Задача проектирования под высоким-давлением
Стандартные теплообменники из ПТФЭ рассчитаны на давление пара до 4-6 бар изб. Некоторые химические процессы требуют более высоких температур, что требует более высокого давления пара-до 10 бар (температура насыщения 184 градуса). При таких давлениях коллектор становится критическим компонентом, выдерживающим давление. Толщина его стенки должна быть достаточной, чтобы обеспечить требуемый срок службы без разрушения при ползучести и чрезмерной деформации.
Коллектор представляет собой толстостенный-цилиндр, находящийся под внутренним давлением. Распределение напряжений в стене неоднородно-равномерно-наибольшее на внутренней поверхности и наименьшее на внешней поверхности. Для ПТФЭ с его нелинейным поведением при ползучести при проектировании необходимо учитывать как начальную прочность на разрыв, так и долгосрочную-стойкость при ползучести при рабочей температуре.
Расчет толщины стены
Для толстостенного-цилиндра, находящегося под внутренним давлением, окружное напряжение на внутренней поверхности равно: σ_h=P × (D_o² + D_i²) / (D_o² - D_i²), где P — внутреннее манометрическое давление, D_o — внешний диаметр, а D_i — внутренний диаметр. Это уравнение Ламе для толстостенных цилиндров.
Подход к проектированию заключается в выборе толщины стенки такой, чтобы окружное напряжение на внутренней поверхности не превышало допустимого напряжения для ПТФЭ при рабочей температуре и требуемом сроке службы. Для модифицированного ПТФЭ при 184 градусах (насыщение 10 бар изб.) допустимое окружное напряжение для 10-летнего срока службы составляет примерно 1,5-2,0 МПа, исходя из данных о длительной прочности с коэффициентом запаса 2,0.
Для коллектора с внутренним диаметром 40 мм, работающего при манометрическом давлении 10 бар (1,0 МПа), требуемая толщина стенки рассчитывается путем повторения t до тех пор, пока кольцевое напряжение на внутренней поверхности не станет равным допустимому напряжению:
| Толщина стенки (мм) | Д_о (мм) | Внутреннее окружное напряжение (МПа) | Допустимое напряжение (МПа) | Приемлемый? |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 52 | 4.8 | 2.0 | Нет |
| 10 | 60 | 2.7 | 2.0 | Нет |
| 15 | 70 | 1.8 | 2.0 | Да |
| 20 | 80 | 1.4 | 2.0 | Да (консервативный) |
Для коллектора с внутренним диаметром 40 мм при давлении пара 10 бар требуется толщина стенки 15–20 мм.
| Проектный параметр | Ценить |
|---|---|
| Давление пара (манометрическое) | 10 бар (1,0 МПа) |
| Температура насыщения | 184 градуса |
| Идентификатор заголовка | 40 мм |
| Допустимое напряжение модифицированного ПТФЭ при 184 градусах, 10 лет, SF=2 | 1,5-2,0 МПа |
| Расчетная минимальная толщина стены | 15 мм |
| Рекомендуемая толщина стенки (с запасом) | 18-20 мм |
Усиление проникновения трубки
В стенке коллектора имеются отверстия для подключения труб. Каждое отверстие представляет собой концентрацию напряжений, которая увеличивает локальное напряжение. Отверстия должны быть усилены путем локального утолщения стенки коллектора вокруг каждого отверстия или путем использования отдельной конструкции трубной решетки, в которой трубы соединяются с плоской пластиной, а не с цилиндрической стенкой коллектора.
Для коллекторов высокого-давления часто предпочтительнее использовать плоскую трубную решетку, поскольку геометрию плоской пластины легче анализировать и усиливать, чем цилиндрическую оболочку с несколькими отверстиями. Толщина трубной решетки рассчитывается по формулам для плоских пластин с соответствующими коэффициентами концентрации напряжений для схемы расположения отверстий.
Соображение о ползучей жизни
При 184 градусах скорость ползучести ПТФЭ значительна. Толщина стенки коллектора, рассчитанная для начальной прочности на разрыв, должна быть проверена на предмет ползучести. Со временем диаметр коллектора будет медленно увеличиваться, поскольку полимер расползается под постоянным напряжением. Проектирование должно обеспечивать, чтобы деформация ползучести в течение 10-летнего срока службы не превышала допустимый предел (обычно 2–3%).
Срок службы ползучести может определять толщину стенки, а не начальную прочность на разрыв. При угле 184 градуса толщина,-ограниченная при ползучести, может быть больше, чем толщина, ограниченная при взрыве-. Для расчета используется большее из двух значений.
Краткое содержание
Коллектор теплообменника из ПТФЭ, работающий при давлении пара 10 бар (изб.), требует толщины стенки 15-20 мм для внутреннего диаметра 40 мм, исходя из допустимого напряжения модифицированного ПТФЭ 1,5–2,0 МПа при 184 градусах. Отверстия для проходки труб требуют местного усиления или отдельной конструкции плоской трубной решетки. Срок ползучести при повышенной температуре может определять толщину, а не начальную прочность на разрыв. Проектирование коллектора высокого давления представляет собой специализированную инженерную задачу, требующую данных о ползучести при определенной рабочей температуре.
Инженерная поддержка для проектирования коллектора из ПТФЭ высокого-давления доступна после предоставления данных о давлении пара, внутреннем диаметре коллектора, требуемом сроке службы, марке ПТФЭ и сведениях о трубных соединениях.
