จะเลือกความหนาของผนังท่อที่ถูกต้องสำหรับตัวแลกเปลี่ยน PTFE ในบริการสุญญากาศสูงได้อย่างไร

คอนเดนเซอร์แบบเปลือกและท่อ PTFE ใช้เพื่อนำตัวทำละลายอันมีค่ากลับมาใช้ใหม่ภายใต้สุญญากาศแบบลึกเพื่อลดจุดเดือด ด้านเปลือกแทบจะอยู่ในสุญญากาศ ท่อ PTFE ที่บางและยืดหยุ่นไม่เพียงแต่ส่งน้ำหล่อเย็นเท่านั้น แต่ยังต้านทานแรงกดทับของบรรยากาศภายนอกที่ดันเข้าด้านในอีกด้วย ท่อที่มีผนังบาง-ปกติซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับแรงดันบวก สามารถยุบตัวลงอย่างกะทันหันเหมือนหลอดดื่ม หยุดการไหลและทำให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนลดลง ความหนาของผนังท่อสำหรับการบริการสุญญากาศไม่ได้ออกแบบมาให้มีแรงดัน แต่เพื่อป้องกันการพังทลายของภัยพิบัติ การเลือกความหนาของผนังท่อที่เหมาะสมสำหรับบริการสุญญากาศตัวแลกเปลี่ยน PTFE ขึ้นอยู่กับความเข้าใจฟิสิกส์การโก่งตัว การแลกเปลี่ยนความร้อน- และโซลูชันการสนับสนุน

ฟิสิกส์ของการล่มสลายภายใต้แรงกดดันภายนอก
สุญญากาศทำลายท่อได้อย่างไร
เมื่อด้านหนึ่งของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนถูกถ่ายออก (เช่น ถึง 10 mbar abs หรือน้อยกว่า) ความดันอากาศภายนอก (ประมาณ 1 บาร์หรือ 14.7 psi) จะทำหน้าที่อย่างสม่ำเสมอที่ด้านนอกของแต่ละท่อ ภายในท่ออาจอยู่ที่ความดันบรรยากาศหรืออาจสูงกว่าเล็กน้อย ภาระภายนอกนี้ทำให้เกิดความเค้นอัดแบบห่วงในผนังท่อ ท่อ PTFE แบบยืดหยุ่นที่มีผนังบาง- (ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นค่อนข้างต่ำประมาณ 0.5 GPa เทียบกับ 200 GPa สำหรับเหล็ก) จะโค้งงอและยุบตัวเป็นรูปทรงวงรีหรือแบนโดยมีแรงดันต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุมาก ฮูเวอร์นั้นเป็นมือขนาดยักษ์ที่มองไม่เห็นที่กำลังบีบท่ออยู่ สิ่งเดียวที่ป้องกันไม่ให้มันบดคือความหนาของผนัง

การสนับสนุน Tubes: บทบาทของ Baffle Spacing
ความยาวของท่อที่ไม่ได้รับการสนับสนุนระหว่างแผ่นกั้นหรือแผ่นท่อมีอิทธิพลอย่างมากต่อความต้านทานการยุบตัว ท่อที่รองรับที่ระยะห่าง 200 มม. จะทนต่อแรงดันภายนอกได้ดีกว่าท่อที่รองรับที่ระยะห่าง 500 มม. สำหรับการบริการที่มีสุญญากาศสูง ระยะห่างของแผ่นกั้นมักจะลดลงเหลือ 100–150 มม. แผ่นกั้นที่ใกล้ชิดยิ่งขึ้นส่งผลให้เกิดความปั่นป่วนด้านข้างของเปลือก-ที่สูงขึ้นและการส่งผ่านความร้อนที่ดีขึ้น เพื่อชดเชยต้นทุนการระบายความร้อนของผนังที่หนาขึ้นบางส่วน อย่างไรก็ตาม การเพิ่มจำนวนแผ่นกั้นจะเพิ่มแรงดันตกที่ด้านเปลือก และอาจต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางเปลือกใหญ่ขึ้นเพื่อรักษาพื้นที่การไหล

นอกจากนี้ การออกแบบควรให้มีสุญญากาศที่ด้านท่อและมีแรงดันบวกที่ด้านเปลือก ในโครงสร้างหัวลอยหรือท่อ U- สามารถอพยพทั้งสองด้านได้ และผนังท่อจะต้องแข็งแรงพอที่จะป้องกันการพังทลายจากด้านข้างภายใต้สุญญากาศ ในสถานการณ์เหล่านี้ จะมีการเลือกผนังที่หนาขึ้น และโดยทั่วไปตัวแลกเปลี่ยนได้รับการออกแบบให้เป็นระดับ 'สุญญากาศเต็ม' ทั้งสองด้าน

แนวทางปฏิบัติในการเลือก
กระบวนการทีละขั้นตอน
กำหนดระดับของฮูเวอร์: ให้แรงดันสัมบูรณ์ที่ด้านล่าง (เช่น. 10 มิลลิบาร์, 50 มิลลิบาร์) สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดคือสุญญากาศเต็ม (0 มิลลิบาร์สัมบูรณ์) และต้องการการออกแบบที่แข็งแกร่งที่สุด

• เลือกขนาดท่อ : เลือกเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD) ที่มีการถ่ายเทความร้อน การเปรอะเปื้อน และความแข็งแรงเชิงกล ขนาดปกติคือ OD 6 มม. หรือ 8 มม. สำหรับบริการดูดฝุ่น เส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า (10 มม. ขึ้นไป) ไม่สามารถทำได้

ใช้ข้อมูลแรงกดทับของผู้ผลิตหรือ FEA เพื่อประมาณความหนาของผนังที่ต้องการ OD 6 มม. เป็นจุดเริ่มต้นที่ต้องระมัดระวัง ความหนา 0.8 มม. ที่อุณหภูมิห้องอาจจำเป็น . 1.0-1.2 มม. สำหรับอุณหภูมิที่มากขึ้นหรือ OD ที่ใหญ่กว่า

กำหนดระยะห่างของแผ่นกั้น: ระยะไม่รองรับไม่เกิน 150 มม. สำหรับท่อยาว (มากกว่า 2 ม.) จะมีการเสริมส่วนรองรับตรงกลางหรือก้านผูก-พร้อมตัวเว้นระยะ

ประเมินประสิทธิภาพการระบายความร้อน: คำนวณค่า U ด้วยความหนาของผนังที่เลือก หากค่า U- ต่ำเกินไป (เช่น น้อยกว่า 200 W/m2K) ให้พิจารณาเพิ่มจำนวนหรือความยาวของท่อ หรือยอมรับตัวแลกเปลี่ยนที่ใหญ่กว่า

ตรวจสอบกับผู้ผลิต: ผู้จำหน่ายเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วมีข้อมูลการยุบตัวเชิงประจักษ์สำหรับขนาดท่อของตน ต้องมีการรับประกันเป็นลายลักษณ์อักษรว่าอุปกรณ์จะทำงานโดยไม่พังทลายภายใต้สภาวะสุญญากาศและอุณหภูมิที่ระบุ

ตัวอย่างสเปคท่อ PTFE เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 6 มม. ความหนาของผนัง: 1.0 มม. + / -0.05 มม. วัสดุท่อ: PTFE บริสุทธิ์ ช่วงสูงสุดที่ไม่รองรับ 120 มม. แรงดันการออกแบบด้านข้างของเปลือก: สุญญากาศที่สมบูรณ์ (0 mbar abs) แรงดันการออกแบบด้านข้างท่อ: 3 bar g อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด: 90'C สุญญากาศในด้านเปลือกตัวแลกเปลี่ยนควรอยู่ที่ 10 มิลลิบาร์สัมบูรณ์ โดยมีท่อที่ความดันบรรยากาศ ท่อไม่ควรยุบหรือรูปไข่อย่างเห็นได้ชัด

ความแม่นยำทางเทคนิค: การคำนวณแรงดันยุบ
ความล้มเหลวของท่อภายใต้แรงดันภายนอกถือเป็นความล้มเหลวของการโก่งงอ ไม่ใช่ความล้มเหลวของผลผลิต การประมาณค่าแรกกำหนดโดยสูตรมาตรฐานสำหรับท่อที่มีผนังบาง- (เช่น สูตร Timoshenko สำหรับการโก่งงอแบบยืดหยุ่น) อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมความเครียดที่ไม่ใช่-เชิงเส้น- และการคืบของ PTFE จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเชิงประจักษ์ ผู้ผลิตเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ส่วนใหญ่ทดสอบหลอดตัวอย่างเพื่อหาแรงดันภายนอกที่หยุดนิ่ง ความดันการยุบตัวที่วัดได้สำหรับท่อ OD ขนาด 6 มม. ที่มีความหนาของผนัง 1.0 มม. ที่ 20 องศา มักจะอยู่ที่ 1.2-1.5 บาร์ ซึ่งให้ปัจจัยด้านความปลอดภัยที่ 1.2-1.5 เหนือสุญญากาศที่สมบูรณ์ ที่มุม 90 องศา แรงดันการยุบตัวอาจต่ำถึง 0.8-1.0 บาร์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีส่วนต่างด้านความปลอดภัยที่มากขึ้น ดังนั้นจึงมีระยะห่างระหว่างส่วนรองรับมากขึ้นหรือทำให้ผนังหนาขึ้นเพื่อการบริการสุญญากาศที่มีอุณหภูมิสูง

บทสรุป: อาศัยอยู่ในความกดดันที่มองไม่เห็น
ความหนาของผนังของเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE แบบสุญญากาศจะต้องต่อสู้กับแรงบดอัดของบรรยากาศ และท่อที่หนาขึ้น แข็งขึ้น และรองรับได้ดีก็ชนะการต่อสู้ ท่อสามารถทนต่อสุญญากาศได้เต็มที่โดยไม่ยุบตัว เนื่องจากมีความหนาของผนังขั้นต่ำ 0.8-1.0 มม. และมีแผ่นกั้นที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด (ช่วงขยายที่ไม่รองรับ 150 มม.) ค่า U- ได้รับการปรับปรุงโดยผนังที่หนาขึ้น แต่ทางเลือกอื่น-คือท่อที่ยุบและอุดตันเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ แรงดันอากาศภายนอกที่เงียบและมองไม่เห็นเป็นแรงที่แข็งแกร่งที่สุดในระบบสุญญากาศ และความหนาของผนังท่อที่เลือกอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งเดียวที่ป้องกันได้