Hur väljer man rätt expansionsfogsdesign för ett fast PTFE-växlarskal för rörplåt?

En fast-rörplåts-PTFE-värmeväxlare är mekaniskt enkel och ofta ekonomiskt attraktiv, men designen innebär en grundläggande termisk konflikt. PTFE-rören expanderar kraftigt vid ökande temperatur, men det omgivande stålhöljet expanderar väldigt lite. Om rörelsen är begränsad kan missanpassningen orsaka enorm axiell spänning. Någon del av värmeväxlaren måste böjas för att absorbera denna differentialexpansion. Svaret är en metallbälgexpansionsfog svetsad in i skalet - ett flexibelt, dragspelsliknande-segment som expanderar och drar ihop sig när PTFE-rörbunten andas termiskt under drift.

Bälgaggregatet är den enskilt viktigaste mekaniska komponenten i hela värmeväxlarsystemet för alla val av expansionsfog med fast rörplåt av PTFE-växlare.

Varför expansionsfogar behövs på PTFE-växlare
PTFEs extrema termiska expansion
Den termiska expansionskoefficienten för PTFE är mycket högre än kolstål eller rostfritt stål. PTFE-rören kan expandera flera gånger storleken på skalkonstruktionen runt dem med förändringar i driftstemperaturen.

Utan ett flexibelt ersättningssystem kan betydande problem uppstå:

Förvrängningar i rörplåten

Rörbrott

För stora axiella krafter

Knäcker skalet

Svetströtthet

Läckagefel

Expansionsfogen är zonen för kontrollerade rörelser och tillåter inte koncentrationen av de termiska spänningarna i värmeväxlarkroppen.

Bälgen som en flexibel tryckgräns
Bälgen är växlarens metalllungor som andas in och ut med varje termisk cykel, men bibehåller ändå tryckbarriärens integritet. Så länge det finns rätt flexibilitet kan PTFE-rörbunten expandera och dra ihop sig naturligt utan att-överbelasta skalet.

Denna anpassningsförmåga måste konstrueras medvetet, snarare än efterliknas med generisk rörutrustning.

Viktiga designkriterier för val av expansionsfogar
Full rörelse på axialen
Den mest kritiska parametern vid dimensionering av expansionsfog är förmågan att röra sig axiellt. Bälgen måste på ett säkert sätt rymma den totala uppskattade termiska expansionen på grund av PTFE-rören över hela driftstemperaturområdet.

Typiska designberäkningar tar hänsyn till:

Längd på röret

Termisk expansionskoefficient för PTFE

Starttemperaturskillnader

Sammandragning vid avstängning

Process upprörd situation

Maximal Design Temp (MDT)

En för kort resa kan översträcka bälgen eller orsaka fel på grund av kompressionsutmattning.

Varför vi gillar tjocka-väggiga enkelbälgar-
Krav på motstånd mot tryck
För fasta-rörplåtsväxlare av PTFE utsätts bälgen för inre skaltryck men kan också röra sig. Tunna, fler-bälgar, som ofta används i lågtrycksrörsystem, kanske inte är tillräckligt stark för detta ändamål.

Av denna anledning används ofta tjocka-väggiga enkel-bälgdesigner.

Förmånerna inkluderar:

Ökad strukturell styrka

Bättre tryckinneslutning

Ökat korrosionstillägg

Bättre hantering av skadebeständighet

Lägre mottaglighet för skiktseparation

Bälgenheten är inte bara en flexibel koppling. Det är en del av ett tryckkärl som samtidigt utsätts för värme-, tryck- och utmattningsbelastningar.

Urval av bälgmaterial
Varför 316L rostfritt stål är så vanligt
Det mest populära materialet för växlarskalsbälgar är 316L rostfritt stål eftersom det erbjuder en blandning av:

Beständighet mot korrosion

Svetsfärdigheter

Trötthetsegenskaper

Tillgänglighet:

Mekanisk böjbarhet

Atmosfärisk korrosionsbeständighet är då en avgörande faktor eftersom bälgen normalt befinner sig på den yttre skalsidan snarare än i direkt kontakt med aggressiv processkemi.

Yttre korrosionsrisker
Växtmiljön där bälgen finns kan utsätta dem för:

Syra ångor

Salt-hög luftfuktighet

Tvätta ner kemikalier

* Spillprocedur

Kontaminering med klorid

Speciellt spårklorider är mycket skadliga eftersom de kan orsaka yttre spänningskorrosionssprickor på bälgar av rostfritt stål under dragpåkänning.

Materialvalsprocessen måste därför ta hänsyn till både arbetsprocessen och miljöexponeringen kring värmeväxlarinstallationen.

Design av Fatigue Life and Convolution
Konvolutionsgeometrins roll
Vingar är korrugeringarna som komprimeras och sträcker sig med värmerörelser för att skapa bälgens flexibilitet.

Designen ska bestå av:

Antal varv

Vridningshöjd

Tonhöjdsform

Tjocklek på väggar

Axiell fjäderkonstant

För få veck kan orsaka för mycket styvhet och för många veck kan orsaka mindre tryckförmåga och utmattningsmotstånd.

Termiska cyklingsproblem
Växlare som genomgår många uppstarter,-avstängningar eller batchprocessförhållanden utsätts för upprepade temperaturcykler, vilket orsakar cyklisk belastning av bälgmaterialet.

För hög-tillämpningar är bälgkonstruktioner som tål utmattning nödvändiga.

Andra tekniska åtgärder kan inkludera:

Optimerad form av faltningen

Minskad stresskoncentrationsområden

Förbättrad kontroll av svetskvalitet

Restriktioner för rörelse

Sektioner av förstärkta kragar

Trötthetsfel inträffar vanligtvis progressivt genom sprickinitiering vid de kraftigt belastade veckrötterna.

Överensstämmelse med EJMA- och ASME-standarder
EJMA designkriterier
Expansionsfogar i tryckhållande växlarskal ska utformas i enlighet med de kriterier som specificeras av Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA).

EJMA:s tillvägagångssätt ger förslag om:

Stressberäkning

Analys av trötthet

Tryckklassificering

Restriktioner för rörelse

Förutsägelse av fjäderkraft

Livscykelförutsägelse

ASME Bilaga 26
I tryckkärlapplikationer kan ASME Bilaga 26 också vägleda bälgkonstruktionen och tillåten spänningsutvärdering.

Användning av etablerade designkoder hjälper till att säkerställa att expansionsfogen anses vara en helt konstruerad tryckkomponent och inte en tillbehörsartikel.

Skydd av bälg från mekanisk skada
Betydelsen av yttre höljen
Extern mekanisk skada på bälgvarv från verktyg, gångtrafik, fallande föremål eller underhållsarbete kan orsaka sårbarhet.

Därför bör bälggruppen förses med ett yttre skyddshölje.

Höljet skyddar mot:

Skador från stötar

Oavsiktlig deformation

Ansamling av skräp

Väderexponering

Personalkontakt.

Fysiskt skydd är avgörande för långsiktig tillförlitlighet eftersom små bucklor eller deformationer kan minska utmattningslivslängden avsevärt.

Varför av--hyllans expansionsfogar fungerar inte

En fast-rörplåtsväxlare av PTFE leder till mycket specialiserade belastningsförhållanden av:

Hög termisk förskjutning

Tryck »

Cyklisk belastning

Frätande miljöexponering

Mekanisk skakning

Vanliga--expansionsfogar för rör är sällan tillräckliga i drift eftersom de inte är avsedda att uppfylla de kombinerade rörelse- och tryckkraven för PTFE-växlare.

Istället bör varje bälgenhet konstrueras så att den passar växlarens geometri och driftsförhållanden.

Sammanfattning
Expansionsfogen är den geniala konstruerade flexibla länken som övervinner det grundläggande termiska spänningsdilemmat med en fast-rörplåts-PTFE-värmeväxlare. Bälgen kompenserar på ett säkert sätt för den stora temperaturtillväxtskillnaden mellan PTFE-rören och det omgivande stålhöljet och förhindrar skadlig mekanisk belastning på värmeväxlaren samtidigt som tryckintegriteten bibehålls.

Valet av en PTFE-växlare med fast rörplåt med en expansionsfog av rätt storlek är resultatet av noggrant övervägande av axiell rörelsekapacitet, väggtjocklek, faltningsgeometri, utmattningsbeständighet, korrosionsbeständighet och överensstämmelse med EJMA eller ASME designstandarder. Lika avgörande för en lång-livslängd är korrekt yttre skydd och miljökompatibilitet.

En av de mest pålitliga maskinerna inom termisk utrustningsteknik är ofta den som är avsedd att ta emot sina egna inre rörelser med grace, snarare för att motstå den hårt.