Как выбрать правильную толщину стенки трубки для теплообменника из ПТФЭ при работе в условиях высокого вакуума?

Кожухотрубный конденсатор из ПТФЭ используется для регенерации ценного растворителя в глубоком вакууме с целью снижения его температуры кипения. Сторона оболочки находится практически в вакууме. Тонкие и гибкие трубки из ПТФЭ не только несут охлаждающую воду, но и противостоят давящей силе внешней атмосферы, толкающей внутрь. Обычная тонкостенная трубка-, полностью подходящая для положительного давления, может внезапно сжаться, как соломинка для питья, останавливая поток и ухудшая тепловые характеристики. Толщина стенки трубы для вакуумной работы рассчитана не на сдерживание давления, а на предотвращение катастрофического разрушения. Выбор подходящей толщины стенки трубки для вакуумного обслуживания теплообменника из ПТФЭ зависит от понимания физики коробления, тепловых компромиссов-и решений по поддержке.

Физика коллапса под внешним давлением
Как вакуум разрушает трубку
Когда одна сторона теплообменника вакуумирована (например, до 10 мбар абс. или менее), внешнее давление воздуха (около 1 бар или 14,7 фунтов на квадратный дюйм) действует равномерно на внешнюю сторону каждой трубки. Внутри трубки может находиться атмосферное давление или, возможно, немного выше. Эта внешняя нагрузка вызывает кольцевое сжимающее напряжение в стенке трубки. Тонкостенная-гибкая трубка из ПТФЭ (со сравнительно низким модулем упругости примерно 0,5 ГПа по сравнению с 200 ГПа для стали) будет изгибаться и сжиматься, принимая овальную или сплющенную форму при давлении, намного меньшем, чем предел текучести материала. Пылесос — это невидимая гигантская рука, сжимающая трубку. Единственное, что мешает ему раздавиться, — это толщина стены.

Поддержка труб: роль расстояния между перегородками
Неопорная длина трубы между перегородками или трубными решетками оказывает большое влияние на сопротивление смятию. Труба, поддерживаемая с интервалом 200 мм, будет гораздо лучше выдерживать внешнее давление, чем труба, поддерживаемая с интервалом 500 мм. Для работы в условиях высокого вакуума расстояние между перегородками часто уменьшают до 100–150 мм. Более близкие перегородки приводят к более высокой турбулентности со стороны корпуса- и лучшей теплопередаче, что частично компенсирует тепловые затраты, связанные с более толстой стенкой. Однако увеличение количества перегородок увеличивает перепад давления на стороне корпуса и может потребовать увеличения диаметра корпуса для сохранения проходного сечения.

Кроме того, конструкция должна обеспечивать наличие вакуума на стороне трубки и положительного давления на стороне корпуса. В конструкциях с плавающей головкой или U-трубкой вакуумирование может осуществляться с любой стороны, а стенка трубки должна быть достаточно прочной, чтобы предотвратить разрушение боковой части под вакуумом. В этих обстоятельствах выбирается более толстая стенка, и теплообменник обычно проектируется с «полным вакуумом» с обеих сторон.

Практические рекомендации по выбору
Пошаговый процесс
Определите уровень пылесоса: укажите абсолютное давление на стороне низкого давления (т. е. . 10 мбар, 50 мбар). Худшая ситуация – полный вакуум (0 миллибар абсолютного давления) и требует самой прочной конструкции.

• Выберите размеры трубок: выберите внешний диаметр (НД), который является компромиссом между теплопередачей, загрязнением и механической прочностью. Обычные размеры — 6 мм или 8 мм для эксплуатации пылесоса. Большие диаметры (10 мм и более) нецелесообразны.

Используйте данные о давлении разрушения, предоставленные производителем, или FEA, чтобы оценить необходимую толщину стенки. Внешний диаметр 6 мм – это осторожное начало. Толщина 0,8 мм при комнатной температуре. 1.0-1.2 мм может быть необходима для более высокой температуры или большего наружного диаметра.

Расстояние между перегородками установлено: Пролет без опоры не более 150 мм. Для длинных труб (более 2 м) используются дополнительные промежуточные опоры или стяжки с распорками.

Оцените тепловые характеристики: рассчитайте значение U для выбранной толщины стенки. Если значение U- слишком низкое (например, менее 200 Вт/м2К), подумайте об увеличении количества или длины трубок или выберите теплообменник большего размера.

Уточните у производителя: проверенные поставщики теплообменников из ПТФЭ имеют эмпирические данные о смятии размеров трубок. Требуется письменная гарантия того, что оборудование будет работать без разрушения при заданных условиях вакуума и температуры.

Пример спецификации. Внешний диаметр трубки из ПТФЭ 6 мм. Толщина стенки: 1,0 мм +/-0,05 мм. Материал трубки: первичный ПТФЭ. Максимальный пролет без опоры 120 мм. Расчетное давление со стороны корпуса: полный вакуум (0 мбар абс.). Расчетное давление со стороны трубки: 3 бар изб. Максимальная рабочая температура: 90°C. Вакуум со стороны корпуса теплообменника должен составлять 10 мбар абсолютного давления, а в трубках атмосферное давление. Трубки не должны быть заметно смяты или иметь овальную форму».

Техническая точность: расчет давления обрушения
Разрушение трубы под внешним давлением является потерей устойчивости, а не потерей текучести. Первое приближение дается стандартными формулами для тонкостенных-труб (например, формула Тимошенко для упругого изгиба), однако поведение нелинейного напряжения-деформации и ползучести ПТФЭ необходимо проверить эмпирически. Большинство производителей теплообменников из ПТФЭ проверяют пробирки с образцами на гидростатическое внешнее давление. Измеренное давление сжатия для трубки с внешним диаметром 6 мм и толщиной стенки 1,0 мм под углом 20 градусов часто составляет 1,2–1,5 бар, что дает коэффициент запаса прочности на 1,2–1,5 выше полного вакуума. При 90 градусах давление разрушения может составлять всего 0,8-1,0 бар, поэтому необходим больший запас прочности. Следовательно, опоры располагаются более близко или стенки делаются толще для работы в вакууме при повышенных температурах.

Заключение: жизнь в невидимом сжатии
Толщина стенки вакуумного теплообменника из ПТФЭ должна противостоять разрушающей силе атмосферы. И более толстая, жесткая и хорошо поддерживаемая трубка выигрывает в борьбе. Трубки способны выдерживать полный вакуум без разрушения благодаря минимальной толщине стенок 0,8-1,0 мм и близко расположенным перегородкам (безопорный пролет 150 мм). Значение U-улучшается за счет более толстой стенки, но альтернатива-разрушенная, засоренная трубка неприемлема. Бесшумное, невидимое давление воздуха снаружи — самая сильная сила в вакуумной системе, и правильно подобранная толщина стенок трубки — единственная защита от нее.