Как выбрать правильный зазор между трубкой-и-перегородкой для теплообменника из ПТФЭ при работе с газом при высоких-температурах?

В теплообменнике горячего газа---газа колебания температуры трубок из ПТФЭ могут составлять сто градусов и более от холодного запуска до полной работы. Это приводит к тому, что длинные гибкие пластиковые трубки значительно увеличиваются в длине и ширине. Если отверстия в жестких опорных перегородках просверлены с малым зазором при комнатной температуре, расширяющиеся трубы будут прижиматься к твердым краям, застревать и, возможно, раздавливаться или разрезаться. Правильно определенный холодный зазор, являющийся важным расчетом конструкции, может предотвратить этот тепловой заедание.

В этой статье описывается, как правильно оценить зазор перегородки трубки, необходимый для работы с газом теплообменника из ПТФЭ, учитывая высокий коэффициент теплового расширения ПТФЭ и сильные температурные градиенты, обычно наблюдаемые в приложениях,-обрабатывающих газ.

Почему трубы из ПТФЭ расширяются больше, чем металлические перегородки
Большая разница в тепловом расширении
Коэффициент теплового расширения (КТР) ПТФЭ примерно в десять раз больше, чем у нержавеющей стали. Стандартные значения:

ПТФЭ: 120-200×10-6/градус (в зависимости от диапазона температур и ориентации)

Нержавеющая сталь (304/316) 16-18 x 10-6/градус

Для трубки из ПТФЭ, работающей при температуре 200 градусов (начальная температура окружающей среды 20 градусов, ΔT=180 градусов), радиальное расширение трубы с внешним диаметром 20 мм составляет:

Δ L= 0 ⋅ L 0 ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0,54 мм Δ D=D 0 ⋅ ПТФЭ ⋅ Δ T=20 × 150 × 10 − 6 × 180 ≈ 0,54 мм

Эквивалентное расширение отверстия в перегородке из нержавеющей стали того же первоначального диаметра составляет:

ΔDотверстие=20×17×10−6×180≈0,06 ммΔDотверстие=20×17×10−6×180≈0,06 мм

Чистая разница радиального расширения (трубка минус отверстие) составляет примерно 0,48 мм. Если зазор при комнатной температуре составляет всего 0,2 мм, трубка будет прижиматься к отверстию перегородки при рабочей температуре. Это приводит к зажиму, высоким силам трения и возможному разрушению стенки трубы.

Последствия недостаточного разрешения
Повреждения, которые могут возникнуть, когда трубка из ПТФЭ прижата к отверстию жесткой перегородки (особенно металлической перегородке), следующие:

Заедание и коробление трубы - Труба не может свободно перемещаться через перегородку, что приводит к осевому сжатию и короблению между опорами.

Порез или истирание - Острый край металлической перегородки может врезаться в размягченный ПТФЭ при высокой температуре и вызвать утечку.

Чрезмерное радиальное давление из-за слишком узкого отверстия приводит к тому, что трубка принимает овальную форму, что постоянно уменьшает площадь потока и увеличивает термическое сопротивление.

Холодная, свободно прилегающая трубка при нагревании должна расширяться до плотного, но свободного прилегания, как поршень в цилиндре. Правильный зазор таков, что при рабочей температуре трубка просто касается отверстия перегородки, не защемляясь.

Определение необходимого холодного зазора
ШАГ 1: НАХОДИМ МАКСИМАЛЬНУЮ РАБОЧУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ.
В газо---газообменнике температура стенки трубы обычно близка к среднему значению потоков горячего и холодного газа. Но поток может быть неравномерно распределен, что приведет к появлению локальных горячих участков. Расчеты расширения должны основываться на максимальной прогнозируемой температуре поверхности трубы. Консерватизм Многие проектировщики считают температуру входящего горячего газа наихудшей температурой трубы с точки зрения консерватизма.

Шаг 2: Определение радиального расширения трубки
Используя следующую формулу, рассчитайте увеличение наружного диаметра трубки от базовой температуры (обычно 20 градусов) до максимальной рабочей температуры. В целях безопасности используйте верхний предел КТР ПТФЭ (например, . 180-200 x 10^-6 /°C).

Шаг 3. Расчет радиального расширения перегородки
Материал перегородки, обычно нержавеющая сталь, углеродистая сталь или футерованный металл, расширяется гораздо меньше. Чистый радиальный натяг для нулевого зазора при температуре окружающей среды достигается за счет его расширения для уменьшения расширения трубы.

Шаг 4. Выберите минимальный зазор в горячих точках
Минимальный диаметральный зазор необходим для не-скользящей посадки при максимальной рабочей температуре. Типичный горячий зазор для трубок из ПТФЭ составляет от 0,2 до 0,5 мм (в зависимости от диаметра трубки). Это предотвращает радиальное сжатие трубки.

5. Рассчитайте требуемый температурный зазор-в помещении в обратном порядке.
Необходимый холодный зазор (диаметральный):

Ccold=Ch+(ΔDtube-ΔDhole) Chot=Ch+(ΔDtube-ΔDhole)

Для примера с трубкой наружным диаметром 20 мм, ΔT=180 градусов, заданным горячим зазором=0.3 мм:

=0.3+(0,54-0,06)=0.78 ммCхолод​=0.3+(0,54−0,06)=0.78 мм

Таким образом, отверстие перегородки должно быть на 0,78 мм больше внешнего диаметра холодной трубки. Это гораздо более свободная посадка, чем зазор 0,2–0,3 мм, обычно используемый для работы с жидкостями при низких-температурах.

«Критерии проектирования газовых теплообменников из ПТФЭ».
Рекомендуемые безопасные расстояния
Внешний диаметр трубки (мм) Макс. Рабочая температура (градусы) Рекомендуемый диаметральный зазор в холодном состоянии (мм)
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
Эти цифры основаны на использовании перегородок из нержавеющей стали и горячем зазоре 0,3–0,5 мм. Для трубок из ПФА зазор можно уменьшить на 10-15% (при несколько меньшем КТР).

Компромисс-Меньше поддержки в холодное время
Меньший зазор при комнатной температуре означает, что трубки менее эффективно поддерживаются, когда теплообменник холодный или при запуске. Это может привести к:

Повышенная вибрация трубки в условиях переходного режима или низкого расхода.

Возможен контакт трубок с трубками (если зазоры слишком велики)

Пучок трубок немного смещен во время установки.

Проблемы обычно терпимы, поскольку большую часть срока службы теплообменник проводит при повышенной температуре, при которой надутые трубки становятся плотно закрепленными. Чтобы снизить опасность холодной вибрации, можно добавить дополнительные промежуточные перегородки или антивибрационные полоски, либо трубки можно мягко зафиксировать на трубных решетках.

Выбор подходящего материала перегородки: металл или фторполимер.
Требуемый зазор зависит от материала перегородки:

Металлические перегородки (нержавеющая сталь, хастеллой) - Высокая жесткость, острые края. Требуется наибольший зазор, поскольку они не уступают место расширяющейся трубке и не соответствуют ей. Мягкая перегородка из PFA или PTFE более щадящая, чем металлическая перегородка.

Металлические перегородки с облицовкой - Облицовка из ПТФЭ обеспечивает более мягкую опорную поверхность, снижая вероятность порезов. Вкладыш упруго деформируется, поэтому зазор можно немного уменьшить (10-20%).

Перегородки из твердого ПТФЭ или ПФА. Они расширяются почти так же, как и сами трубы. Разница в расширении между трубкой и перегородкой невелика, поэтому можно использовать значительно меньший холодный зазор (0,2–0,4 мм). Однако перегородки из твердого фторполимера не так прочны и могут прогибаться при высоких скоростях газа, что делает их непригодными для всех газовых систем.

Стандарты TEMA и ПТФЭ
Металлические теплообменники имеют стандартные зазоры между трубами-до-перегородки, установленные Ассоциацией производителей трубчатых теплообменников (TEMA).. 0.4 мм для трубок небольшого размера и 1,2 мм для трубок большого размера – это обычный зазор для трубок из нержавеющей стали при экстремальных температурах. Однако TEMA не касается трубок из ПТФЭ напрямую, поскольку трубки из ПТФЭ расширяются совершенно по-другому.

Для теплообменника из ПТФЭ требуется определенный допуск на работу с высокотемпературным газом. Проектировщики следуют отраслевым стандартам или рекомендациям по проектированию теплообменников из фторполимеров (например, таких производителей, как DuPont или Chemours), а не только TEMA. Консервативный подход заключается в том, чтобы взять за основу зазор TEMA для металлических труб и добавить чистый дифференциальный коэффициент расширения между ПТФЭ и сталью.

Практический пример: определение зазора для подачи газа при температуре 200 градусов.
Трубки из ПТФЭ диаметром 25 мм, перегородки из нержавеющей стали 316, максимальная температура газа 200 градусов, температура окружающей среды 20 градусов.

Расчет:

ΔT=180 градус

КТР ПТФЭ ≈ 160 x 10⁻⁶/градус (середина диапазона от 20 до 200 градусов)

КТР стали примерно 17×10⁻⁶/градус

ΔD_tube=25 × 160e-6 × 180=0.72 мм

ΔD отверстие=25 x 17e-6 x 180=0.077 мм

Чистое дифференциальное расширение=0.72 - 0.077=0.643 мм

Цель горячего зазора=0.4 мм (наружный диаметр 25 мм)

Требуемый зазор в холодном состоянии=0.4 + 0.643=1.043 мм (около 1,0–1,1 мм)

Спецификация чертежа: Диаметр отверстия перегородки=Внешний диаметр трубы (холодная) + 1.0 мм. При комнатной температуре прилегание довольно плохое. При угле 200 градусов трубка расширяется, заполняя зазор, обеспечивая поддержку без заеданий.

Вывод: конструкция с учетом термического набухания
Казалось бы, простой зазор между трубкой и перегородкой — это важная конструктивная особенность, чувствительная к температуре, в газообменнике из ПТФЭ--деталь, позволяющая избежать разрушительного термического замыкания-. ПТФЭ расширяется примерно в десять раз больше, чем нержавеющая сталь, поэтому зазор при комнатной температуре, достаточный для работы с жидкостями, приведет к заеданию и повреждению трубок при работе с высокотемпературным газом. Можно рассчитать радиальное расширение трубы и перегородки и добавить соответствующий рабочий зазор в горячем состоянии, чтобы определить правильный зазор в холодном состоянии. Любое оборудование, которое нагревается, должно быть рассчитано на собственное расширение. Газообменник из ПТФЭ с большим зазором между трубкой и перегородкой – это не плохое мастерство. Это умная теплотехника.