El repte del deure intermitent
Un procés químic per lots escalfa un reactor de 25 a 85 graus durant 30 minuts, es manté a la temperatura durant 2 hores, després es refreda i es repeteix. El vapor s'encén i s'apaga de 6 a 8 vegades per torn de 24 hores. Durant un any, l'intercanviador de calor experimenta entre 2.000 i 3.000 cicles tèrmics complets entre temperatura ambient i 143 graus de saturació de vapor.
Els intercanviadors de calor metàl·lics en servei intermitent pateixen múltiples mecanismes de degradació. Les esquerdes de fatiga tèrmica s'inicien a les soldadures i concentracions d'esforç. El condensat que s'acumula a la bobina durant el cicle d'apagat provoca corrosió al costat del vapor. L'admissió ràpida de vapor durant l'inici crea un cop d'ariet a mesura que el vapor es condensa violentament als tubs freds i plens de condensat-.
Els intercanviadors de calor de PTFE s'apropen al servei intermitent amb respostes de materials fonamentalment diferents. El fluoropolímer flexible s'adapta a l'expansió tèrmica sense acumular danys per fatiga. La superfície no-corrosiva no es degrada durant l'exposició al condensat. La baixa conductivitat tèrmica modera la violència de la interacció del vapor-condensat durant l'inici.
La diferència de resistència a la fatiga
La fatiga tèrmica dels metalls és un procés de dany acumulat. Cada cicle d'escalfament imposa una tensió plàstica compressiva a mesura que el metall s'expandeix contra les restriccions. Cada cicle de refrigeració imposa una tensió de tracció a mesura que el metall es contrau. La tensió plàstica alterna, fins i tot a nivells per sota del límit elàstic, acumula danys a nivell microestructural. Després de milers de cicles, les esquerdes s'inicien als punts de concentració de tensió-soldadura, corbes i connexions.
El PTFE respon viscoelàsticament al cicle tèrmic. Les cadenes de polímer llisquen i es reorganitzen per acomodar l'expansió i la contracció sense acumular danys permanents. A nivells de tensió inferiors al 2%-que inclou l'expansió tèrmica d'una bobina de PTFE amb un suport adequat-, el material funciona en un règim elàstic on no es produeix dany cíclic. Els 2.000-3.000 cicles per any de servei intermitent estan dins de la capacitat de resistència del PTFE.
| Paràmetre de fatiga | Bobina d'acer inoxidable | Bobina de titani | Intercanviador de calor de PTFE |
|---|---|---|---|
| Deformació cíclica per cicle tèrmic | 0,1-0,3% (plàstic) | 0,1-0,2% (plàstic) | 1,5-2,0% (viscoelàstic) |
| Règim de tensió | Fatiga de cicle baix- | Fatiga de cicle baix- | Elàstic (per sota del límit de resistència) |
| Llocs d'inici de crack | Soldadures, concentracions d'esforços | Soldadures, concentracions d'esforços | Cap (sense soldadures, sense concentracions de tensió) |
| Cicles fins a l'inici de crack | 500-2,000 | 1,000-3,000 | >100.000 (sense mecanisme de crack) |
| Vida útil en servei intermitent (anys) | 1-3 | 2-5 | 10+ |
Gestió de condensats durant els cicles d'apagat
Quan el vapor s'atura, la bobina de PTFE es refreda. El condensat residual queda dins dels tubs. En una bobina metàl·lica, aquest condensat estancat provoca corrosió-l'oxigen dissolt en el condensat ataca la superfície metàl·lica i es formen cèl·lules de concentració a la interfície aire-aigua. Els productes de corrosió contaminen el condensat i eventualment apriman la paret del tub.
El PTFE no es corroeix en el condensat estancat. El condensat pot quedar-se als tubs durant hores o dies durant una parada prolongada sense cap degradació superficial. No hi ha cap producte de corrosió que contamini el condensat quan es reingressa el vapor. El condensat drenat de la bobina durant el següent cicle de calefacció és tan net com el vapor que l'ha produït.
El disseny adequat del drenatge segueix sent important. La bobina ha d'estar inclinada per drenar completament durant parades prolongades si la congelació és un risc. Però per als cicles curts de servei intermitent, no es requereix un drenatge complet entre cicles per a la protecció contra la corrosió-només per a una resposta ràpida d'arrencada.
Protecció de xoc tèrmic d'arrencada
Quan s'admet vapor a una bobina de PTFE freda, el vapor es condensa ràpidament a les parets del tub fred. La condensació és menys violenta que en una bobina metàl·lica perquè la baixa conductivitat tèrmica del PTFE modera la velocitat de transferència de calor. La paret del tub s'escalfa gradualment i no a l'instant. El condensat es forma com una pel·lícula en lloc de col·lapsar les butxaques de vapor. Golpeig d'ariet-l'augment de pressió violent de les bombolles de vapor col·lapsades al condensat-es redueix significativament.
El cop d'ariet reduït protegeix no només la bobina de PTFE, sinó també la trampa de vapor, la vàlvula de control i la canonada de retorn del condensat. Els components del sistema de vapor que requereixen una substitució freqüent en servei intermitent de la bobina metàl·lica duren la seva vida útil completa quan estan protegits per la resposta amortida de la bobina de PTFE.
Resum
Un intercanviador de calor de PTFE funciona de manera fiable en servei intermitent amb 2.000-3.000 cicles tèrmics a l'any perquè el fluoropolímer viscoelàstic s'adapta a l'expansió cíclica sense acumulació de danys per fatiga, no es corroeix en el condensat estancat durant els cicles apagats i modera la violència de la condensació de vapor durant l'arrencada. La vida útil de 10+ anys elimina el cicle de substitució d'1 a 3 anys que requereixen les bobines metàl·liques en aquest mode de funcionament exigent.
El suport d'enginyeria per a la mida de l'intercanviador de calor de PTFE en aplicacions de servei intermitent està disponible després de l'enviament de perfils de temperatura de calefacció i refrigeració, freqüència de cicle, pressió de vapor i dades de vida útil actual de l'intercanviador de calor.
