ค่าเผื่อการขยายตัวทางความร้อนจะป้องกันความเครียดของแผ่นท่อแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ได้อย่างไร

การขยายส่วนต่างที่สร้างความเค้นของแผ่นท่อ

โรงงานแปรรูปทางเคมีดำเนินการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือก PTFE-และ-แบบท่อพร้อมมัดท่อขนาด 1.5 ม. ของเหลวในกระบวนการได้รับความร้อนจาก 25 องศาถึง 90 องศา และของเหลวบริการคือไอน้ำที่ 120 องศา มัดท่อได้รับการแก้ไขที่ปลายทั้งสองข้างในแผ่นท่อที่ยึดเข้ากับเปลือก

ท่อ PTFE ขยายตัวประมาณ 12 × 10⁻⁵ / องศา สำหรับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 65 องศา การขยายตัวอย่างอิสระของท่อ 1.5 ม. จะอยู่ที่ประมาณ 11.7 มม. เปลือกเหล็กคาร์บอนจะขยายตัวประมาณ 1.2 × 10⁻⁵ / องศา ซึ่งเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากันจะอยู่ที่ประมาณ 1.2 มม. การขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างท่อและเปลือกจะอยู่ที่ประมาณ 10.5 มม.

หากมัดมัดท่อได้รับการแก้ไขที่ปลายทั้งสองข้าง การขยายส่วนต่างนี้จะถูกจำกัด ท่อถูกบังคับให้บีบอัด และแผ่นท่อถูกบังคับให้โค้งงอ ความเค้นอัดในท่อและความเค้นดัดงอในแผ่นท่ออาจเกินความแข็งแรงของ PTFE โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ข้อต่อท่อ-ถึง-แผ่นท่อซึ่งมีความเข้มข้นของความเค้นสูงที่สุด

ความเครียดที่พัฒนาโดยไม่มีเบี้ยเลี้ยง

ความเค้นอัดในท่อที่มีข้อจำกัดกำหนดโดย σ=E × × ΔT โดยที่ E คือโมดูลัสของความยืดหยุ่น คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับ PTFE ที่ 90 องศา โมดูลัสจะอยู่ที่ประมาณ 300 MPa ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวคือ 12 × 10⁻⁵ / องศา และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิคือ 65 องศา ความเค้นอัดอยู่ที่ประมาณ 23.4 MPa

ความต้านทานแรงดึงของ PTFE ที่ 90 องศาอยู่ที่ประมาณ 12–15 MPa ความเค้นอัดที่ 23.4 MPa เกินความต้านทานแรงดึง ซึ่งหมายความว่าท่อจะโค้งงอหรือข้อต่อแผ่นท่อจะเสียหาย

ความเค้นดัดงอในแผ่นท่อขึ้นอยู่กับความหนาของแผ่นท่อและขนาดของการขยายตัวส่วนต่าง สำหรับแผ่นท่อขนาด 20 มม. ที่มีการขยายส่วนต่าง 10.5 มม. ความเค้นดัดสามารถเกิน 20 MPa ซึ่งสูงกว่าค่าความเค้นที่อนุญาตสำหรับ PTFE ที่อุณหภูมิสูง

ตัวเลือกเผื่อการขยายตัวทางความร้อน

ตัวเลือกการออกแบบหลายแบบให้ค่าเผื่อการขยายตัวเนื่องจากความร้อนซึ่งป้องกันความเครียดของแผ่นท่อ

แผ่นท่อลอยน้ำแผ่นท่อหนึ่งแผ่นได้รับอนุญาตให้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามส่วนขยายของท่อ ในขณะที่อีกแผ่นหนึ่งยึดติดกับเปลือก แผ่นท่อลอยถูกปิดผนึกด้วยที่สูบลมแบบยืดหยุ่นหรือซีลแบบเลื่อนที่รองรับการเคลื่อนไหวโดยไม่รั่วซึม การออกแบบแบบลอยตัวช่วยขจัดข้อจำกัดตามแนวแกนบนท่อ และลดความเค้นของแผ่นท่อได้ 70–80%

ข้อต่อขยายในเปลือกข้อต่อขยายของเครื่องสูบลมที่ติดตั้งอยู่ในเปลือกทรงกระบอกช่วยให้เปลือกขยายและหดตัวโดยไม่ขึ้นอยู่กับท่อ ข้อต่อขยายจะดูดซับการเคลื่อนที่ของส่วนต่างและลดความเค้นที่แผ่นท่อและการเชื่อมต่อหัวฉีด

U-มัดท่อท่อจะงอเป็นรูปตัว U- และปลายทั้งสองข้างเชื่อมต่อกับแผ่นท่อแผ่นเดียว การโค้งงอตัว U- ช่วยให้ท่อขยายและหดตัวได้อย่างอิสระโดยไม่สร้างแรงกดดันต่อแผ่นท่อ การออกแบบท่อ U- ช่วยลดความเครียดในการขยายตัวที่แตกต่างกัน แต่ต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางเปลือกที่ใหญ่กว่าสำหรับพื้นที่ผิวเดียวกัน

รองรับการเลื่อนมัดท่อได้รับการรองรับโดยตัวรองรับแบบเลื่อนที่ช่วยให้สามารถเคลื่อนที่ตามแนวแกนได้ในขณะที่ให้การรองรับในแนวรัศมี ส่วนรองรับแบบเลื่อนรองรับการขยายตัวส่วนต่างโดยไม่สร้างความเครียดบนแผ่นท่อ

ข้อต่อท่อแบบยืดหยุ่น-ถึง-แผ่นท่อข้อต่อแผ่นท่อ-ถึง-ได้รับการออกแบบให้มีการเปลี่ยนผ่านที่ยืดหยุ่นซึ่งรองรับการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกันระหว่างท่อและแผ่น ข้อต่อแบบยืดหยุ่นช่วยลดความเข้มข้นของความเค้นและช่วยให้ท่อขยายตัวได้โดยไม่ทำให้ข้อต่อแตก

การเปรียบเทียบตัวเลือกการขยายความร้อน

ตารางต่อไปนี้สรุปการลดความเครียดและต้นทุนสำหรับตัวเลือกการขยายความร้อนที่แตกต่างกันในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE พร้อมมัดท่อขนาด 1.5 ม. และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 65 องศา

การลดความเครียดจะสัมพันธ์กับการกำหนดค่าคงที่- เบี้ยประกันภัยต้นทุนทุนคือเปอร์เซ็นต์ที่เพิ่มขึ้นจากการกำหนดค่าพื้นฐาน อายุการใช้งานของแผ่นท่อที่คาดไว้ถือว่ามีการติดตั้งและบำรุงรักษาที่เหมาะสม

การคำนวณค่าเผื่อการขยายตัวทางความร้อน

ค่าเผื่อการขยายตัวเนื่องจากความร้อนคำนวณจากการขยายตัวส่วนต่างระหว่างท่อและเปลือก การคำนวณดำเนินการดังนี้

การขยายตัวอย่างอิสระของท่อคือ ΔL_tube= _tube × L × ΔT_tube การขยายตัวอย่างอิสระของเชลล์คือ ΔL_shell= _shell × L × ΔT_shell การขยายตัวส่วนต่างคือ ΔL_diff=ΔL_tube − ΔL_shell

สำหรับกรณีตัวอย่าง ΔL_tube=12 × 10⁻⁵ × 1,500 × 65=11.7 มม. และ ΔL_shell=1.2 × 10⁻⁵ × 1,500 × 65=1.2 มม. การขยายตัวส่วนต่างคือ 10.5 มม.

ค่าเผื่อจะต้องรองรับการขยายตัวส่วนต่างโดยมีส่วนเผื่อสำหรับความไม่แน่นอนของอุณหภูมิและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว โดยทั่วไปจะใช้ระยะขอบ 20–30% ซึ่งให้ระยะเผื่อ 12.6–13.7 มม.

ค่าเผื่อนี้มาจากการเคลื่อนที่ของแผ่นท่อลอย ระยะชักของข้อต่อขยาย หรือความยืดหยุ่นในการโค้งงอ U- ต้องระบุค่าเบี้ยเลี้ยงในเอกสารการจัดซื้อและตรวจสอบเมื่อติดตั้ง

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อค่าเผื่อ

ค่าเผื่อการขยายเนื่องจากความร้อนขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิในการทำงาน ช่วงอุณหภูมิที่ใหญ่ขึ้นต้องเผื่อเผื่อไว้มากขึ้น

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานตั้งแต่ 25 องศา ถึง 90 องศา ช่วงอุณหภูมิอยู่ที่ 65 องศา และค่าเผื่อ 10.5 มม. สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานตั้งแต่ 25 องศา ถึง 150 องศา ช่วงอุณหภูมิคือ 125 องศา และค่าเผื่อคือ 20.2 มม. สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานตั้งแต่ 25 องศา ถึง 200 องศา ช่วงอุณหภูมิอยู่ที่ 175 องศา และค่าเผื่อ 28.3 มม.

ค่าเผื่อจะเพิ่มขึ้นเชิงเส้นตรงกับช่วงอุณหภูมิ การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนต้องรองรับช่วงอุณหภูมิที่ใหญ่ที่สุดที่คาดไว้ในการให้บริการ รวมถึงการสตาร์ท การปิดระบบ และสภาวะที่ไม่ปกติของกระบวนการ

คุณสมบัติการออกแบบที่ลดค่าเผื่อที่จำเป็น

คุณสมบัติการออกแบบหลายประการช่วยลดค่าเผื่อการขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่จำเป็น

มัดท่อสั้นกว่ามัดท่อที่สั้นกว่าจะมีการขยายตัวสัมบูรณ์น้อยกว่าสำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เท่ากัน มัดขนาด 1.0 ม. จะขยายได้ 7.8 มม. แทนที่จะเป็น 11.7 มม. เพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 65 องศา

อุณหภูมิในการทำงานต่ำลงอุณหภูมิการทำงานที่ต่ำลงจะช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการขยายตัว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานที่ 70 องศา แทนที่จะเป็น 90 องศา มีข้อกำหนดค่าเผื่อที่น้อยกว่า

วัสดุเปลือกค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่สูงขึ้นวัสดุเปลือกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวสูงกว่าจะช่วยลดการขยายตัวส่วนต่าง เปลือกสแตนเลสจะขยายตัวมากกว่าเปลือกเหล็กคาร์บอน ซึ่งช่วยลดส่วนต่าง

วัสดุท่อสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ต่ำกว่าวัสดุท่อที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำกว่าจะช่วยลดการขยายตัวส่วนต่าง สารประกอบ PTFE ที่เติมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำกว่า PTFE บริสุทธิ์เล็กน้อย

มัดท่อแบบแบ่งส่วนการแบ่งมัดท่อออกเป็นส่วนๆ โดยมีส่วนรองรับตรงกลางจะช่วยลดความยาวและการขยายตัวที่มีประสิทธิภาพ กลุ่มที่แบ่งส่วนต้องใช้ค่าเผื่อน้อยกว่า

พารามิเตอร์ข้อมูลจำเพาะสำหรับการขยายความร้อน

วิศวกรอุปกรณ์ที่ระบุตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ควรยืนยันพารามิเตอร์ต่อไปนี้กับซัพพลายเออร์

ช่วงอุณหภูมิระบุอุณหภูมิการทำงานสูงสุดและต่ำสุดและโปรไฟล์อุณหภูมิที่คาดหวัง

ความยาวท่อ.ระบุความยาวมัดท่อ

วัสดุท่อระบุวัสดุท่อและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

วัสดุเปลือก.ระบุวัสดุเปลือกและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

การขยายตัวที่แตกต่างกันระบุการขยายตัวส่วนต่างที่คำนวณได้ โดยอิงตามท่อและวัสดุเปลือก และช่วงอุณหภูมิ

อัตรากำไรขั้นต้นระบุส่วนเผื่อสำรอง แนะนำให้ใช้มาร์จิ้น 20–30%

ตัวเลือกเบี้ยเลี้ยงระบุตัวเลือกเบี้ยเลี้ยงตามการลดความเครียดที่ต้องการและต้นทุน

การยืนยันระบุวิธีการตรวจสอบค่าเผื่อในการติดตั้ง เช่น การตรวจสอบขนาดหรือการทดสอบการเคลื่อนไหว

การจับคู่ค่าเผื่อการขยายตัวทางความร้อนกับเงื่อนไขการบริการ

ค่าเผื่อการขยายตัวเนื่องจากความร้อนช่วยป้องกันความเครียดของแผ่นท่อที่ทำให้เกิดการแตกร้าว รอยรั่วของข้อต่อ และความล้มเหลวก่อนเวลาอันควรในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ค่าเผื่อคำนวณจากการขยายตัวส่วนต่างระหว่างท่อและเปลือก โดยมีระยะขอบสำหรับความไม่แน่นอน ค่าเผื่อนี้มาจากแผ่นท่อลอย ข้อต่อส่วนขยายในเปลือก มัดท่อ U- หรือคุณลักษณะเหล่านี้รวมกัน

ควรเลือกตัวเลือกเผื่อไว้ตามช่วงอุณหภูมิ ความยาวของท่อ และการลดความเค้นที่ต้องการ แผ่นท่อลอยช่วยลดความเค้นได้ 70–80% โดยมีค่าใช้จ่ายพรีเมียม 25% ชุดท่อ AU- ช่วยลดความเครียดได้ 90–95% โดยมีค่าใช้จ่ายพรีเมียม 30%

สำหรับโรงงานแปรรูปทางเคมีที่ประเมินตัวเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ควรระบุค่าเผื่อการขยายความร้อนในเอกสารการจัดซื้อและตรวจสอบเมื่อติดตั้ง การกำหนดค่าเริ่มต้นที่ผู้ผลิตให้มาอาจไม่รวมถึงค่าเผื่อที่เพียงพอ และความเค้นของแผ่นท่อที่เกิดขึ้นอาจทำให้เกิดความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

วิศวกรอุปกรณ์และผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่ประเมินข้อกำหนดเฉพาะของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการบริการที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมากสามารถขอการตรวจสอบการออกแบบที่ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิ ความยาวของท่อ วัสดุท่อ วัสดุเปลือก การขยายส่วนต่าง และตัวเลือกเผื่อเพื่อยืนยันว่าหน่วยสอดคล้องกับเงื่อนไขการบริการจริงและข้อกำหนดการขยายเนื่องจากความร้อนของโรงงาน