كيف يتم اختيار الأنبوب الصحيح-لإزالة-الحاجز لمبادل PTFE في خدمة غاز ذات درجة حرارة عالية-؟

في المبادل الحراري من الغاز الساخن-إلى-الغاز، يمكن أن يصل تأرجح درجة الحرارة لأنابيب PTFE إلى مائة درجة أو أكثر من البداية الباردة إلى التشغيل الكامل. يؤدي هذا إلى زيادة طول الأنابيب البلاستيكية الطويلة وعرضها كثيرًا. إذا تم حفر الثقوب الموجودة في حواجز الدعم الصلبة بخلوص قريب في درجة حرارة الغرفة، فسيتم ضغط الأنابيب المتوسعة على الحواف الصلبة، مما يؤدي إلى ربطها وربما سحقها أو قطعها. إن خلوص الأبعاد الباردة المحدد بشكل صحيح، وهو حساب تصميمي حيوي، يمكن أن يمنع هذا النوبات الحرارية.

توضح هذه المقالة كيفية التقييم الصحيح لخلوص حاجز الأنبوب المطلوب لخدمة غاز مبادل PTFE، مع الأخذ في الاعتبار المعامل العالي للتمدد الحراري لـ PTFE والتدرجات القوية في درجات الحرارة التي تظهر عادةً في تطبيقات معالجة الغاز-.

لماذا تتوسع أنابيب PTFE أكثر من الحواجز المعدنية
الفرق الكبير في التمدد الحراري
يبلغ معامل التمدد الحراري (CTE) لمادة PTFE ما يقرب من عشرة أضعاف معامل التمدد الحراري للفولاذ المقاوم للصدأ. القيم القياسية:

PTFE: 120-200×10-6/ درجة (يعتمد على نطاق درجة الحرارة والاتجاه)

الفولاذ المقاوم للصدأ (304/316) 16-18×10-6/ درجة

بالنسبة لأنبوب PTFE يعمل عند 200 درجة (البداية المحيطة عند 20 درجة، ΔT=180 درجة) فإن التمدد الشعاعي لأنبوب قطره الخارجي 20 مم هو:

Δ L= 0 ⋅ L 0 ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0.54 مم Δ D=D 0 ⋅ PTFE ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0.54 مم

التوسيع المكافئ للثقب في حاجز من الفولاذ المقاوم للصدأ له نفس القطر الأولي هو:

Δالفجوة​=20×17×10−6×180≈0.06 ممΔالفجوة​=20×17×10−6×180≈0.06 مم

يبلغ صافي فرق التمدد الشعاعي (الأنبوب ناقص الفتحة) حوالي 0.48 مم. إذا كان الخلوص في درجة حرارة الغرفة 0.2 مم فقط، فسيتم ضغط الأنبوب على فتحة الحاجز عند درجة حرارة التشغيل. وينتج عن هذا قوى احتكاك عالية وتماسك واحتمالية سحق جدار الأنبوب.

آثار التخليص غير الكافي
الضرر الذي يمكن أن يحدث عند الضغط على أنبوب PTFE مقابل ثقب حاجز صلب (خاصة حاجز معدني) هو:

الربط والتواء الأنبوب - لا يتحرك الأنبوب بحرية من خلال الحاجز، مما يؤدي إلى ضغط محوري والتواء بين الدعامات.

القطع أو التآكل - يمكن أن تؤدي الحافة الحادة للحاجز المعدني إلى قطع مادة PTFE المخففة عند درجة حرارة عالية وتسبب حدوث تسرب.

يؤدي الضغط الشعاعي المفرط الناتج عن ثقب ضيق جدًا إلى زحف الأنبوب إلى شكل بيضاوي مما يقلل بشكل دائم من مساحة التدفق ويزيد من المقاومة الحرارية.

يجب السماح للأنبوب البارد والفضفاض عند تسخينه بالتمدد ليصبح محكمًا ولكن حرًا، مثل المكبس الموجود في أسطوانةه. الخلوص المناسب هو أنه عند درجة حرارة التشغيل، يلامس الأنبوب ببساطة فتحة الحاجز، ولا يتم قرصه.

تحديد الخلوص البارد المطلوب
الخطوة 1: إيجاد درجة حرارة التشغيل القصوى لسطح الأنبوب
في مبادل الغاز-إلى-الغاز، تكون درجة حرارة جدار الأنبوب عادةً قريبة من متوسط ​​تيارات الغاز الساخنة والباردة. ولكن قد يكون هناك سوء توزيع للتدفق بحيث توجد بقع ساخنة محلية. يجب أن تعتمد حسابات التمدد على الحد الأقصى لدرجة حرارة سطح الأنبوب المتوقعة. يعتبر العديد من المصممين أن درجة حرارة الغاز الساخن الداخلة هي أسوأ درجة حرارة للأنبوب بالنسبة للمحافظة.

الخطوة 2: تحديد التمدد الشعاعي للأنبوب
باستخدام الصيغة التالية قم بحساب الزيادة في القطر الخارجي للأنبوب من درجة الحرارة المرجعية (عادة 20 درجة) إلى درجة حرارة التشغيل القصوى. للسلامة، استخدم الحد الأعلى لـ CTE لـ PTFE (على سبيل المثال . 180-200 × 10^-6 /درجة مئوية)

الخطوة 3: حساب التمدد الشعاعي للثقب الحاجز
تتوسع المادة الحاجزة، والتي عادة ما تكون من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني أو المعدن المبطن، بشكل أقل بكثير. يتم الحصول على التداخل الشعاعي الصافي للخلوص الصفري عند درجة الحرارة المحيطة من خلال تمدده لتقليل تمدد الأنبوب.

الخطوة 4: اختر الحد الأدنى من التخليص الساخن
يلزم وجود الحد الأدنى من الخلوص القطري من أجل-تركيب انزلاقي غير ملزم عند أقصى درجة حرارة للعمل. يتراوح الخلوص الساخن النموذجي لأنابيب PTFE من 0.2 إلى 0.5 مم (حسب قطر الأنبوب). وهذا يمنع الأنبوب من الضغط بشكل شعاعي.

5. احسب الخلوص الحراري للغرفة -في الاتجاه المعاكس
الخلوص البارد (القطري) الضروري هو:

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

على سبيل المثال مع الأنبوب OD 20 مم، ΔT=180 درجة، هدف الخلوص الساخن=0.3 مم:

=0.3+(0.54-0.06)=0.78 ملمكولد​=0.3+(0.54−0.06)=0.78 ملم

وبالتالي يجب أن تكون فتحة الحاجز أكبر بمقدار 0.78 مم من القطر الخارجي للأنبوب البارد. يعد هذا ملائمًا بشكل أكبر بكثير من الخلوص الذي يبلغ 0.2-0.3 ملم المستخدم عمومًا في الخدمات السائلة ذات درجات الحرارة المنخفضة-.

"معايير تصميم مبادلات الغاز من PTFE
المسافات الآمنة الموصى بها
أنبوب OD (مم) ماكس. درجة حرارة التشغيل (درجة) الخلوص القطرى البارد المقترح (مم)
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
تعتمد هذه الأرقام على استخدام حواجز من الفولاذ المقاوم للصدأ وخلوص ساخن يبلغ 0.3-0.5 ملم. يمكن خفض الخلوص بنسبة 10-15% لأنابيب PFA (مع انخفاض CTE إلى حد ما).

المقايضة-متوقفة: دعم أقل في ظل الظروف الباردة
ويعني الخلوص الأقل حرارة في درجة حرارة الغرفة أن الأنابيب تصبح أقل فعالية عندما يكون المبادل باردًا أو عند بدء التشغيل. قد يؤدي هذا إلى:

زيادة اهتزاز الأنبوب في ظروف التدفق العابرة أو المنخفضة

إمكانية الاتصال من أنبوب إلى أنبوب (إذا كانت الخلوصات كبيرة جدًا)

حزمة الأنبوب خارج المحاذاة قليلاً أثناء التثبيت

عادة ما تكون المشاكل محتملة لأن المبادل يقضي معظم عمره التشغيلي في درجة حرارة مرتفعة، حيث تصبح الأنابيب المنفوخة مدعومة بإحكام. لتقليل مخاطر الاهتزاز البارد، يمكن إضافة حواجز متوسطة إضافية أو-شرائط مضادة للاهتزاز، أو يمكن تثبيت الأنابيب برفق على صفائح الأنابيب.

اختيار المادة المناسبة للحاجز: المعدن أو الفلوروبوليمر
يعتمد الخلوص المطلوب على مادة الحاجز:

حواجز معدنية (ستانلس ستيل، هاستيلوي) - صلابة عالية، حواف حادة. تتطلب الخلوص الأكبر لأنها لا تفسح المجال أو تتوافق مع الأنبوب المتوسع. تعتبر الحواجز الناعمة PFA أو PTFE أكثر تسامحًا من الحواجز المعدنية.

حواجز معدنية مبطنة - توفر بطانة PTFE سطح محمل أكثر ليونة، مما يقلل من فرصة القطع. البطانة قابلة للتشوه بشكل مرن وبالتالي يمكن تقليل الخلوص قليلاً (10-20٪).

حواجز PTFE أو PFA الصلبة تتوسع تقريبًا بقدر الأنابيب نفسها. الفرق في التمدد بين الأنبوب والحاجز متواضع، لذلك يمكن استخدام خلوص بارد أكثر إحكامًا (0.2-0.4 مم). لكن حواجز الفلوروبوليمر الصلبة ليست قوية ويمكن أن تنحرف عند سرعات الغاز العالية، مما يجعلها غير مناسبة لجميع خدمات الغاز.

معايير تيما وPTFE
تتمتع المبادلات الحرارية المعدنية بخلوصات قياسية في الأنابيب -إلى-الحواجز التي حددتها جمعية مصنعي المبادلات الأنبوبية (TEMA). 0.4 مم للأنابيب الصغيرة و1.2 مم للأنابيب الكبيرة، وهي الخلوصات المعتادة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ في درجات الحرارة القصوى. ومع ذلك، فإن TEMA لا يتناول أنابيب PTFE مباشرة، حيث أن أنابيب PTFE تتوسع بطريقة مختلفة تمامًا.

يتطلب مبادل PTFE بدلًا محددًا لخدمة الغاز ذات درجة الحرارة العالية. يتبع المصممون معايير الصناعة أو توصيات تصميم مبادلات البوليمرات الفلورية (على سبيل المثال، الشركات المصنعة مثل DuPont أو Chemours) وليس TEMA وحدها. قد يكون النهج المحافظ هو اتخاذ تصريح TEMA للأنابيب المعدنية كأساس وإضافة صافي التوسع التفاضلي بين PTFE والصلب.

مثال عملي: تحديد تصريح لخدمة غاز 200 درجة.
أنابيب PTFE بقطر 25 مم، وحواجز من الفولاذ المقاوم للصدأ 316، أقصى درجة حرارة للغاز 200 درجة، مرجع محيط 20 درجة.

حساب:

ΔT=180 درجة

CTE PTFE ≈ 160 × 10⁻⁶/ درجة (منتصف النطاق من 20 إلى 200 درجة)

فولاذ CTE حوالي 17 × 10⁻⁶ / درجة

ΔD_tube=25 × 160e-6 × 180=0.72 ملم

فتحة ΔD=25 × 17e-6 × 180=0.077 ملم

صافي التوسع التفاضلي=0.72 - 0.077=0.643 ملم

هدف الخلوص الساخن=0.4 مم (25 مم OD)

الخلوص مطلوب على البارد=0.4 + 0.643=1.043 مم (حوالي 1.0 إلى 1.1 مم)

مواصفات الرسم: قطر فتحة الحاجز=OD للأنبوب (بارد) + 1.0 ملم. في درجة حرارة الغرفة يكون الملاءمة سيئًا جدًا. عند 200 درجة، يتمدد الأنبوب لملء الفراغ، مما يوفر الدعم دون ربط.

الاستنتاج: تصميم للتورم الحراري
تعتبر الفجوة التي تبدو بسيطة بين الأنبوب والحاجز ميزة تصميم حيوية، فهي حساسة لدرجة الحرارة، في مبادل الغاز PTFE--تفاصيل تتجنب القفل الحراري المدمر-. يتمدد PTFE حوالي عشر مرات أكثر من الفولاذ المقاوم للصدأ، لذا فإن خلوص درجة حرارة الغرفة المناسب للخدمة السائلة سيؤدي إلى تلف الربط والأنبوب في تطبيق الغاز بدرجة حرارة عالية. يمكن حساب التمدد الشعاعي للأنبوب والفتحة الحاجزة وإضافة خلوص التشغيل الساخن المناسب لتحديد الخلوص البارد الصحيح. يجب أن يتم تصميم أي جهاز يتم تسخينه ليأخذ توسعه الخاص. إن مبادل الغاز PTFE ذو الخلوص الكبير من الأنبوب إلى الحاجز لا يعتبر صناعة يدوية سيئة. إنها هندسة حرارية ذكية.