Abrazivni mulj koji sadrži 30% čvrste tvari po težini-uobičajen u rudarstvu (bakar, zlato, litijum), proizvodnji pigmenta (titanijum dioksid) i proizvodnji katalizatora-predstavlja dvostruki izazov za PFA grijače: eroziju od udara čestica i hemijski napad iz tečnog nosača. Optimalna debljina zida balansira dozvoljenu eroziju (debljinu koja će se potrošiti tokom ciljanog vijeka trajanja grijača) sa efikasnošću prijenosa topline i mehaničkim integritetom. Za tekući mulj na 80 stepeni sa srednjom veličinom čestica 100–300 µm i brzinom 2–3 m/s, zid od 2,0 mm PFA obezbeđuje 1–2 godine radnog veka pre nego što ga erozija smanji na ispod 1,0 mm, u kom trenutku postaje verovatna permeacija i mehanički kvar. Zid od 2,5 mm produžava vijek trajanja na 3-4 godine, ali smanjuje prijenos topline za 20-25% (zahtijeva ili duži grijač ili višu temperaturu jezgra). Zid od 3,0 mm daje 5-6 godina, ali pati od pucanja zbog termičkog naprezanja i zahtijeva smanjenu gustoću u vatima. Za većinu abrazivnih aplikacija, 2,5 mm je optimalan kompromis, koji nudi 3-4 godine pouzdane usluge sa prihvatljivim termičkim performansama.
Proračun brzine erozije i gubitka debljine
Erozija PFA u kašama slijedi stepen stepena: brzina erozije ∝ v^n × C × D^m, gdje je v brzina (m/s), n=2.5–3,5, C je koncentracija čvrste tvari (% po težini), D je promjer čestica (µm) i m=0.5–1,0. Za tipičnu kašu od silicijum peska (prosečnih 200 µm, 30% čvrste materije) pri brzini protoka od 2,5 m/s kroz grejač, stopa erozije PFA je 0,6–1,0 mm godišnje. Ova stopa je zasnovana na ASTM G73 testiranju erozije gnojiva na 80 stepeni. Za tvrđe čestice (aluminij, SiC), stope se udvostručuju na 1,2-2,0 mm/godišnje. Za mekše čestice (kalcijum karbonat, polimerne kuglice), stopa pada na 0,2–0,4 mm/godišnje. Za ciljni vijek trajanja od 3 godine, dopuštena količina erozije mora biti 1,8–3,0 mm ovisno o tvrdoći čestica. Dodavanje sigurnosne granice za ne-ujednačenu eroziju (uzvodna strana grijača erodira brže od donje strane) dodaje 0,3–0,5 mm. Potrebna početna debljina zida=preostali zid na kraju životnog vijeka (minimalno 0,5–1,0 mm za održavanje integriteta) + dodatak eroziji + sigurnosna margina.
Za kremeni pijesak pri 2,5 m/s, 30% čvrste tvari, proračun životnog vijeka od 3-godine: stopa erozije 0,8 mm/godišnje × 3 godine=2.4 mm erozije. Minimalni preostali zid=1.0 mm (za otpor prodiranju i mehaničkom naprezanju). Sigurnosna margina=0.3 mm. Ukupno potrebno=2.4 + 1.0 + 0.3=3.7 mm. Ovo premašuje praktične granice ekstruzije (maksimalna pouzdana debljina zida PFA je 3,0-3,5 mm). Stoga, jedan grijač ne može postići 3-godišnji vijek trajanja u ovom agresivnom okruženju. Strategije uključuju: smanjenje brzine protoka (koristite pregrade za smanjenje lokalne brzine na 1,5 m/s, smanjenje stope erozije za 60-80%), korištenje zamjenjive habajuće čahure (0,5 mm PFA ili PTFE cijev iznad grijača, koja se mijenja svake godine) ili odabir materijala otpornijeg na eroziju (ETFE ili otporniji). Optimalna debljina zida postaje maksimalna izvediva (3,0 mm) uz dodatne mjere zaštite.
Odabir debljine prema vrsti čestica i ciljnom vijeku trajanja
| Particle Type | tvrdoća (Mohs) | Srednja veličina (µm) | Stopa erozije pri 2,5 m/s, 30% čvrste materije (mm/god.) | Optimalni zid za 2-godišnji život | Optimalni zid za 3-godišnji život | Optimalni zid za 4-godišnji život | Preporučena zaštita |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Silika pijesak | 7 | 100–200 | 0.7–0.9 | 2,0 mm | 2,5 mm | 3,0 mm | Prevelika + pregrada za protok |
| Silika pijesak | 7 | 200–400 | 0.9–1.2 | 2,5 mm | 3,0 mm | 3,5 mm (nije dostupno) | Zamjenjivi rukav |
| Alumina | 9 | 50–100 | 1.2–1.8 | 3,0 mm | Nije praktično | Nije praktično | ETFE premaz ili keramika |
| krečnjak (CaCO₃) | 3 | 200–500 | 0.2–0.3 | 1,5 mm | 1,5–2,0 mm | 2,0–2,5 mm | Standardni PFA prihvatljiv |
| Ruda bakra (halkopirit) | 3.5–4 | 100–250 | 0.3–0.5 | 1,5–2,0 mm | 2,0 mm | 2,5 mm | Standard |
| željezna ruda (hematit) | 5–6 | 150–300 | 0.5–0.7 | 2,0 mm | 2,5 mm | 3,0 mm | Oversize |
| Leteći pepeo | 5–6 | 50–150 | 0.4–0.6 | 1,5–2,0 mm | 2,0–2,5 mm | 2,5–3,0 mm | Oversize |
| Polimerni peleti (HDPE, PP) | 1–2 | 2,000–5,000 | 0.05–0.1 | 1,0 mm | 1,0–1,5 mm | 1,5 mm | Nema brige o eroziji |
| Titanijum dioksid | 6 | 0,2–0,5 (aglomerirano) | 0,3–0,5 (abraziv) | 1,5–2,0 mm | 2,0 mm | 2,5 mm | Fine čestice; koristite debeli zid |
Kazna za prijenos topline debljih zidova
Zamjena-za duži vijek trajanja sa debljim zidovima je smanjen prijenos topline. Za zid od 2,5 mm (vs . 2.0 mm), dodatni toplotni otpor je ΔR=0.0005 m / 0,20 W/m·K=0.0025 m²·K/W. Kod tipičnog toplotnog fluksa od 3 W/cm² (30.000 W/m²), dodatni pad temperature preko debljeg zida iznosi 30.000 × 0.0025=75 stepeni. Za grijač sa maksimalnom temperaturom metalnog jezgra od 260 stepeni, korisni toplotni tok se smanjuje sa 30.000 W/m² (3 W/cm²) za 2,0 mm na q_max=(260-80) / (0.0025+0.0025+0.001)=180} / {0}m²/{0}m² jer je otpor na strani fluida (0,001) manji. Proračun pokazuje da zid od 2,5 mm samo smanjuje maksimalni fluks za 10% ako je temperatura jezgre granica. Međutim, viša temperatura unutrašnje površine za isti toplotni tok ubrzava prodiranje i termičku degradaciju. Za dug životni vek u abrazivnoj upotrebi, smanjite toplotni tok za 20–30% ispod maksimuma kako biste održali temperaturu unutrašnje površine PFA ispod 180 stepeni. Uz smanjenje kapaciteta, grijač od 2,5 mm može zahtijevati 25% više površine od grijača od 2,0 mm da isporuči istu snagu-što znači grijač dužeg ili većeg promjera.
Praktične preporuke za 30% čvrstu suspenziju na 80 stepeni
Za većinu abrazivnih suspenzija sa 30% čvrstih materija na 80 stepeni, optimalna debljina zida PFA je 2,5 mm. Ova debljina osigurava 3-4 godine radnog vijeka za silicijum pijesak (umjereno tvrd) i 2-3 godine za glinicu (veoma tvrd). Ako je potreban duži vijek trajanja, kombinirajte zid od 2,5 mm sa jednim od: (1) smanjenjem brzine protoka (dodavanje pregrada ili premještanje grijača dalje od pražnjenja pumpe), što može smanjiti stopu erozije za 50–70%; (2) zamjenjivu PTFE navlaku (1 mm debljine, mijenja se svake godine), koja štiti PFA omotač i omogućava 5+ godina života; (3) grijač većeg -promjera (32 mm naspram . 25 mm), koji smanjuje naprezanje obruča za isti pritisak i pruža veću mogućnost erozije prije nego što dođe do metalnog jezgra. Za vrlo tvrde čestice (aluminij, silicijum karbid, granat), PFA se ne preporučuje bez obzira na debljinu; umjesto toga treba koristiti metalni grijač sa volfram karbidom ili keramičkim premazom.
Za terensku verifikaciju postojećeg grijača u abrazivnoj suspenziji, mjerite debljinu stijenke PFA godišnje koristeći ultrazvučno mjerenje u tri tačke (uzvodno, nizvodno i sa strane) na pet lokacija duž dužine. Nacrtajte stopu stanjivanja. Kada minimalna preostala debljina dostigne 1,0 mm, zakažite zamjenu u roku od 3 mjeseca. Uzvodna strana obično erodira 2-3 puta brže od nizvodne strane. Grijač koji je izgubio 0,5 mm na gornjoj strani, ali samo 0,2 mm na drugim mjestima može još imati 2+ godina života ako se grijač može rotirati za 180 stepeni kako bi se otkrila svježa površina. Rotacija se preporučuje svakih 12-18 mjeseci u abrazivnom radu kako bi se izjednačilo trošenje.
Zaključak: 2,5 mm nudi najbolju ravnotežu za 3-4 godine života
Za PFA grijač potopljen u tekući abrazivni rastvor sa 30% čvrstih materija na 80 stepeni (silika pesak ili slična tvrdoća, brzina 2–3 m/s), optimalna debljina zida je 2,5 mm, što obezbeđuje 3–4 godine radnog veka kada se erozija (0,6–1,0 mm/godišnje) kombinuje sa minimalnim preostalim zidom.0 mm. Tanji zidovi (1,5-2,0 mm) propadaju za 1-2 godine. Deblji zidovi (3,0 mm) nude duži vijek trajanja, ali imaju veću cijenu proizvodnje (20-30% premije), lošiji prijenos topline (zahtijevajući 20-25% veći grijač) i povećan rizik od pucanja uslijed termičkog naprezanja. Za vrlo tvrde čestice (aluminij, SiC), PFA nije prikladan bez obzira na debljinu. Za meke čestice (krečnjak, polimerne pelete) dovoljno je 1,5-2,0 mm. Inženjeri bi trebali izvršiti proračune stope erozije koristeći objavljene podatke za određeni tip čestica i brzinu, a zatim odabrati minimalnu debljinu stijenke koja osigurava ciljni vijek trajanja sa sigurnosnom marginom od 30%. U svim primjenama abrazivnog gnojiva, godišnji nadzor debljine i periodična rotacija grijača su jednako važni kao i početni odabir debljine. Trošak grijača od 2,5 mm (20–30% premije u odnosu na 2,0 mm) se nadoknađuje kroz smanjenu učestalost zamjene i vrijeme zastoja-obično u roku od 12–18 mjeseci u kontinuiranom abrazivnom servisu.
