Svazek PTFE trubek a ocelový plášť jsou tepelné protiklady. Když je přiváděna horká procesní kapalina, polymerní trubky mají tendenci se výrazně prodlužovat -roztahovat se jako pružná tyč-, zatímco obklopující plášť z uhlíkové oceli zůstává poměrně tuhý. Pokud jsou oba konce trubek pevně upevněny v konvenční pevné{4}}konfiguraci trubkovnice, může výsledný nesoulad napětí překročit limity spojů a vést k úniku nebo mechanickému selhání. S výměníkem tepla je proto třeba zacházet jako s dynamickým mechanickým systémem, kde je řízený pohyb záměrnou součástí návrhu.
Pochopení rozdílné tepelné roztažnosti v systémech PTFE – ocel
Kořen problému návrhu spočívá ve velkém nesouladu v koeficientech tepelné roztažnosti:
PTFE: přibližně120 × 10⁻⁶ / stupeň
Uhlíková ocel: přibližně12 × 10⁻⁶ / stupeň
To představuje zhruba adesetinásobný rozdílv expanzním chování. Při cyklování teplot se PTFE trubky pokoušejí expandovat mnohem více, než může ocelový plášť pojmout. Postupem času tato diferenciální expanze zavádí axiální napětí, ohybové napětí ve spojích trubek-k{3}}trubkových plechů a potenciální poškození únavou v tuhých omezeních.
Termíndiferenciální expanze PTFE svazek ocelová skořepinase stává ústředním při řešení této mechanické nekompatibility, protože přizpůsobení relativnímu pohybu je primárním konstrukčním požadavkem.
Konfigurace U-trubice jako primární řešení
Nejrozšířenějším řešením pro výměníky na bázi PTFE-je uspořádání U-trubic.
V této konfiguraci:
Oba konce trubek jsou upevněny do jedné trubkovnice
Trubky jsou ohnuty do tvaru U-a tvoří flexibilní vratné nohy
Svazek se může volně roztahovat a smršťovat ve skořápce
Tepelná roztažnost je absorbována pružnou deformací po délce trubky spíše než v tuhých spojích. Každá trubka se chová jako nezávislý pružinový prvek, který postupně rozděluje tepelné napětí podél své geometrie.
Konstrukce nesmí držet pružný plast v pevné ocelové krabici; musí poskytovat prostor pro pohyb a relaxaci tepelné zátěže.
U-trubkové systémy jsou zvláště účinné tam, kde:
Dochází k vysokému tepelnému cyklování
PTFE trubky se používají v chemicky agresivním provozu
Přístup k údržbě je omezený
Konstrukce plovoucí hlavy pro kontrolovaný axiální pohyb
Druhým zavedeným řešením je výměník s plovoucí hlavou.
V této konfiguraci:
Jedna trubkovnice je pevně připevněna k plášti
Opačná trubkovnice se může axiálně pohybovat
Utěsněná sestava plovoucí hlavy udržuje procesní oddělení
Tepelná roztažnost svazku PTFE je zajištěna řízeným klouzáním plovoucí hlavy v plášti. To umožňuje, aby se svazek trubek podélně roztahoval, aniž by došlo k nadměrnému namáhání spojů trubek-k-trubkovce.
Konstrukce plovoucí hlavy nabízí:
Dobrá kompenzace tepelné roztažnosti
Snadnější vyjmutí svazku pro údržbu
Vylepšená mechanická izolace mezi bočním pnutím pláště a trubky-
Obvykle se však zavádí složitost těsnění a vyšší mechanické náklady.
Řešení dilatačních spojů pro konstrukce s pevnými trubkovnicemi
Třetí přístup zahrnuje zachování pevné konfigurace trubkovnice při zavádění kovového dilatačního spoje do ocelového pláště.
V tomto designu:
Trubky zůstávají pevně upevněny na obou koncích
V těle skořepiny je instalován-dilatační spoj ve stylu měchu
Délka pláště se může ohnout v reakci na expanzi svazku trubek
Tato metoda se pokouší absorbovat nesoulad externě spíše než uvnitř samotného svazku trubek. Platí však několik technických omezení:
Dilatační spára se stává aúnava-kritická součást
Cyklické tepelné zatížení může výrazně snížit životnost
Zvyšuje se citlivost zarovnání
Požadavky na údržbu jsou vyšší ve srovnání se systémy U-trubice nebo plovoucí hlavy
U systémů PTFE s velkými rozdíly tepelné roztažnosti je toto řešení obecně považováno za sekundární nebo specifické pro aplikaci.
Mechanické konstrukční důsledky
Efektivní konstrukce PTFE výměníku vyžaduje vyvážení:
Akomodace tepelné zátěže
Spolehlivost těsnění
Odolnost proti mechanické únavě
Přístupnost údržby
Díky vysokému koeficientu tepelné roztažnosti PTFE jsou konstrukce s pevným omezením ze své podstaty nevhodné. Jakákoli konfigurace musí umožňovat relativní pohyb mezi polymerními a kovovými součástmi při zachování nepropustnosti-těsnosti.
Závěr
Přizpůsobení masivní rozdílné tepelné roztažnosti mezi PTFE a ocelí je základním požadavkem mechanické konstrukce v konstrukci tepelných výměníků z PTFE. Tento problém se obvykle řeší pomocí konfigurací U-trubice nebo plovoucí hlavy, které umožňují kontrolovaný pohyb a uvolnění napětí ve svazku trubek.
Nejspolehlivější konstrukce výměníku je ta, která neodolává tepelnému pohybu, ale místo toho umožňuje jeho komponentám volně se roztahovat a smršťovat za provozních podmínek.
