Угроза скорости
Пар, поступающий в трубку теплообменника из ПТФЭ со скоростью 25-35 м/с, несет с собой увлеченные капли конденсата. Эти капли, движущиеся со скоростью, близкой к скорости пара, ударяются о стенку трубы в местах изгибов, переходах коллектора и в зонах возмущения потока. Каждый удар передает микроскопический механический импульс на поверхность ПТФЭ.
При низких скоростях энергия удара упруго поглощается вязкоупругим полимером. Поверхность восстанавливается без повреждений. При более высоких скоростях совокупный эффект миллионов ударов капель приводит к шероховатости поверхности, потере материала и, в конечном итоге, к утончению стенок. Это эрозия-чисто механическое изнашивание без химической составляющей.
Максимально допустимая скорость пара — это порог, ниже которого эрозия в течение расчетного срока службы незначительна. Выше этого порога эрозия накапливается и приводит к измеримой потере стенки в течение срока службы оборудования.
Механизм столкновения капель
Конденсат образуется постоянно, поскольку пар выделяет скрытое тепло. Часть конденсата стекает в виде пленки по стенке трубки. Некоторое количество уносится в виде капель в паровое ядро-с высокой скоростью. При изгибах и препятствиях капли под действием центробежной силы выбрасываются наружу и ударяются о стенки трубы.
Давление удара капли воды о твердую поверхность пропорционально давлению гидроудара: P=ρ × c × V, где ρ — плотность воды, c — скорость звука в воде (около 1500 м/с), V — скорость удара капли. При скорости удара 30 м/с мгновенное давление в точке удара превышает 45 МПа-, достаточное для локальной деформации ПТФЭ.
Одиночный удар не причиняет измеримого ущерба. Но паровая система, работающая 6000 часов в год, за десятилетие производит сотни миллионов капель ударов о стенку трубы. Накопленная усталость от повторяющейся микро-деформации в конечном итоге приводит к появлению поверхностных трещин, отслоению частиц и измеримому утончению стенок.
Таблица 1. Пределы скорости пара для трубок теплообменника из ПТФЭ
| Давление пара (бар изб.) | Внутренний диаметр трубки (мм) | Рекомендуемая максимальная скорость пара (м/с) | Абсолютная максимальная скорость (м/с) | Риск эрозии выше абсолютного максимума |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Умеренная (огрубление в течение 5 лет) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Умеренный |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Умеренный |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Низкая-Средняя (больший диаметр снижает концентрацию капель) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Умеренный |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Низкий (больший диаметр; меньшая плотность пара при более высоком давлении) |
Ограничения скорости основаны на данных об эрозионной стойкости ПТФЭ и консервативной экстраполяции многолетнего-опыта эксплуатации. Абсолютный максимум представляет собой скорость, при превышении которой ожидается измеримая эрозия в течение 10 лет непрерывной эксплуатации.
Соединение фракции сухости
Ограничения по скорости пара предполагают долю сухости 98 % или выше,-что означает 2 % или менее увлеченной воды по массе. При более низких фракциях сухости содержание увлеченной воды выше, и риск эрозии при заданной скорости увеличивается пропорционально.
Если качество пара установки ниже 98% сухости, максимально допустимую скорость следует уменьшить на 10–15%, чтобы учесть повышенную капельную нагрузку. Альтернативно, пароотделитель, установленный перед теплообменником, удаляет излишнюю увлеченную воду и восстанавливает расчетный запас скорости.
Расчет расчетной скорости
Скорость пара в каждой трубе рассчитывается путем деления объемного расхода пара на трубу на площадь поперечного сечения-трубы. Общий массовый расход пара определяется из тепловой нагрузки: массовый расход=тепловая нагрузка / скрытая теплота пара.
Для теплообменника из ПТФЭ мощностью 50 кВт с 40 трубками с внутренним диаметром 8 мм, работающего при давлении пара 3 бар (изб.), массовый расход на трубку составляет примерно 0,75 кг/ч. Удельный объем насыщенного пара при манометрическом давлении 3 бар составляет 0,46 м³/кг. Объемный расход на трубу составляет 0,35 м³/ч. Площадь сечения-трубы составляет 5,0 × 10⁻⁵ м². Скорость пара составляет 1,9 м/с-в безопасных пределах.
Расчет скорости следует выполнить на этапе проектирования и убедиться в том, что она не превышает рекомендуемого максимума. Для большинства теплообменников из ПТФЭ с достаточным количеством трубок скорости пара, естественно, низкие из-за множества параллельных путей потока. Высокая скорость чаще вызывает беспокойство в небольших теплообменниках с небольшим количеством трубок или в системах, где давление подачи пара значительно превышает расчетное давление.
Краткое содержание
Максимально допустимая скорость пара внутри трубок теплообменника из ПТФЭ составляет 20–30 м/с, в зависимости от диаметра труб и давления пара, при этом 35–38 м/с представляет собой абсолютный максимум, выше которого ожидается измеримая эрозия. Эти пределы предполагают степень сухости пара 98% или выше. Более низкие фракции сухости требуют снижения скорости.
В большинстве правильно спроектированных много-трубных теплообменников из ПТФЭ скорости пара естественным образом падают ниже этих пределов из-за большого количества параллельных путей потока. Проверка скорости при проектировании гарантирует, что эрозия не ограничивает срок службы оборудования.
Инженерный анализ для проверки скорости пара в конкретных конструкциях теплообменников из ПТФЭ доступен после предоставления данных о тепловой нагрузке, давлении пара, количестве и размерах трубок, а также данных о качестве пара.
