ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจากก๊าซเป็นก๊าซร้อน ท่อ PTFE สามารถเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ร้อยองศาหรือมากกว่าระหว่างการสตาร์ทขณะเครื่องเย็นและการทำงานเต็มรูปแบบ ทำให้ท่อพลาสติกที่ยาวและยืดหยุ่นขยายตัวได้อย่างมากทั้งความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลาง หากรูในแผ่นกั้นรองรับแบบแข็งได้รับการกลึงด้วยระยะห่างอุณหภูมิห้องที่แน่นหนา ท่อที่ขยายจะถูกบังคับให้แนบกับขอบแข็ง มัด และอาจเกิดการบดหรือถูกตัด การเลือกระยะห่างของมิติความเย็นที่ถูกต้องเป็นการคำนวณการออกแบบที่สำคัญเพื่อป้องกันการจับตัวของความร้อน
บทความนี้จะอธิบายวิธีการพิจารณาความเหมาะสมการกวาดล้างท่อทำให้ยุ่งเหยิง บริการแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFEต้องใช้ โดยคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่สูงของ PTFE และการไล่ระดับอุณหภูมิที่รุนแรงตามแบบฉบับของการใช้งานด้านการจัดการก๊าซ
เหตุใดท่อ PTFE จึงขยายตัวมากกว่าแผ่นกั้นโลหะ
ความแตกต่างอย่างมากในการขยายตัวทางความร้อน
PTFE มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ประมาณสิบเท่าของเหล็กกล้าไร้สนิม ค่าทั่วไป:
PTFE: 120–200 × 10⁻⁶ / องศา (ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิและการวางแนว)
สแตนเลส (304/316): 16–18 × 10⁻⁶ / องศา
สำหรับท่อ PTFE ที่ทำงานที่ 200 องศา (เริ่มต้นโดยรอบที่ 20 องศา , ΔT=180 องศา ) การขยายตัวในแนวรัศมีของท่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 20 มม. คือ:
Δ�=�0⋅���⋅Δ�=20×150×10−6×180µsµm 0.54 มม.ΔD=D0⋅ PTFE⋅ΔT=20×150×10−6×180γ0.54 มม.
การขยายตัวที่สอดคล้องกันของรูแผ่นกั้นสเตนเลสสตีลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นเท่ากันคือ:
Δ�ℎ���=20×17×10−6×180γ0.06 มม.Δรูรู=20×17×10−6×180γ0.06 มม.
ความแตกต่างสุทธิของการขยายตัวในแนวรัศมี (ท่อเทียบกับรู) อยู่ที่ประมาณ 0.48 มม. หากระยะห่างจากอุณหภูมิห้องเพียง 0.2 มม. ท่อจะถูกบีบอัดกับรูแผ่นกั้นที่อุณหภูมิการทำงาน ซึ่งส่งผลให้เกิดการยึดเกาะ แรงเสียดทานสูง และอาจเกิดการบดอัดของผนังท่อ
ผลที่ตามมาของการกวาดล้างไม่เพียงพอ
เมื่อบีบท่อ PTFE กับรูแผ่นกั้นที่แข็ง-โดยเฉพาะท่อโลหะ- ความเสียหายต่อไปนี้อาจเกิดขึ้นได้:
การผูกและการโก่งท่อ– ท่อไม่สามารถเลื่อนผ่านแผ่นกั้นได้อย่างอิสระ ทำให้เกิดการบีบอัดตามแนวแกนและการโก่งงอระหว่างส่วนรองรับ
การตัดหรือการเสียดสี– ขอบคมของแผ่นกั้นโลหะสามารถเฉือน PTFE อ่อนตัวได้ที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดการรั่วไหล
คืบคลานเสียรูป– แรงดันในแนวรัศมีคงที่จากรูที่แน่นเกินไปทำให้ท่อคืบคลานเป็นรูปวงรี ลดพื้นที่การไหลอย่างถาวรและเพิ่มความต้านทานความร้อน
ท่อที่เย็นและหลวมต้องได้รับอนุญาตให้เติบโตเป็นท่อที่กระชับแต่อิสระ และพอดีได้เมื่อร้อน เช่น ลูกสูบในกระบอกสูบ ระยะห่างที่ถูกต้องช่วยให้แน่ใจว่าที่อุณหภูมิใช้งาน ท่อจะจูบรูแผ่นกั้นโดยไม่ถูกบีบ
วิธีการคำนวณระยะห่างจากความเย็นที่ต้องการ
ขั้นตอนที่ 1: กำหนดอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของพื้นผิวท่อ
ในตัวแลกเปลี่ยนก๊าซเป็นก๊าซ โดยทั่วไปอุณหภูมิผนังท่อจะใกล้เคียงกับค่าเฉลี่ยของกระแสก๊าซร้อนและเย็น อย่างไรก็ตาม จุดร้อนในท้องถิ่นอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการกระจายตัวของการไหลไม่ถูกต้อง ควรใช้อุณหภูมิพื้นผิวท่อสูงสุดที่คาดหวังสำหรับการคำนวณการขยาย สำหรับแนวคิดอนุรักษ์นิยม นักออกแบบจำนวนมากใช้อุณหภูมิก๊าซร้อนที่เข้ามาเป็นอุณหภูมิท่อที่แย่ที่สุด
ขั้นตอนที่ 2: คำนวณการขยายตัวในแนวรัศมีของท่อ
ใช้สูตรข้างต้น คำนวณการเพิ่มขึ้นของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อจากอุณหภูมิอ้างอิง (ปกติคือ 20 องศา ) จนถึงอุณหภูมิการทำงานสูงสุด ใช้ช่วงบนของ CTE ของ PTFE (เช่น 180–200 × 10⁻⁶ / องศา ) เพื่อความปลอดภัย
ขั้นตอนที่ 3: คำนวณการขยายตัวในแนวรัศมีของ Baffle Hole
วัสดุแผ่นกั้น-โดยทั่วไปแล้วจะเป็นสแตนเลส เหล็กคาร์บอน หรือโลหะบุขอบ-จะขยายตัวน้อยกว่ามาก ส่วนขยายจะถูกลบออกจากส่วนขยายของท่อเพื่อให้เกิดการรบกวนในแนวรัศมีสุทธิ ถ้าระยะห่างของอุณหภูมิห้องเป็นศูนย์
ขั้นตอนที่ 4: เลือกระยะห่างจากความร้อนขั้นต่ำ
ที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด การสวมแบบเลื่อนแบบไม่ยึดติดต้องมีระยะห่างเส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำ สำหรับท่อ PTFE โดยทั่วไปจะมีระยะห่างจากความร้อน 0.2–0.5 มม. (ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) เพื่อให้แน่ใจว่าท่อไม่ถูกบีบอัดในแนวรัศมี
ขั้นตอนที่ 5: ย้อนกลับ คำนวณระยะห่างจากอุณหภูมิห้องที่ต้องการ
การกวาดล้างความเย็นที่ต้องการ (เส้นผ่านศูนย์กลาง) คือ:
�����=�ℎ��+(Δ�����−Δ�ℎ���)Ccold=Chot+(ΔDtube−ΔDhole)
สำหรับตัวอย่างด้านบน (ท่อ OD 20 มม., ΔT=180 องศา , เป้าหมายระยะห่างจากความร้อน=0.3 มม.):
�����=0.3+(0.54−0.06)=0.78 มม.เย็น=0.3+(0.54−0.06)=0.78 มม.
ดังนั้น ควรเจาะรูแผ่นกั้นให้ใหญ่กว่าท่อเย็น OD 0.78 มม. ซึ่งมีความพอดีที่หลวมกว่าระยะห่าง 0.2–0.3 มม. ที่โดยทั่วไปใช้สำหรับบริการของเหลวที่อุณหภูมิต่ำ
แนวทางการออกแบบสำหรับตัวแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFE
ช่วงการกวาดล้างที่แนะนำ
| ท่อ OD (มม.) | อุณหภูมิใช้งานสูงสุด (องศา) | ระยะห่างเส้นผ่านศูนย์กลางความเย็นที่แนะนำ (มม.) |
|---|---|---|
| 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 |
ค่าเหล่านี้ถือว่าแผ่นกั้นทำจากสแตนเลสและมีระยะห่างจากความร้อน 0.3–0.5 มม. สำหรับท่อ PFA (CTE ต่ำกว่าเล็กน้อย) สามารถลดระยะห่างลงได้ 10–15%
การแลกเปลี่ยน: การสนับสนุนน้อยลงเมื่อเย็น
ระยะห่างจากอุณหภูมิห้องที่หลวมขึ้นหมายความว่าท่อได้รับการรองรับน้อยลงเมื่อตัวแลกเปลี่ยนเย็นหรือในระหว่างการสตาร์ท สิ่งนี้สามารถนำไปสู่:
เพิ่มการสั่นสะเทือนของท่อในระหว่างสภาวะการไหลต่ำหรือชั่วคราว
หน้าสัมผัสระหว่างท่อต่อท่อที่เป็นไปได้ (หากระยะห่างมากเกินไป)
มัดมัดท่อไม่ตรงเล็กน้อยระหว่างการประกอบ
โดยทั่วไปปัญหาเหล่านี้เป็นที่ยอมรับได้เนื่องจากตัวแลกเปลี่ยนใช้เวลาส่วนใหญ่ของอายุการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ซึ่งท่อที่ขยายออกจะได้รับการรองรับอย่างแน่นหนา เพื่อลดความเสี่ยงจากการสั่นสะเทือนด้วยความเย็น คุณสามารถเพิ่มแผ่นกั้นตรงกลางหรือแถบป้องกันการสั่นสะเทือนเพิ่มเติมได้ หรืออาจจำกัดท่อเล็กน้อยที่แผ่นท่อ
การเลือกวัสดุแผ่นกั้น: โลหะกับฟลูออโรโพลีเมอร์
วัสดุของแผ่นกั้นมีอิทธิพลต่อระยะห่างที่ต้องการ:
แผ่นกั้นโลหะ (สแตนเลส, Hastelloy)– มีความแข็งสูง ขอบคม ต้องมีระยะห่างที่ใหญ่ที่สุดเนื่องจากไม่เป็นไปตามหรือสอดคล้องกับท่อที่ขยาย แผ่นกั้น PFA หรือ PTFE แบบอ่อนให้การชดเชยมากกว่าแผ่นโลหะ
แผ่นกั้นโลหะเรียงราย– ซับใน PTFE ช่วยให้พื้นผิวลูกปืนนุ่มนวลขึ้น ลดความเสี่ยงในการตัด ระยะห่างสามารถลดลงได้เล็กน้อย (ประมาณ 10–20%) เนื่องจากซับในสามารถเปลี่ยนรูปได้อย่างยืดหยุ่น
แผ่นกั้น PTFE หรือ PFA ที่เป็นของแข็ง– ขยายตัวได้เกือบเท่ากับตัวท่อ การขยายตัวส่วนต่างระหว่างท่อและแผ่นกั้นมีขนาดเล็ก ดังนั้นจึงสามารถใช้ระยะห่างเย็นที่แน่นมากขึ้น (0.2–0.4 มม.) ได้ อย่างไรก็ตาม แผ่นกั้นฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งมีความแข็งน้อยกว่าและอาจเบี่ยงเบนไปภายใต้ความเร็วของก๊าซสูง ดังนั้นจึงไม่เหมาะกับบริการก๊าซทุกประเภท
มาตรฐาน TEMA และ PTFE
สมาคมผู้ผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ (TEMA) จัดให้มีช่องว่างมาตรฐานจากท่อถึงแผ่นกั้นสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นโลหะ สำหรับท่อสเตนเลส ระยะห่างโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.4 มม. สำหรับท่อขนาดเล็ก จนถึง 1.2 มม. สำหรับท่อขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม TEMA ไม่ได้ครอบคลุมท่อ PTFE โดยตรง เนื่องจากพฤติกรรมการขยายตัวของท่อมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน
สำหรับตัวแลกเปลี่ยน PTFE ในบริการก๊าซอุณหภูมิสูง จำเป็นต้องมีค่าเผื่อที่คำนวณไว้โดยเฉพาะ ผู้ออกแบบมักจะอ้างอิงถึงมาตรฐานของบริษัทหรือแนวปฏิบัติเกี่ยวกับตัวแลกเปลี่ยนฟลูออโรโพลีเมอร์ (เช่น จากผู้ผลิต เช่น DuPont หรือ Chemours) แทนที่จะพึ่งพา TEMA เพียงอย่างเดียว แนวทางอนุรักษ์นิยมคือการใช้ระยะห่าง TEMA สำหรับท่อโลหะเป็นพื้นฐาน จากนั้นจึงเพิ่มการขยายส่วนต่างสุทธิระหว่าง PTFE และเหล็กกล้า
ตัวอย่างการปฏิบัติ: การระบุระยะห่างสำหรับบริการแก๊ส 200 องศา
ที่ให้ไว้:ท่อ PTFE OD 25 มม. แผ่นกั้นจากสแตนเลส 316 อุณหภูมิแก๊สสูงสุด 200 องศา ค่าอ้างอิงโดยรอบ 20 องศา
การคำนวณ:
∆T=180 องศา
CTE PTFE หยาบคาย 160 × 10⁻⁶ / องศา (ช่วงกลางสำหรับ 20–200 องศา )
เหล็ก CTE ทรงกลม 17 × 10⁻⁶ / องศา
ΔD_tube=25 × 160e-6 × 180=0.72 มม
ΔD_รู=25 × 17e-6 × 180=0.077 มม
การขยายตัวส่วนต่างสุทธิ=0.72 – 0.077=0.643 มม
เป้าหมายระยะห่างจากความร้อน=0.4 มม. (สำหรับ OD 25 มม.)
ระยะห่างจากความเย็นที่ต้องการ=0.4 + 0.643=1.043 มม. (เช่น 1.0–1.1 มม.)
ข้อกำหนดในการวาดภาพ:เส้นผ่านศูนย์กลางรูแผ่นกั้น=OD ท่อ (เย็น) + 1.0 มม. ที่อุณหภูมิห้อง ความพอดีจะหลวมมาก ที่ 200 องศา ท่อจะขยายออกเพื่อเติมช่องว่าง โดยให้การสนับสนุนโดยไม่มีการผูกมัด
สรุป: การออกแบบสำหรับการบวมเนื่องจากความร้อน
ระยะห่างที่ดูเรียบง่ายระหว่างท่อและแผ่นกั้นเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในตัวแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFE- ซึ่งเป็นรายละเอียดที่ป้องกันการล็อคความร้อนแบบทำลายล้าง เนื่องจาก PTFE ขยายตัวได้มากกว่าสเตนเลสประมาณสิบเท่า การเว้นระยะห่างจากอุณหภูมิห้องที่ใช้กับของเหลวจะทำให้เกิดการยึดเกาะและท่อเสียหายในการใช้งานแก๊สที่อุณหภูมิสูง ด้วยการคำนวณการขยายตัวในแนวรัศมีของท่อและรูแผ่นกั้น จากนั้นเพิ่มระยะห่างในการทำงานที่ร้อนที่เหมาะสม จึงสามารถระบุระยะห่างความเย็นที่ถูกต้องได้ เครื่องที่ร้อนต้องได้รับการออกแบบเพื่อรองรับการบวมของตัวเอง ในเครื่องแลกเปลี่ยนก๊าซ PTFE ระยะห่างระหว่างท่อถึงแผ่นกั้นที่กว้างไม่ได้บ่งบอกถึงฝีมือการผลิตที่เลอะเทอะ มันเป็นเครื่องหมายของวิศวกรรมความร้อนที่รอบคอบ
