อลูมิเนียมบรอนซ์ที่ใช้น้ำทะเลมานานหลายทศวรรษ
อลูมิเนียมบรอนซ์เป็นโลหะผสมที่มีทองแดง-ซึ่งประกอบด้วยอลูมิเนียม 5–11% พร้อมด้วยเหล็ก นิกเกิล และแมงกานีสเสริม โลหะผสมจะสร้างฟิล์มป้องกันอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ต้านทานการกัดกร่อนของน้ำทะเล และฟิล์มจะฟื้นตัวได้เอง-หากได้รับความเสียหาย อัตราการกัดกร่อนในน้ำทะเลสะอาดโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 0.025 มม. ต่อปี ซึ่งมีอายุการใช้งาน 20-30 ปีสำหรับความหนาของผนังท่อทั่วไป
อลูมิเนียมบรอนซ์ถูกนำมาใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำทะเลเนื่องจากมีการผสมผสานความต้านทานการกัดกร่อนที่เพียงพอเข้ากับการนำความร้อนสูงและต้นทุนปานกลาง ค่าการนำความร้อนอยู่ที่ประมาณ 60 W/m·K ซึ่งสูงกว่า PTFE ประมาณ 240 เท่า ค่าการนำไฟฟ้าสูงหมายความว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอะลูมิเนียมบรอนซ์มีขนาดกะทัดรัดและราคาไม่แพงนัก
ข้อจำกัดของอลูมิเนียมบรอนซ์คือความไวต่อการกัดเซาะ-การกัดกร่อนที่ความเร็วการไหลสูงและการโจมตีด้วยซัลไฟด์ในน้ำทะเลที่ปนเปื้อน ขีดจำกัดการกัดกร่อน-โดยทั่วไปคือ 1.5–2.5 ม./วินาที สำหรับการให้บริการน้ำทะเล ซึ่งสูงกว่านั้น ฟิล์มป้องกันจะถูกเอาออกโดยกลไก และอัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การโจมตีด้วยซัลไฟด์เกิดขึ้นเมื่อน้ำทะเลมีไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซึ่งพบได้ทั่วไปในท่าเรือและปากแม่น้ำที่มีมลพิษ ซัลไฟด์ทำปฏิกิริยากับทองแดงในโลหะผสมและเกิดเป็นคอปเปอร์ซัลไฟด์ซึ่งไม่สามารถป้องกันได้
PTFE ที่ขจัดกลไกการกัดกร่อน
PTFE สามารถทนต่อน้ำทะเลได้ทุกความเข้มข้นและอุณหภูมิภายในช่วงการบริการ วัสดุไม่เป็นสนิม และอายุการใช้งานถูกกำหนดโดยปัจจัยทางกลมากกว่าการโจมตีทางเคมี PTFE ไม่ไวต่อการกัดเซาะ-การกัดกร่อนที่ความเร็วการไหลสูง และไม่ถูกโจมตีโดยซัลไฟด์หรือคลอไรด์
การกำจัดกลไกการกัดกร่อนเป็นเหตุผลหลักที่มีการระบุ PTFE สำหรับการให้บริการน้ำทะเล ซึ่งอลูมิเนียมบรอนซ์จะล้มเหลว หน่วย PTFE จะไม่เกิดการกัดเซาะ-การกัดกร่อนหรือการโจมตีด้วยซัลไฟด์ที่จำกัดอายุการใช้งานของอลูมิเนียมบรอนซ์ และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนยังคงมีเสถียรภาพตลอดอายุการใช้งาน
ช่องว่างการนำความร้อน
ค่าการนำความร้อนของอลูมิเนียมบรอนซ์อยู่ที่ประมาณ 60 W/m·K เทียบกับ 0.25 W/m·K สำหรับ PTFE อัตราส่วนประมาณ 240:1
สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปฏิเสธน้ำทะเล 100 kW ที่ 30 องศา หน่วยอะลูมิเนียมบรอนซ์ต้องใช้พื้นที่ผิวประมาณ 5 ตร.ม. โดยพิจารณาจากค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม 1,000 W/m²·K และความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึกที่ 20 องศา หน่วย PTFE สำหรับงานเดียวกันต้องใช้พื้นที่ผิวประมาณ 25 ตร.ม. โดยพิจารณาจากค่าสัมประสิทธิ์โดยรวม 200 W/m·K และความแตกต่างของอุณหภูมิที่เท่ากัน
หน่วย PTFE มีขนาดใหญ่กว่าหน่วยอลูมิเนียมบรอนซ์ 5 เท่า ขนาดที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มต้นทุนเงินทุน พื้นที่ และปริมาตรของเหลว ฟลักซ์ความร้อนที่ต่ำกว่าจะช่วยลดอุณหภูมิผนังท่อซึ่งเป็นประโยชน์ต่อกระบวนการนี้ แต่พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นยังทำให้พื้นผิวเกิดการสะสมตัวมากขึ้นและต้องใช้เวลาในการทำความสะอาดมากขึ้น
การกัดกร่อน-ขีดจำกัดการกัดกร่อนของอลูมิเนียมบรอนซ์
ขีดจำกัดการกัดกร่อน-คือความเร็วการไหลที่สูงกว่าซึ่งฟิล์มป้องกันบนอะลูมิเนียมบรอนซ์จะถูกเอาออกโดยกลไก และอัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ขีดจำกัดขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสม เคมีของน้ำทะเล และรูปทรงของท่อ
สำหรับอลูมิเนียมบรอนซ์มาตรฐานในน้ำทะเลที่สะอาด ขีดจำกัดการกัดกร่อน-โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1.5–2.5 ม./วินาที เหนือความเร็วนี้ อัตราการกัดกร่อนสามารถเพิ่มขึ้นได้ห้าถึงสิบเท่า และอายุการใช้งานจะลดลงจาก 20–30 ปีเป็น 3–5 ปี
ขีดจำกัดการกัดกร่อน-เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอะลูมิเนียมบรอนซ์ ความเร็วด้านข้างของท่อ-จะต้องรักษาให้ต่ำกว่าขีดจำกัด ซึ่งอาจต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ใหญ่กว่าหรืออัตราการไหลที่ต่ำกว่า เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มขนาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและต้นทุนเงินทุน
PTFE ไม่มีขีดจำกัดการกัดกร่อน-ในแง่เดียวกัน วัสดุนี้ไม่ไวต่อการดึงฟิล์มป้องกันออกด้วยกลไกเนื่องจากไม่มีฟิล์มป้องกัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สามารถทำงานที่ความเร็วการไหลที่สูงขึ้น โดยไม่เสี่ยงต่อการกัดกร่อน- ซึ่งให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบมากขึ้น
การโจมตีของซัลไฟด์บนอะลูมิเนียมบรอนซ์
การโจมตีด้วยซัลไฟด์เกิดขึ้นเมื่อน้ำทะเลมีไฮโดรเจนซัลไฟด์อยู่ ซึ่งพบได้ทั่วไปในท่าเรือ ปากแม่น้ำ และพื้นที่ปล่อยน้ำเสียทางอุตสาหกรรม ซัลไฟด์ทำปฏิกิริยากับทองแดงในอลูมิเนียมบรอนซ์และเกิดเป็นคอปเปอร์ซัลไฟด์ซึ่งไม่สามารถป้องกันได้ อัตราการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและอายุการใช้งานลดลงจาก 20–30 ปีเป็น 1–3 ปี
การโจมตีด้วยซัลไฟด์เป็นปรากฏการณ์เฉพาะที่ซึ่งเริ่มต้นที่ปลายท่อและที่ท่อ-ถึง-ข้อต่อแผ่นท่อ โดยที่ความเร็วการไหลต่ำและความเข้มข้นของซัลไฟด์สูง การโจมตีปรากฏเป็นรูพรุนซึ่งทะลุผนังท่อและทำให้เกิดการรั่วไหล
PTFE ไม่ถูกโจมตีโดยซัลไฟด์ วัสดุสามารถทนต่อไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิทุกระดับภายในช่วงการบริการ นี่เป็นเหตุผลหลักที่มีการระบุ PTFE สำหรับการให้บริการน้ำทะเลในท่าเรือและปากแม่น้ำที่มีมลพิษ
การเปรียบเทียบวัสดุทั้งสองในการแลกเปลี่ยนความร้อนของน้ำทะเล
ตารางต่อไปนี้สรุปประสิทธิภาพและลักษณะต้นทุนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE และอะลูมิเนียมบรอนซ์ในบริการแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำทะเลที่ 30 องศา ด้วยน้ำทะเลที่สะอาดและความเร็วการไหล 1.5 เมตร/วินาที
| ลักษณะเฉพาะ | เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอลูมิเนียมบรอนซ์ | เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE | ข้อได้เปรียบ |
|---|---|---|---|
| การนำความร้อน | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| พื้นที่ผิวที่ต้องการสำหรับ 100 kW | 5 m² | 25 m² | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| ทนต่อสารเคมีต่อน้ำทะเลที่สะอาด | ยอดเยี่ยม | ยอดเยี่ยม | เท่ากัน |
| ความทนทานต่อสารเคมีต่อซัลไฟด์-น้ำทะเลที่ปนเปื้อน | ยากจน | ยอดเยี่ยม | ไฟเบอร์ |
| การกัดเซาะ-ขีดจำกัดการกัดกร่อน | 1.5–2.5 m/s | ไม่มี | ไฟเบอร์ |
| อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด | 200 องศา | 260 องศา | ไฟเบอร์ |
| ความแข็งแรงทางกล | สูง | ปานกลาง | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน | ปานกลาง | สูง | ไฟเบอร์ |
| ความสามารถในการซ่อมแซม | จำกัด | ดี | ไฟเบอร์ |
| อายุการใช้งานในน้ำทะเลที่สะอาด | 20–30 ปี | 15–20 ปี | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| อายุการใช้งานในน้ำทะเลที่ปนเปื้อนซัลไฟด์- | 1-3 ปี | 15–20 ปี | ไฟเบอร์ |
| ต้นทุนทุนสำหรับภาษี 100 กิโลวัตต์ | $45,000 | $52,000 | อลูมิเนียมบรอนซ์ |
| ค่าติดตั้ง | $6,000 | $5,000 | ไฟเบอร์ |
| ค่าบำรุงรักษาประจำปี | $2,000 | $3,000 | อลูมิเนียมสีบรอนซ์ |
| ต้นทุนรวมห้า-ปี (น้ำทะเลสะอาด) | $91,000 | $92,000 | เท่ากัน |
| ต้นทุนรวมห้า-ปี (ซัลไฟด์-ปนเปื้อน) | $180,000 | $92,000 | ไฟเบอร์ |
มูลค่าต้นทุนรวมห้า-ปีจะถือว่ามูลค่าการผลิตอยู่ที่ 600 เหรียญสหรัฐต่อชั่วโมง และรวมต้นทุนทุน ค่าติดตั้ง และค่าบำรุงรักษาตลอดระยะเวลาห้าปี กรณีที่มีการปนเปื้อนของซัลไฟด์-จะต้องเปลี่ยนตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหนึ่งครั้งเป็นเวลาห้าปีสำหรับอะลูมิเนียมบรอนซ์ยูนิต
เมื่ออลูมิเนียมบรอนซ์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า
อลูมิเนียมบรอนซ์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในการใช้งานเฉพาะหลายอย่าง
บริการน้ำทะเลที่สะอาดเมื่อน้ำทะเลสะอาดและความเร็วการไหลต่ำกว่าขีดจำกัดการกัดกร่อน- อลูมิเนียมบรอนซ์จะให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมด้วยต้นทุนทุนที่ต่ำกว่า
บริการความเร็วต่ำ-เมื่อความเร็วการไหลต่ำกว่า 1.5 ม./วินาที ความเสี่ยงต่อการสึกกร่อน-จะต่ำ และอะลูมิเนียมบรอนซ์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า
พื้นที่-การติดตั้งที่มีข้อจำกัดเมื่อพื้นที่ว่างมีจำกัด อะลูมิเนียมบรอนซ์ขนาดเล็กอาจเป็นตัวเลือกเดียวที่เป็นไปได้ หน่วย PTFE จะต้องมีพื้นที่ผิวมากกว่า 5 เท่า ซึ่งอาจไม่พอดีกับพื้นที่ที่มีอยู่
บริการแรงดันสูง-อลูมิเนียมบรอนซ์มีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่า PTFE และสามารถทนต่อแรงกดดันได้สูงกว่า สำหรับการบริการน้ำทะเลที่แรงดันสูงกว่า 10 บาร์ อลูมิเนียมบรอนซ์อาจเป็นตัวเลือกเดียวที่ใช้ได้
เมื่อ PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า
PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในการใช้งานเฉพาะหลายอย่าง
ซัลไฟด์-น้ำทะเลที่ปนเปื้อนPTFE ทนทานต่อซัลไฟด์ ในขณะที่อลูมิเนียมบรอนซ์ถูกโจมตี สำหรับการบริการน้ำทะเลในท่าเรือและปากแม่น้ำที่มีมลพิษ PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า
บริการความเร็วสูง-PTFE ไม่มีขีดจำกัดการกัดกร่อน- ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการบริการที่ความเร็วการไหลสูง
บริการปั่นจักรยานความร้อนPTFE มีความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้สูงกว่าอลูมิเนียมบรอนซ์ ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการซ่อมบำรุงที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิบ่อยครั้ง
บริการซ่อมแซมได้สามารถซ่อมแซมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ได้ที่ไซต์งานโดยช่างเทคนิคที่ผ่านการรับรอง ซึ่งช่วยลดเวลาหยุดทำงานและการสูญเสียในการผลิต
ข้อกำหนดอายุการใช้งานยาวนานในน้ำทะเลที่ปนเปื้อนเมื่อน้ำทะเลมีการปนเปื้อนและคาดว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะมีอายุการใช้งาน 10 ปีขึ้นไป PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเนื่องจากทนทานต่อการโจมตีทางเคมีในระยะเวลาที่นานขึ้น
คุณสมบัติการออกแบบที่ยืดอายุการใช้งาน
คุณสมบัติการออกแบบหลายประการช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั้ง PTFE และอลูมิเนียมบรอนซ์ในการให้บริการน้ำทะเล
การควบคุมความเร็วการไหลการรักษาความเร็วการไหลให้ต่ำกว่าขีดจำกัดการกัดกร่อน-จะช่วยลดอัตราการกัดกร่อนของอะลูมิเนียมบรอนซ์
การตรวจสอบซัลไฟด์การตรวจสอบความเข้มข้นของซัลไฟด์ในน้ำทะเลช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถเปลี่ยนไปยังแหล่งทำความเย็นอื่นได้ หากความเข้มข้นของซัลไฟด์เพิ่มขึ้นเกินเกณฑ์
การป้องกันแคโทดแอโนดแบบบูชายัญหรือระบบป้องกันแคโทดในปัจจุบันสามารถลดอัตราการกัดกร่อนของอะลูมิเนียมบรอนซ์ได้
จัดให้มี-ข้อกำหนดในการทำความสะอาดการเชื่อมต่อสำหรับการจ่ายและส่งคืนน้ำยาทำความสะอาดทำให้สามารถทำความสะอาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อนได้โดยไม่ต้องถอดชิ้นส่วน ซึ่งช่วยลดเวลาหยุดทำงานและการสูญเสียในการผลิต
การตรวจสอบอุณหภูมิเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ทางเข้าและทางออกของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนช่วยให้สามารถตรวจสอบประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้ ซึ่งช่วยให้ตรวจพบการเปรอะเปื้อนหรือการเสื่อมสภาพได้ตั้งแต่เนิ่นๆ
พารามิเตอร์ข้อมูลจำเพาะสำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนของน้ำทะเล
วิศวกรอุปกรณ์ที่ประเมินเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE และอลูมิเนียมบรอนซ์สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนจากน้ำทะเลควรยืนยันพารามิเตอร์ต่อไปนี้กับซัพพลายเออร์
เคมีของน้ำทะเลระบุความเข้มข้นของคลอไรด์ ความเข้มข้นของซัลไฟด์ และสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ
อุณหภูมิในการทำงานระบุอุณหภูมิการทำงานสูงสุดและโปรไฟล์อุณหภูมิที่คาดหวัง
ความเร็วการไหลระบุความเร็วการไหลสูงสุดและขีดจำกัดการกัดกร่อน-สำหรับอะลูมิเนียมบรอนซ์
แรงดันใช้งานระบุแรงดันใช้งานสูงสุด
ภาระความร้อนและพื้นที่ผิวระบุภาระความร้อนและพื้นที่ผิวที่ต้องการสำหรับตัวเลือกวัสดุแต่ละรายการ
ข้อจำกัดด้านพื้นที่ระบุพื้นที่ว่างและขนาดพื้นที่สูงสุดที่อนุญาต
ความสามารถในการบำรุงรักษาระบุความสามารถในการบำรุงรักษาของสถานที่ รวมถึงความสามารถในการซ่อมแซมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไซต์งาน
ความต้องการอายุการใช้งานระบุอายุการใช้งานที่คาดไว้และกำหนดการเปลี่ยน
การจับคู่การเลือกวัสดุกับเงื่อนไขการบริการน้ำทะเล
การเลือกระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE และอลูมิเนียมบรอนซ์ในการแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำทะเลขึ้นอยู่กับเคมีของน้ำทะเล ความเร็วการไหล ข้อจำกัดของพื้นที่ และข้อกำหนดอายุการใช้งาน อลูมิเนียมบรอนซ์มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าและต้องการพื้นที่ผิวน้อยกว่า แต่ก็ไวต่อการกัดกร่อน-และการกัดกร่อนของซัลไฟด์ได้ PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าและต้องการพื้นที่ผิวมากขึ้น แต่ทนทานต่อการปนเปื้อนของน้ำทะเลและความเร็วการไหลทั้งหมด
การตัดสินใจเลือกควรขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์เฉพาะของโรงงาน-ที่รวมต้นทุนทุน ค่าติดตั้ง ค่าบำรุงรักษา และความเสี่ยงต่อการสูญเสียจากการผลิต แบบจำลองสเปรดชีตอย่างง่ายที่มีส่วนประกอบต้นทุนเหล่านี้จะให้ข้อมูลที่จำเป็นในการตัดสินใจ
สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกการแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำทะเลที่ประเมินตัวเลือกการแลกเปลี่ยนความร้อน การเลือกวัสดุควรขึ้นอยู่กับต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของตลอดอายุการใช้งานที่คาดหวัง ไม่ใช่แค่ต้นทุนทุนหรือประสิทธิภาพเชิงความร้อน ยูนิตอะลูมิเนียมบรอนซ์ที่มีต้นทุนทุนต่ำกว่าอาจมีต้นทุนตลอดอายุการใช้งานที่สูงขึ้น หากน้ำทะเลมีการปนเปื้อนและจำเป็นต้องเปลี่ยนยูนิตบ่อยครั้ง
วิศวกรอุปกรณ์และผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่ประเมินข้อกำหนดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนในทะเลหรือบริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ สามารถขอการตรวจสอบการออกแบบที่ครอบคลุมเคมีของน้ำทะเล อุณหภูมิในการทำงาน ความเร็วการไหล ความดันในการทำงาน และข้อจำกัดด้านพื้นที่ เพื่อยืนยันว่าการเลือกวัสดุนั้นตรงกับเงื่อนไขการบริการจริงและโครงสร้างต้นทุนของโรงงาน
