Abrazyvinės suspensijos, kuriose yra 30 % masės kietųjų medžiagų, paplitusios kasyboje (varis, auksas, litis), pigmentų gamyboje (titano dioksidas) ir katalizatorių gamyba Optimalus sienelės storis subalansuoja erozijos ribą (storį, kuris bus sunaudotas per nustatytą šildytuvo eksploatavimo laiką) ir šilumos perdavimo efektyvumą bei mechaninį vientisumą. Tekančioms 80 laipsnių srutoms, kurių vidutinis dalelių dydis yra 100–300 µm, o greitis 2–3 m/s, 2,0 mm PFA sienelė užtikrina 1–2 metų tarnavimo laiką, kol erozija ją sumažina iki mažiau nei 1,0 mm, o tada tikėtina, kad prasiskverbimas ir mechaninis gedimas. 2,5 mm sienelė pailgina tarnavimo laiką iki 3–4 metų, bet sumažina šilumos perdavimą 20–25 % (reikia ilgesnio šildytuvo arba aukštesnės šerdies temperatūros). 3,0 mm siena užtenka 5–6 metus, tačiau ji nukenčia nuo šiluminio įtempimo įtrūkimų ir reikalauja sumažinto vatų tankio. Daugeliui abrazyvinių srutų naudojimo 2,5 mm yra optimalus kompromisas, užtikrinantis 3–4 metų patikimą tarnavimo laiką ir priimtinas šilumines savybes.
Erozijos greičio ir storio nuostolių apskaičiavimas
PFA erozija srutose vyksta pagal galios dėsnį: erozijos greitis ∝ v^n × C × D^m, kur v yra greitis (m/s), n=2.5–3,5, C yra kietųjų medžiagų koncentracija (masės %), D yra dalelių skersmuo (µm) ir m=0.5–1,0. Įprastoje silicio dioksido smėlio suspensijoje (vidutiniškai 200 µm, 30 % kietųjų medžiagų) esant 2,5 m/s srauto greičiui per šildytuvą, PFA erozijos greitis yra 0,6–1,0 mm per metus. Ši norma pagrįsta ASTM G73 srutų erozijos bandymu 80 laipsnių kampu. Kietesnių dalelių (aliuminio oksido, SiC) rodikliai padvigubėja iki 1,2–2,0 mm per metus. Minkštesnių dalelių (kalcio karbonato, polimero granulių) normos sumažėja iki 0,2–0,4 mm per metus. 3 metų eksploatavimo trukmei erozija turi būti 1,8–3,0 mm, priklausomai nuo dalelių kietumo. Pridėjus saugos ribą dėl nevienodos erozijos (prieš srovę esanti šildytuvo pusė eroduoja greičiau nei pasroviui), pridedama 0,3–0,5 mm. Būtinas pradinis sienelės storis=likusi siena eksploatavimo pabaigoje (mažiausiai 0,5–1,0 mm, kad būtų išlaikytas vientisumas) + erozijos pašalpa + saugos riba.
Silicio smėliui esant 2,5 m/s greičiui, 30 % kietųjų dalelių, 3-metų gyvavimo trukmės skaičiavimas: erozijos greitis 0,8 mm/metus × 3 metai=2.4 mm erozija. Mažiausias likęs siena=1.0 mm (kad būtų atsparus prasiskverbimui ir mechaniniam įtempimui). Saugos riba=0.3 mm. Iš viso reikia=2.4 + 1.0 + 0.3=3.7 mm. Tai viršija praktines ekstruzijos ribas (maksimalus patikimas PFA sienelės storis yra 3,0–3,5 mm). Todėl vienas šildytuvas negali tarnauti 3 metus šioje agresyvioje aplinkoje. Strategijos apima: srauto greičio mažinimą (naudokite pertvaras, kad vietinį greitį sumažintumėte iki 1,5 m/s, erozijos greitį sumažintumėte 60–80%), pakeiskite dėvėjimosi movą (0,5 mm PFA arba PTFE vamzdis virš šildytuvo, keičiamas kasmet) arba erozijai atsparesnės medžiagos (ETFE arba keraminės dangos) parinkimas. Optimalus sienelės storis tampa maksimaliu pagaminamu (3,0 mm) su papildomomis apsaugos priemonėmis.
Storio pasirinkimas pagal dalelių tipą ir taikinį
| Dalelių tipas | Kietumas (Mosas) | Vidutinis dydis (µm) | Erozijos greitis 2,5 m/s, 30 % kietųjų dalelių (mm/metus) | Optimali siena 2 metų gyvenimui | Optimali siena 3 metų gyvenimui | Optimali siena 4 metų gyvenimui | Rekomenduojama apsauga |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Silicio smėlis | 7 | 100–200 | 0.7–0.9 | 2,0 mm | 2,5 mm | 3,0 mm | Negabaritinis + srauto slopintuvas |
| Silicio smėlis | 7 | 200–400 | 0.9–1.2 | 2,5 mm | 3,0 mm | 3,5 mm (nėra) | Keičiama rankovė |
| Aliuminio oksidas | 9 | 50–100 | 1.2–1.8 | 3,0 mm | Nepraktiška | Nepraktiška | ETFE danga arba keramika |
| Kalkakmenis (CaCO₃) | 3 | 200–500 | 0.2–0.3 | 1,5 mm | 1,5–2,0 mm | 2,0–2,5 mm | Standartinis PFA priimtinas |
| Vario rūda (kalkopiritas) | 3.5–4 | 100–250 | 0.3–0.5 | 1,5–2,0 mm | 2,0 mm | 2,5 mm | Standartinis |
| Geležies rūda (hematitas) | 5–6 | 150–300 | 0.5–0.7 | 2,0 mm | 2,5 mm | 3,0 mm | Negabaritinis |
| Lakieji pelenai | 5–6 | 50–150 | 0.4–0.6 | 1,5–2,0 mm | 2,0–2,5 mm | 2,5–3,0 mm | Negabaritinis |
| Polimerinės granulės (HDPE, PP) | 1–2 | 2,000–5,000 | 0.05–0.1 | 1,0 mm | 1,0–1,5 mm | 1,5 mm | Jokio susirūpinimo dėl erozijos |
| Titano dioksidas | 6 | 0,2–0,5 (aglomeruotas) | 0,3–0,5 (abrazyvinis) | 1,5–2,0 mm | 2,0 mm | 2,5 mm | Smulkios dalelės; naudoti storą sieną |
Storesnių sienų šilumos perdavimo bauda
Kompromisas-ilgesniam tarnavimo laikui su storesnėmis sienomis sumažina šilumos perdavimą. 2,5 mm sienai (prieš . 2.0 mm) papildoma šiluminė varža yra ΔR=0.0005 m / 0,20 W/m·K=0.0025 m²·K/W. Esant įprastam 3 W/cm² (30 000 W/m²) šilumos srautui, papildomas temperatūros kritimas per storesnę sieną yra 30 000 × 0.0025=75 laipsnių. Šildytuvo, kurio maksimali metalo šerdies temperatūra yra 260 laipsnių , naudojamas šilumos srautas sumažėja nuo 30 000 W/m² (3 W/cm²) 2,0 mm iki q_max=(260-80) / (0.0025+0.0025+0.001)=180} / (0.0025+0.0025+0.001)=180} / ² {0,0,2{0,41 m² nes skysčio šoninė varža (0.001) mažesnė. Skaičiavimas rodo, kad 2,5 mm sienelė sumažina maksimalų srautą tik 10%, jei šerdies temperatūra yra riba. Tačiau aukštesnė vidinio paviršiaus temperatūra tam pačiam šilumos srautui pagreitina prasiskverbimą ir terminį skilimą. Kad abrazyvinės medžiagos tarnautų ilgai, sumažinkite šilumos srautą 20–30 % žemiau maksimalaus, kad PFA vidinio paviršiaus temperatūra būtų žemesnė nei 180 laipsnių. Sumažėjus šildytuvui, 2,5 mm šildytuvui gali prireikti 25 % didesnio paviršiaus ploto nei 2,0 mm šildytuvui, kad būtų tiekiama tokia pati galia, -ty ilgesnio ar didesnio skersmens šildytuvą.
Praktinės rekomendacijos 30 % kietųjų dalelių srutoms 80 laipsnių temperatūroje
Daugumai abrazyvinių srutų, kuriose yra 30 % kietųjų dalelių 80 laipsnių temperatūroje, optimalus PFA sienelės storis yra 2,5 mm. Toks storis užtikrina 3–4 metų kvarcinio smėlio (vidutinio kietumo) ir 2–3 metų aliuminio oksido (labai kieto) tarnavimo laiką. Jei reikalingas ilgesnis tarnavimo laikas, derinkite 2,5 mm sienelę su vienu iš: (1) srauto greičio mažinimo (pridedant pertvaras arba perkeliant šildytuvą toliau nuo siurblio išleidimo), kuris gali sumažinti erozijos greitį 50–70 %; (2) keičiama PTFE įvorė (1 mm storio, keičiama kasmet), kuri apsaugo PFA apvalkalą ir leidžia eksploatuoti 5+ metus; (3) didesnio -skersmens šildytuvas (32 mm, palyginti su . 25 mm), kuris sumažina lanko įtempimą esant tokiam pat slėgiui ir suteikia daugiau atsparumo erozijai prieš pasiekiant metalinę šerdį. Labai kietoms dalelėms (aliuminio oksidas, silicio karbidas, granatas) PFA nerekomenduojama, nepaisant storio; vietoj to reikėtų naudoti metalinį šildytuvą su volframo karbido arba keramine danga.
Norėdami patikrinti esamą šildytuvą abrazyvinėje srutoje, kasmet išmatuokite PFA sienelės storį, naudodami ultragarsinį matavimą trijuose taškuose (prieš srovę, pasroviui ir šonuose) penkiose vietose išilgai ilgio. Nubraižykite retinimo normą. Kai minimalus likęs storis pasiekia 1,0 mm, suplanuokite keitimą per 3 mėnesius. Prieš srovę esanti pusė paprastai erozuoja 2–3 kartus greičiau nei pasroviui. Šildytuvas, kuris prarado 0,5 mm prieš srovę, bet tik 0,2 mm kitur, gali išlikti 2+ metų, jei šildytuvą galima pasukti 180 laipsnių kampu, kad būtų matomas naujas paviršius. Abrazyviniam naudojimui rekomenduojama pasukti kas 12–18 mėnesių, kad būtų išlygintas susidėvėjimas.
Išvada: 2,5 mm siūlo geriausią balansą 3–4 metams
PFA šildytuvui, panardintam į tekančią abrazyvinę srutą, kurioje yra 30% kietųjų dalelių 80 laipsnių kampu (silicio smėlis ar panašus kietumas, greitis 2–3 m/s), optimalus sienelės storis yra 2,5 mm, užtikrinantis 3–4 metų tarnavimo laiką, kai erozijos pašalpa (0,6–1,0 mm per metus) derinama su minimalia likusia sienele. Plonesnės sienos (1,5–2,0 mm) sugenda per 1–2 metus. Storesnės sienos (3,0 mm) užtikrina ilgesnį tarnavimo laiką, tačiau turi didesnes gamybos sąnaudas (20–30 % priedas), blogesnį šilumos perdavimą (reikalauja 20–25 % didesnio šildytuvo) ir padidina šiluminio įtempimo įtrūkimų riziką. Labai kietoms dalelėms (aliuminio oksidas, SiC) PFA netinka, nepaisant storio. Minkštoms dalelėms (kalkakmeniui, polimero granulėms) pakanka 1,5–2,0 mm. Inžinieriai turėtų atlikti erozijos greičio skaičiavimus naudodami paskelbtus duomenis apie konkretų dalelių tipą ir greitį, tada pasirinkti mažiausią sienelės storį, užtikrinantį tikslinę tarnavimo laiką ir 30 % saugos ribą. Visuose abrazyvinių srutų naudojimo atveju metinis storio stebėjimas ir periodinis šildytuvo pasukimas yra tokie pat svarbūs, kaip ir pradinis storio pasirinkimas. 2,5 mm šildytuvo kaina (20–30 % priemoka virš 2,0 mm) susigrąžinama sumažinus keitimo dažnumą ir prastovos laiką, -paprastai per 12–18 mėnesių, kai naudojamas abrazyvas.
