Cisternos, pagamintos iš polipropileno (PP), polivinilideno fluorido (PVDF) arba pluoštu -sustiprinto plastiko (FRP), labai išsiplečia ir susitraukia, kai temperatūra keičiasi -paprastai 0,5–2,0 mm vienam bako ilgio metrui per 50 laipsnių temperatūros pokytį. Prie rezervuaro sienelės pritvirtintas standus -PFA šildytuvas patiria ciklinį tempimo ir gniuždymo įtempį, kai bakas plečiasi ir susitraukia. Tvirtinimo flanšas, PFA apvalkalas ir vidinė metalinė šerdis yra įtempti. Per šimtus kasdienių šiluminių ciklų šis ciklinis įtempis sukelia įtrūkimus įtempių koncentracijos taškuose, -paprastai ties flanšo-su bako{11}}sąsaja arba toje vietoje, kur PFA apvalkalas išeina iš flanšo. Spyruoklinis laikiklis (taip pat vadinamas slankiuoju arba suderinamu laikikliu) leidžia santykinį judėjimą tarp šildytuvo ir rezervuaro sienelės, sugerdamas šiluminės plėtimosi jėgas spyruoklės suspaudimo arba išplėtimo metu, o ne perduodamas jas į šildytuvą. Vietiniai duomenys iš chemijos gamyklų rodo, kad spyruokliniai tvirtinimo elementai sumažina įtempių įtrūkimų gedimus didelio -terminio{17}}ciklo rezervuaruose (500+ ciklai per metus), palyginti su standžiais tvirtinimo elementais. Tačiau spyruokliniai laikikliai{22}}nėra universalus sprendimas; jiems reikia tinkamo spyruoklės greičio parinkimo ir periodinės priežiūros.
Šiluminio plėtimosi įtempimas standžiuosiuose laikikliuose
2- metrų ilgio PP bakas, esantis 20 laipsnių temperatūroje, pripildytas 80 laipsnių skysčiu (ΔT=60 laipsnis), bakas išsiplečia ΔL=× L × ΔT=100 × 10⁻⁶ × 2 000 × 60=12 mm (PP koeficientas yra 0 ppm / 0 ppm / 0 ppm). PFA šildytuvas (CTE 110–120 ppm/laipsnis) išsiplečia maždaug tiek pat (ΔL ≈ 13 mm), jei yra laisvas. Tačiau standžiai sumontuotas bakas ir šildytuvas yra priversti išsiplėsti kartu. Rezervuaro ir šildytuvo medžiagų plėtimosi greičio neatitikimas (metalinė šerdis CTE 14–17 ppm/laipsnis išsiplečia tik 2 mm per 2 m esant 60 laipsnių kampui) sukuria sudėtingus įtempius. Metalinė šerdis atspari plėtimuisi, todėl PFA įtempiama. Bako sienelė, jei lankstesnė už šildytuvą, gali nusilenkti į išorę, sukeldama papildomą lenkimo įtampą šildytuvo flanšui. Įtempių matavimas prie standaus -montuoto šildytuvo flanšo PP bake po 500 kasdienių ciklų (60 laipsnių svyravimas) rodo 5–10 MPa{36}}liekamuosius įtempius, artėjančius prie PFA takumo ribos (12–15 MPa esant 80 laipsnių). Įtrūkimai paprastai atsiranda tvirtinimo flanšo sriegio šaknyje arba PFA ir metalo sąsajoje šalia flanšo po 1 000–3 000 ciklų.
Spyruoklinė{0}}montavimo mechanika
Spyruoklinis laikiklis{0}}atjungia šildytuvą nuo bako išsiplėtimo. Šildytuvas praeina per rezervuaro sienelę su tarpine anga (5–10 mm didesnė už šildytuvo skersmenį). Šildytuvo flanšas sujungia spyruoklių rinkinį (paprastai 4–8 Belleville poveržles arba spyruokles), kurios prispaudžia šildytuvą prie sandariklio (O-žiedo arba tarpiklio), leisdamos judėti ašiniu būdu. Kai bakas plečiasi, šildytuvas lieka nejudantis (pritvirtintas bako apačioje arba viršuje), o spyruoklės susispaudžia arba išsiskleidžia, kad atitiktų 5–15 mm santykinį judėjimą. Vertikaliuose šildytuvuose šildytuvo svoris gali būti perkeltas į atskirą atramą arba spyruoklės gali būti tokio dydžio, kad išlaikytų svorį, leidžiant judėti. Spyruoklės greitis turi būti pakankamai mažas, kad spyruoklėms suspausti reikalinga jėga (F=k × ΔL) neviršytų sandariklio suspaudimo ribos arba šildytuvo lenkimo stiprumo. Jei išsiplėtimas yra 12 mm, 10 N/mm spyruoklės greitis suteikia 120 N (12 kg) jėgą,-priimtina 50 mm flanšo sandarikliui. 100 N/mm spyruoklės greitis suteikia 1200 N (120 kg), o tai gali deformuoti PFA flanšą.
Tinkamas sandariklio dizainas yra labai svarbus. O-žiedas arba tarpiklis turi prisitaikyti prie ašies judėjimo neišriedėdami iš griovelio. AV-žiedas arba U-puodelio sandariklis (vienakryptis) veikia atliekant judesį viena-kryptimi, bet gali sugesti sukant atbuline eiga. Spyruoklinis PTFE sandariklis (pvz., „Omniseal“ arba „Variseal“) leidžia judėti abiem kryptimis iki ±5 mm ir yra chemiškai suderinamas. Plombą reikia tikrinti kasmet; spyruokliniai-apkrovimai, kurie nėra prižiūrimi, gali sugesti, kai sandariklis sukietėja arba spyruoklės korozuoja.
Gedimų lygio mažinimas{0}}spyruokliniais laikikliais
| Tanko medžiaga | Dienos ΔT ( laipsnis ) | Ciklai per metus | Tvirtas tvirtinimas: įtrūkimai ties flanšu (% šildytuvų po 2 metų) | Spyruoklė-Montavimas su apkrova: įtrūkimai ties flanšu (% po 2 metų) | Sumažinimas | Reikalinga priežiūra |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Polipropilenas | 50 | 300 | 25–35% | 3–6% | 80–85% | Pavasarinė apžiūra kasmet |
| Polipropilenas | 60 | 300 | 35–45% | 4–8% | 80–90% | Sandarinimo keitimas kas 2 metus |
| PVDF | 60 | 300 | 20–30% | 2–5% | 85–90% | Mažesnis PVDF išsiplėtimas (130 ppm/laipsnis) |
| FRP | 60 | 300 | 15–25% | 2–4% | 85–90% | FRP plečiasi mažiau nei PP (20–30 ppm/laipsnis) |
| Polipropilenas | 80 | 150 (partija) | 40–60% | 5–10% | 85–90% | Aukštas ΔT padidina išsiplėtimą iki 16 mm 2 m bake |
| Nerūdijantis plienas | 60 | 300 | <5% (rigid acceptable) | Nereikia | N/A | Plieninis išsiplėtimas (17 ppm/laipsnis) atitinka šildytuvo šerdį |
| Bet kokia medžiaga | >500 ciklų per metus | Bet koks | 50–70% | 5–15% | 80–90% | Spring-loaded strongly recommended for >500 ciklų |
Pavasario pasirinkimo ir montavimo gairės
Nurodydami spyruoklinį laikiklį{0}}, laikykitės šių projektavimo taisyklių. Pirmiausia apskaičiuokite didžiausią bako išsiplėtimą ΔL_max= _tankas × L_bakas × ΔT_max. PP bakui, =120 ppm/laipsnis , L=2 m, ΔT=70 laipsnis → ΔL_max=120e-6 × 2000 × 70=16.8 mm. Spyruoklės turi prisitaikyti prie šio judesio iki galo nesusispaudusios (paliekant 3–5 mm eigą), kad nenusileistų dugnas. Antra, pasirinkite spyruoklės greitį k, kad maksimali spyruoklės jėga F_max=k × ΔL_max neviršytų sandariklio slėgio vertės (paprastai 5–10 MPa kontaktinio slėgio), padalytos iš sandariklio kontaktinio ploto. 50 mm skersmens 5 mm pločio sandarikliui kontaktinis plotas=785 mm². Esant 5 MPa kontaktiniam slėgiui, didžiausia jėga=785 × 5=3,925 N. Esant ΔL_max=17 mm, didžiausia k=3,925 / 17=230 N/mm. Saugumo sumetimais naudokite k<100 N/mm. Third, specify spring material compatible with the tank environment (Hastelloy or titanium for aggressive acids, 316 stainless for mild). Fourth, include a visual indicator of spring compression (e.g., a painted line on the heater shaft) so operators can verify that the spring is not bottomed out or fully extended.
Esamuose standžiuose -montuojamuose šildytuvuose, kurie patiria įtempių įtrūkimus, galima iš naujo sumontuoti spyruoklinį-laikiklį, jei galima padidinti bako angą. Per rezervuaro sienelę sumontuotas movos adapteris, o spyruoklinis mechanizmas yra rezervuaro išorėje (prieinamas techninei priežiūrai). Šildytuvas praeina per rankovę. Spyruoklinis mechanizmas turi būti apsaugotas nuo tiesioginių cheminių medžiagų purslų, tačiau jo nereikia panardinti. Šildytuvų gamintojai siūlo modifikavimo rinkinius, skirtus įprastiems bako įkišimo dydžiams (50 mm, 80 mm, 100 mm). Modifikavimo išlaidos (500–1500 USD) paprastai susigrąžinamos per 6–12 mėnesių, sumažinus šildytuvų pakeitimą ir prastovos laiką.
Apribojimai ir kada nenaudoti
Spyruokliniai laikikliai -nenaudingi metaliniams bakams (plienui, nerūdijančiam plienui, titanui), nes bako CTE (10–17 ppm/laipsnis) labai atitinka metalinę šildytuvo šerdį (14–17 ppm/laipsnis), todėl šiluminio plėtimosi įtempis yra mažas. Jie taip pat nereikalingi rezervuarams su nedideliais temperatūros svyravimais (ΔT<30°C) or short length (<1 m), where absolute expansion is under 3–4 mm. For very long tanks (>5 m) with large ΔT (>60 laipsnių), išsiplėtimas gali viršyti 30–40 mm. Spyruokliniai-laikikliai su pakankamu judėjimu tampa dideli ir brangūs; alternatyvūs sprendimai yra šildytuvo montavimas bako centre (kur išsiplėtimas yra minimalus) arba lanksčios žarnos jungtis (žr. 21 straipsnį). Spyruokliniai-laikikliai taip pat padidina sudėtingumo ir priežiūros reikalavimus. Nešvarios arba kristalizuojančios eksploatacijos metu spyruoklės gali būti užsiteršusios nuosėdomis ir prarasti atitiktį. Tokiais atvejais patikimesnis gali būti paprastesnis reikalavimus atitinkantis tvirtinimas, naudojant storą elastomerinę tarpinę (10–20 mm), kuri suspaudžia ir kerta.
Išvada: spyruokliniai{0}}laikikliai žymiai sumažina įtrūkimus
For PFA heaters installed in plastic tanks (PP, PVDF, FRP) that experience daily thermal expansion cycles (ΔT >40°C, cycle frequency >200 per metus), spyruoklinis laikiklis{1}}sumažina įtempių įtrūkimų atsiradimą flanšo ir PFA{2}}metalinėje sąsajoje 70–90 %. Laikiklis leidžia rezervuarui laisvai išsiplėsti ir susitraukti, kol šildytuvas išlieka santykinai nejudantis, sugerdamas 5–20 mm santykinį judėjimą per spyruoklės suspaudimą, o ne perkeldamas įtampą šildytuvo konstrukcijai. Tinkamas spyruoklės greičio pasirinkimas (<100 N/mm) and seal design (spring-energized PTFE for bidirectional movement) are critical for success. For metal tanks, small tanks (<1 m), or small ΔT (<30°C), spring-loaded mounts provide no benefit. Engineers specifying heaters for plastic tanks with thermal cycling should include spring-loaded mounting in the design specification. The additional cost (20–40% over rigid mounting) is justified by extended heater life-typically 3–5× longer in high-cycle service. Field evidence from chemical plants shows that rigid-mounted heaters in PP tanks with daily 60°C cycles fail at the flange within 1–2 years; spring-loaded mounts in identical service last 5–8 years. The 1-hour annual maintenance (check spring compression, inspect seal) is a small price for this reliability improvement.
