหรือการเสียดสี - ขอบคมของแผ่นกั้นโลหะสามารถตัดเข้าไปใน PTFE ที่อ่อนตัวได้ที่อุณหภูมิสูงและทำให้เกิดการรั่วไหล

แรงดันในแนวรัศมีที่มากเกินไปจากรูที่แน่นเกินไปทำให้ท่อคืบคลานเป็นรูปวงรี ซึ่งจะลดพื้นที่การไหลและเพิ่มความต้านทานความร้อนอย่างถาวร

ท่อข้อต่อที่หลวมและเย็นเมื่อถูกทำให้ร้อนต้องได้รับอนุญาตให้ขยายจนมีขนาดที่พอดีแต่เป็นอิสระ เช่น ลูกสูบในกระบอกสูบ ระยะห่างที่เหมาะสมคือที่อุณหภูมิใช้งาน ท่อจะแตะรูแผ่นกั้นโดยไม่ถูกหนีบ

การกำหนดระยะห่างจากความเย็นที่ต้องการ
ขั้นตอนที่ 1: ค้นหาอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของพื้นผิวท่อ
ในเครื่องแลกเปลี่ยนก๊าซ-ถึง- โดยปกติอุณหภูมิผนังท่อจะใกล้เคียงกับค่าเฉลี่ยของกระแสก๊าซร้อนและเย็น แต่การไหลอาจมีการกระจายไม่ถูกต้องจนเกิดแพทช์ร้อนเฉพาะที่ การคำนวณการขยายตัวจะต้องขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพื้นผิวท่อที่คาดการณ์สูงสุด นักออกแบบหลายคนถือว่าอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้ามาเป็นอุณหภูมิท่อที่แย่ที่สุดสำหรับการอนุรักษ์

ขั้นตอนที่ 2: การกำหนดการขยายตัวในแนวรัศมีของท่อ
ใช้สูตรต่อไปนี้คำนวณการเพิ่มขึ้นของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อจากอุณหภูมิอ้างอิง (ปกติ 20 องศา ) จนถึงอุณหภูมิการทำงานสูงสุด เพื่อความปลอดภัย ให้ใช้ขีดจำกัดบนสำหรับ CTE ของ PTFE (เช่น. 180-200 x 10^-6 /°C)

ขั้นตอนที่ 3: การคำนวณการขยายตัวในแนวรัศมีของ Baffle Hole
วัสดุแผ่นกั้น ซึ่งมักจะเป็นสแตนเลส เหล็กคาร์บอน หรือโลหะบุนวม จะขยายตัวน้อยกว่ามาก การรบกวนในแนวรัศมีสุทธิสำหรับระยะห่างเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิแวดล้อมได้มาจากการขยายตัวเพื่อลดการขยายตัวของท่อ

ขั้นตอนที่ 4: เลือกระยะห่างจากความร้อนขั้นต่ำ
ระยะห่างเส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำจำเป็นสำหรับการเลื่อนแบบไม่มี{0}}การผูกมัดที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด โดยทั่วไประยะห่างจากความร้อนสำหรับท่อ PTFE คือ 0.2 ถึง 0.5 มม. (ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) เพื่อป้องกันไม่ให้ท่อถูกบีบในแนวรัศมี

5. คำนวณห้องที่ต้องการ-ระยะห่างจากอุณหภูมิในทางกลับกัน
ระยะห่างความเย็น (เส้นผ่านศูนย์กลาง) ที่จำเป็นคือ:

Ccold=Ch+(ΔDtube-ΔDhole) โชต=Ch+(ΔDtube-ΔDhole)

สำหรับตัวอย่างที่มีท่อ OD 20 มม., ΔT=180 องศา , เป้าหมายระยะห่างจากความร้อน=0.3 มม.:

=0.3+(0.54-0.06)=0.78 มม.เย็น​=0.3+(0.54−0.06)=0.78มม.

ดังนั้นรูแผ่นกั้นควรมีขนาดใหญ่กว่า OD ท่อเย็น 0.78 มม. ซึ่งมีความพอดีที่หลวมกว่าระยะห่าง 0.2–0.3 มม. ที่โดยทั่วไปใช้สำหรับบริการของเหลวที่อุณหภูมิต่ำ-มาก

“เกณฑ์การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนก๊าซของ PTFE”
ระยะทางที่ปลอดภัยที่แนะนำ
ท่อ OD (มม.) สูงสุด อุณหภูมิในการทำงาน (องศา) ระยะห่างเส้นผ่านศูนย์กลางความเย็นที่แนะนำ (มม.)
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
ตัวเลขเหล่านี้อิงจากการใช้แผ่นกั้นสแตนเลสและระยะห่างจากความร้อน 0.3-0.5 มม. ระยะห่างสามารถลดลงได้ 10-15% สำหรับท่อ PFA (โดยมี CTE ต่ำกว่าเล็กน้อย)

การแลกเปลี่ยน-ปิด: การสนับสนุนน้อยลงในช่วงเย็น
การเว้นระยะห่างจากอุณหภูมิห้องที่หลวมขึ้นหมายความว่าท่อได้รับการรองรับอย่างมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อตัวแลกเปลี่ยนเย็นหรือเมื่อสตาร์ท สิ่งนี้อาจนำไปสู่:

เพิ่มการสั่นสะเทือนของท่อในสถานการณ์การไหลชั่วคราวหรือต่ำ

หน้าสัมผัสระหว่างท่อต่อท่อที่เป็นไปได้ (หากระยะห่างมีขนาดใหญ่เกินไป)

มัดท่อไม่ตรงแนวเล็กน้อยระหว่างการติดตั้ง

โดยปกติแล้วปัญหาต่างๆ จะสามารถทนได้เนื่องจากตัวแลกเปลี่ยนจะใช้เวลาส่วนใหญ่ของอายุการใช้งานที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ซึ่งท่อที่พองตัวจะได้รับการรองรับอย่างแน่นหนา เพื่อลดอันตรายจากการสั่นสะเทือนขณะเย็น คุณสามารถเพิ่มแผ่นกั้นตรงกลางหรือแถบป้องกันการสั่นสะเทือน-เพิ่มเติมได้ หรืออาจยึดท่อไว้อย่างนุ่มนวลที่แผ่นท่อ

การเลือกวัสดุแผ่นกั้นที่เหมาะสม: โลหะหรือฟลูออโรโพลีเมอร์
ระยะห่างที่ต้องการขึ้นอยู่กับวัสดุของแผ่นกั้น:

แผ่นกั้นโลหะ (สแตนเลส , ฮาสเตลลอย ) - มีความแข็งแกร่งสูง ขอบคม ต้องมีระยะห่างที่ใหญ่ที่สุดเนื่องจากไม่หลีกทางหรือเป็นไปตามท่อขยาย แผ่นกั้น PFA หรือ PTFE แบบอ่อนให้การชดเชยมากกว่าแผ่นกั้นโลหะ

แผ่นกั้นโลหะมีเส้น - แผ่นกั้น PTFE ช่วยให้พื้นผิวลูกปืนนุ่มนวลขึ้น ช่วยลดโอกาสในการตัด ซับในสามารถเปลี่ยนรูปได้อย่างยืดหยุ่น ดังนั้นระยะห่างจึงลดลงเล็กน้อย (10-20%)

แผ่นกั้น PTFE หรือ PFA แบบแข็ง ขยายตัวได้เกือบเท่ากับตัวท่อ การขยายตัวระหว่างท่อและแผ่นกั้นมีความแตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้นจึงสามารถใช้ระยะห่างจากความเย็นที่เข้มงวดมากขึ้น (0.2-0.4 มม.) ได้ แต่แผ่นกั้นฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งนั้นไม่แข็งแกร่งเท่าที่ควรและสามารถเบี่ยงเบนที่ความเร็วก๊าซสูงได้ ทำให้ไม่เหมาะกับบริการก๊าซทุกประเภท

มาตรฐาน TEMA และ PTFE
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโลหะมีระยะห่างระหว่างท่อมาตรฐาน-ถึง-ซึ่งกำหนดโดย Tubular Exchanger Manufacturing Association (TEMA). 0.4 มม. สำหรับท่อขนาดเล็ก และ 1.2 มม. สำหรับท่อขนาดใหญ่เป็นระยะห่างตามปกติสำหรับท่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่อุณหภูมิสูงจัด อย่างไรก็ตาม TEMA ไม่ได้กล่าวถึงท่อ PTFE โดยตรง เนื่องจากท่อ PTFE ขยายตัวในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ตัวแลกเปลี่ยน PTFE ต้องการค่าเผื่อที่กำหนดไว้สำหรับการให้บริการก๊าซอุณหภูมิสูง นักออกแบบปฏิบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรมหรือคำแนะนำในการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนฟลูออโรโพลีเมอร์ (เช่น ผู้ผลิตอย่าง DuPont หรือ Chemours) ไม่ใช่ TEMA เพียงอย่างเดียว แนวทางอนุรักษ์นิยมคือการใช้ระยะห่างจาก TEMA สำหรับท่อโลหะเป็นพื้นฐาน และเพิ่มการขยายส่วนต่างสุทธิระหว่าง PTFE และเหล็กกล้า

ตัวอย่างการปฏิบัติ: การระบุระยะห่างสำหรับบริการก๊าซ 200 องศา
ท่อ PTFE OD 25 มม. แผ่นกั้นทำจากสแตนเลส 316 อุณหภูมิแก๊สสูงสุด 200 องศา ค่าอ้างอิงโดยรอบ 20 องศา

การคำนวณ:

∆T=180 องศา

CTE PTFE γ 160 x 10⁻⁶/ องศา (กึ่งกลางของช่วง 20 ถึง 200 องศา )

เหล็ก CTE ประมาณ 17 × 10⁻⁶ / องศา

ΔD_tube=25 × 160e-6 × 180=0.72 มม

ΔD รู=25 x 17e-6 x 180=0.077 มม

การขยายตัวส่วนต่างสุทธิ=0.72 - 0.077=0.643 มม

เป้าหมายระยะห่างจากความร้อน=0.4 มม. (OD 25 มม.)

ระยะห่างที่ต้องการเมื่อเย็น=0.4 + 0.643=1.043 มม. (ประมาณ 1.0 ถึง 1.1 มม.)

ข้อกำหนดการวาด: เส้นผ่านศูนย์กลางรูของแผ่นกั้น=OD ของท่อ (เย็น) + 1.0 มม. ที่อุณหภูมิห้อง ความพอดีค่อนข้างแย่ ที่ 200 องศา ท่อจะขยายออกเพื่อเติมช่องว่าง โดยให้การสนับสนุนโดยไม่มีการผูกมัด

สรุป: การออกแบบเพื่อการบวมเนื่องจากความร้อน
ช่องว่างที่ดูเรียบง่ายระหว่างท่อและแผ่นกั้นเป็นคุณลักษณะการออกแบบที่สำคัญ ซึ่งไวต่ออุณหภูมิ ในตัวแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFE-- ซึ่งเป็นรายละเอียดที่หลีกเลี่ยงการล็อคความร้อนแบบทำลายล้าง- PTFE จะขยายตัวมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมประมาณสิบเท่า ดังนั้นระยะห่างจากอุณหภูมิห้องที่เพียงพอสำหรับการให้บริการของเหลวจะส่งผลให้เกิดการยึดเกาะและความเสียหายของท่อในการใช้งานก๊าซที่มีอุณหภูมิสูง สามารถคำนวณการขยายตัวในแนวรัศมีของท่อและรูแผ่นกั้นและเพิ่มระยะห่างในการทำงานที่ร้อนที่เหมาะสมเพื่อระบุระยะห่างความเย็นที่เหมาะสม อุปกรณ์ใด ๆ ที่ร้อนขึ้นจะต้องสร้างขึ้นเพื่อรองรับการขยายตัวของมันเอง เครื่องแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFE ที่มีระยะห่างระหว่างท่อถึงแผ่นกั้นขนาดใหญ่ไม่ใช่งานฝีมือที่แย่ เป็นวิศวกรรมความร้อนที่ชาญฉลาด