Problem pulsiranja
Pozitivne pumpe stvaraju pulsacije protoka na frekvenciji radnog kola ili klipa. Ove pulsacije putuju kroz cevovod kao talasi pritiska, udarajući cikličnom silom u površine izmenjivača toplote. Svaki impuls je male-tipično 0,1-0,5 bara amplituda-ali tokom godinu dana neprekidnog rada, izmjenjivač topline doživljava milione ciklusa opterećenja.
Kruti nepropusni grafit dobro podnosi stabilna opterećenja. Njegova tlačna čvrstoća prelazi 200 MPa. Njegova toplotna provodljivost je odlična. Ali njegov odgovor na ciklično savijanje je fundamentalno drugačiji od PTFE-a. Grafit je krhki keramički kompozit. PTFE je duktilni termoplast. Njihovo ponašanje prema umoru slijedi potpuno različite fizičke zakone.
Mehanizam zamora grafita
Nepropusni grafit se proizvodi impregnacijom poroznog grafita fenolnom ili furanskom smolom. Dobijeni kompozit ima hemijsku otpornost grafita i nepropusnost smole. Njegovo mehaničko ponašanje, međutim, ostaje keramičkog karaktera.
Grafit se raspada pri zatezanju zbog krtog loma. Pod cikličnim opterećenjem, mikro-pukotine pokreću na tačkama koncentracije naprezanja-cijev-na-spojevi cijevnih ploča, na mjestima potpore i unutrašnjim smola-grafitnim interfejsima. Jednom pokrenute, pukotine se postupno šire sa svakim ciklusom opterećenja. Nema plastične deformacije koja bi otupila vrh pukotine, nema mehanizma za apsorpciju energije za usporavanje širenja. Pukotina raste sve dok preostali poprečni-presjek više ne može izdržati opterećenje i dolazi do iznenadnog loma.
Granica zamora grafita je loše definisana u poređenju sa metalima. S-N kriva-napona naspram ciklusa do otkaza-pokazuje plitak nagib bez jasno definisane granice izdržljivosti. Čak i pri malim amplitudama cikličkog naprezanja, grafit akumulira oštećenja tokom miliona ciklusa. Kvar je vjerovatnoća: dvije identične komponente pod identičnim opterećenjem mogu otkazati pri značajno različitom broju ciklusa.
Tabela 1: Poređenje odziva na zamor i vibracije pod pulsiranjem pumpe
| Parametar zamora | Čvrsti nepropusni grafit | PTFE |
|---|---|---|
| Materijalni karakter | Krhki keramički kompozit | Duktilni termoplast |
| Modul savijanja (GPa) | 15-25 | 0.5-0.6 |
| Kapacitet prigušenja (tan δ) | 0,001-0,003 (nisko) | 0,1-0,2 (visoko) |
| Mehanizam pokretanja zamorne pukotine | Mikro{0}}pukotine na defektima, interfejsima | Nema (deformiše se bez pucanja pri umjerenim naprezanjima) |
| Širenje zamorne pukotine | Brz, lomljiv | Nije primjenjivo (pukotine ne nastaju pri naprezanjima u radu) |
| Granica izdržljivosti | Nijedan jasno definisan | 10⁷+ ciklusa pri naprezanjima ispod 2% |
| Reakcija na pulsiranje protoka | Prenosi vibracije; pojačava na rezonanciji | Apsorbira vibracije; prigušuje energiju pulsiranja |
| Režim kvara pod cikličnim opterećenjem | Iznenadni krhki prijelom | Progresivno puzanje (ako je preopterećeno) |
| Pregled oštećenja od zamora | Teško (unutrašnje mikro-pukotine nevidljive) | Jednostavno (vidljiva deformacija prije kvara) |
PTFE: prigušenje i duktilnost
PTFE reaguje na ciklično opterećenje kroz viskoelastičnu deformaciju. Polimerni lanci apsorbuju mehaničku energiju i rasipaju je kao toplotu kroz unutrašnje trenje. Kapacitet prigušenja-kvantificiran tangentom gubitka, tan δ-je 0,1-0,2 za PTFE, otprilike dva reda veličine više od grafita. To znači da PTFE pretvara 10-20% mehaničke energije svakog ciklusa savijanja u toplinu, uklanjajući je iz ciklusa naprezanja.
Posljedica je da PTFE cijevi pod pulsiranjem pumpe ne akumuliraju energiju elastične deformacije kao što to čini kruti grafit. Energija pulsiranja se apsorbuje i raspršuje. Amplitude naprezanja na nosačima i spojevima su niže jer materijal prigušuje prijenos vibracija.
Na nivoima naprezanja tipičnim za -vibracije izazvane protokom-znatno ispod 1% za pravilno poduprte cijevi-PTFE radi u režimu u kojem ne dolazi do iniciranja zamorne pukotine. Materijal može izdržati desetine miliona ciklusa bez stvaranja pukotina. Ovo nije visoka-granica zamora ciklusa u metalnom smislu; to je režim naprezanja ispod praga akumulacije oštećenja.
Praktične posljedice za dizajn izmjenjivača topline
Grafitni izmjenjivači topline u pulsirajućem protoku zahtijevaju konzervativan dizajn za upravljanje rizikom od zamora. Razmak nosača mora biti bliži nego za stabilan protok. Ispravljači protoka i prigušivači pulsiranja uzvodno od izmjenjivača povećavaju cijenu i složenost sistema. Izmjenjivač topline mora biti predimenzioniran kako bi se omogućio progresivni gubitak mehaničkog integriteta tokom projektnog vijeka.
PTFE izmjenjivači topline prilagođavaju pulsiranje pumpe kroz prigušivanje materijala i duktilnost. Standardni razmak nosača je obično adekvatan. Prigušivači pulsiranja su opcioni iz razloga performansi, a nisu obavezni za mehaničko preživljavanje. Mehanički integritet snopa cijevi ne degradira se milionima ciklusa pulsiranja.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline pokazuju superiornu otpornost na zamor savijanja u poređenju sa krutim nepropusnim grafitom pod pulsiranjem pumpe. Duktilni fluoropolimer apsorbuje i raspršuje cikličku mehaničku energiju kroz viskoelastično prigušenje, sprečavajući nakupljanje oštećenja od zamora na nivoima radnog deformacije. Grafit, kao krhki keramički kompozit, prenosi vibracije i akumulira mikro-oštećenje od pukotina koje na kraju dovode do iznenadnog loma.
Prednost PTFE-a u pogledu zamora se prevodi u jednostavniji dizajn sistema, smanjenu potrebu za opremom za ublažavanje pulsiranja i predvidljivi dugotrajni-mehanički integritet. Tamo gdje potisne pumpe stvaraju neizbježne pulsacije protoka, PTFE pruža mehanički otporno rješenje izmjenjivača topline.
Inženjerska analiza za projektovanje PTFE izmenjivača toplote u uslovima pulsiranja pumpe dostupna je nakon dostavljanja tipa i frekvencije pumpe, konfiguracije cevi, osobina fluida i radnog pritiska i temperature.
