Звук удара из танка
Операторы возле вертикального погружного змеевика в резервуаре для горячей очистки слышат ритмичные удары во время нагрева-. Звук напоминает удар молотка по металлической трубе-отсюда и термин "гидроудар". Шум не просто раздражает. Каждый импульс молотка создает скачок давления, который создает нагрузку на стенки труб, ослабляет сварные швы и в конечном итоге вызывает усталостное разрушение в точках наибольшего напряжения.
В металлических вертикальных теплообменниках гидравлический удар является постоянной проблемой, обусловленной геометрией границы раздела пар-конденсат. Пар поступает в верхнюю часть змеевика и течет вниз. Конденсат образуется на стенках трубы и должен течь против-тока пара, стекая вниз против восходящего потока входящего пара. При определенных скоростях пара и нагрузках конденсата двухфазный поток становится нестабильным. Сгустки конденсата поднимаются потоком пара, а затем обрушиваются обратно вниз, создавая ударный импульс.
Это явление приводит к ухудшению качества не только змеевика, но и конденсатоотводчика, регулирующего клапана и трубопроводных соединений. Записи о техническом обслуживании гальванических цехов с вертикальными металлическими змеевиками показывают замену конденсатоотводчиков в среднем каждые 12-18 месяцев из-за повреждений молотком.
Противоположная-нестабильность текущего потока
В вертикальной трубе, где пар течет вниз, а конденсат стекает вниз под действием силы тяжести, две фазы могут стабильно сосуществовать, если скорость пара ниже критического порога. Конденсат образует кольцевую пленку на стенке трубы, пар течет через центральный сердечник, и обе фазы движутся в одном направлении.
Нестабильность возникает, когда скорость пара увеличивается-во время запуска, в периоды высокого-потребления или когда регулирующий клапан широко открывается. При высокой скорости пара сила сдвига на границе раздела пар-конденсат преодолевает силу тяжести. Конденсатная пленка отрывается от стены и уносится в виде капель потоком пара. Эти капли сливаются в пробки, которые перекрывают диаметр трубки. Давление пара позади пули ускоряет ее. Когда пуля ударяется об изгиб, клапан или неподвижный столб конденсата, она резко останавливается. Кинетическая энергия преобразуется в импульс давления.
В металлических теплообменниках жесткие стенки трубок эффективно передают импульс давления каждому подключенному компоненту. Ударная волна отражается взад и вперед через систему. В каждой точке отражения-колено, тройник, переходник-концентрация напряжений самая высокая. Именно в этих местах со временем появляются усталостные трещины.
Таблица 1. Факторы серьезности гидравлического удара для конструкций вертикальных теплообменников
| Проектный фактор | Металлическая вертикальная катушка | Вертикальный змеевик из ПТФЭ с оптимизированным дренажем |
|---|---|---|
| Жесткость стенки трубы | Высокая (сталь 200 ГПа) | Низкий (0,5 ГПа ПТФЭ) |
| Эффективность передачи волны давления | >95% | <30% (viscoelastic damping) |
| Путь отвода конденсата | Противоток-тока пару (нестабильный) | Отдельная стойка для слива конденсата |
| Режим потока парового-конденсата | Смешанная двухфазная-фаза | Отдельные фазы |
| Склонность к образованию слизней | High at >30% паропроизводительность | Очень низкий (дренажный путь предотвращает накопление) |
| Пиковое давление удара (бар) | 20-80 (давление выше пара) | <5 (damped by tube compliance) |
| Частота повреждения конденсатоотводчика | Каждые 12-18 месяцев | >5 лет |
Конструктивное решение из ПТФЭ
Теплообменники из ПТФЭ смягчают гидроудары за счет двух механизмов: демпфирования материала и оптимизированной геометрии дренажа.
Вязкоэластичная природа ПТФЭ поглощает энергию волны давления. Когда импульс давления проходит через трубку из ПТФЭ, полимерные цепи подвергаются молекулярной перестройке, которая рассеивает механическую энергию в виде тепла. Амплитуда импульса экспоненциально затухает с увеличением пройденного расстояния. Скачок давления, который регистрируется в 60 бар в стальной трубе, регистрируется в 15 бар в ПТФЭ-и спадает до безопасного уровня в пределах одного метра распространения.
Это демпфирование защищает не только змеевик из ПТФЭ, но и подключенные к нему металлические компоненты -конденсатоотводчик, регулирующий клапан, трубопроводы- от всей силы любого удара, который все же произойдет.
Геометрия дренажа правильно спроектированного вертикального змеевика из ПТФЭ разделяет пути пара и конденсата. Пар поступает через верхний коллектор и проходит через несколько параллельных труб. Конденсат стекает из нижнего коллектора в специальный патрубок возврата конденсата, изолированный от потока пара. Две фазы не текут встречным-током через одну и ту же трубку. Нестабильность потока, которая приводит к образованию пробок в металлических катушках, заложена вне системы.
Защита пароотделителя
Гидравлический удар является основной причиной преждевременного выхода из строя конденсатоотводчика. Поплавок, термостатический элемент или дисковый механизм, который открывается и закрывается для слива конденсата, не рассчитан на то, чтобы выдерживать повторяющиеся скачки давления. Каждый удар ударом деформирует внутренние компоненты, ухудшает качество уплотняющих поверхностей и сокращает срок службы ловушки.
Змеевик из ПТФЭ, который гасит импульсы давления, значительно продлевает срок службы конденсатоотводчика. Ловушка работает в условиях стабильного давления, колеблясь с заданной частотой, а не подвергаясь ударам прерывистых ударных волн. Интервалы обслуживания ловушки могут составлять от месяцев до лет.
Краткое содержание
Удары парового конденсата в вертикальных погружных змеевиках возникают из-за нестабильности двухфазного потока, когда пар и конденсат движутся навстречу-токам. Металлические змеевики эффективно передают импульсы давления удара, вызывая усталостные повреждения змеевиков, ловушек и трубопроводов. Теплообменники из ПТФЭ смягчают удары за счет вязкоупругого демпфирования, которое поглощает энергию волны давления, и оптимизированной геометрии дренажа, разделяющей пути пара и конденсата.
Уменьшенная жесткость удара продлевает срок службы конденсатоотводчика, снижает необходимость технического обслуживания трубопроводов и устраняет усталостное растрескивание в точках концентрации напряжений. Гибкий фторполимерный материал преобразует разрушительную энергию гидравлического удара в безвредное молекулярное движение.
Инженерные рекомендации по конструкции вертикального змеевика из ПТФЭ с оптимизированным отводом конденсата доступны после предоставления данных о давлении пара, требуемой мощности нагрева, размерах резервуара и текущих наблюдениях за гидравлическим ударом.
