Kakšen je učinek hitrega znižanja tlaka na grelec PFA, ki je deloval pri 2 barih?

V sistemih pod tlakom, kot so avtoklavi, tlačni reaktorji ali zaprti rezervoarji, so grelniki PFA zasnovani tako, da delujejo tako, da notranji tlak izenači s sistemom. Med hitrim znižanjem tlaka v sistemu (vakuumski prekinitev ali odzračevanje v sili) se razlika v tlaku čez plašč PFA obrne. V normalnih pogojih delovanja pri 2 barih (abs) je tlak v grelniku (prostor med PFA in jedrom) približno enak tlaku v sistemu. Če se hitro odzrači na 1 bar (atmosferski), bo sistemski tlak narasel na 1 bar, vendar lahko tlak v obroču grelnika ostane pri 2 barih sekunde do minute, odvisno od prepustnosti in odzračevalnih poti. To povzroči razliko v tlaku do 1 bara (14,5 psi) od znotraj navzven, zaradi česar je plašč iz PFA pod obročastim stresom. Za grelnik PFA s 25 mm OD in 2 mm stene daje razlika 1 bar obročasto napetost=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, precej pod natezno trdnostjo PFA (12–15 MPa). Torej en dogodek znižanja tlaka ni katastrofalen. Ponavljajoče se hitro znižanje tlaka (na stotine ciklov) pa povzroči pokanje zaradi utrujenosti. Učinek je kumulativen, mikrorazpoke se začnejo na stiku po 500-2000 ciklih, ki napredujejo do permeacije in morebitne odpovedi.

Razlike napetosti in tlaka pri razbremenitvi tlaka
Primarni proces ni obročna napetost zaradi razlike v tlaku, temveč hitro ohlajanje, ki običajno spremlja znižanje tlaka. Adiabatna ekspanzija in ohlajanje se bosta pojavila med znižanjem tlaka v obratovanju s paro ali paro. Če je sistem nasičena para z 2 baroma (120 stopinj), hitro odzračevanje na 1 bar takoj zniža temperaturo na 100 stopinj (z ekspanzijo). Grelec PFA pri 120 stopinjah dobi toplotni šok 20 stopinj. Kombinacija razlike v tlaku (obročna napetost 0,625 MPa) in toplotnega šoka (temperaturni gradient skozi steno) povzroči večjo najvišjo napetost na vmesniku kovine PFA-. Gašenje pri 20 stopinjah z 1 barom razlike v tlaku-, ki se približuje meji utrujenosti, povzroči največjo obremenitev 3–5 MPa z analizo končnih elementov.

Pri ne{0}}parnih sistemih (samo tekočina) razbremenitev ne ohladi, ker tekočine skoraj ni mogoče stisniti. Vendar pa lahko raztopljeni plini iztečejo iz raztopine in povzročijo mehurčke, ki se sesedejo na površini PFA (kavitacija). Kavitacijska erozija (glej člen #13) je bolj uničujoča kot sama razlika v tlaku.

Najslabši primer je hitro znižanje tlaka vročega nasičenega sistema, v katerem je PFA absorbiral vodo ali kisle hlape. Ko tlak pade, absorbirane hlapne snovi bliskovito izparijo v steni PFA, kar povzroči notranje mehurje (glejte člen #61). Pri 120 stopinjah je PFA, nasičen z vodo, dovzeten za nastanek mehurjev pri razliki 1 bar.

Povzetek učinkov po vrsti sistema
Vrsta sistema Delovni pogoji Stopnja znižanja tlaka Primarne napetosti PFA Okvara mehanizma poškodb Kritični cikli
Samo tekočina (brez plina v raztopini) 2 bara, 80 stopinj Quick (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10.000 (utrujenost ni pomembna)
Tekočina z raztopljenim zrakom 2 bara, 80 stopinj Hitra kavitacija z izločanjem površinskih lukenj 1.000–5.000
Nasičena para 2 bara, 120 stopinj Rapid Termični šok (20 stopinj ) + obroč Utrujenost vmesnika 500–2000
Superheated water (>100 stopinj ) 2 bara, 120 stopinj Hitro utripanje v paro v PFA Notranje mehurjenje 200–1000
Kisli hlapi + para 2 bara, 130 stopinj Rapid Prepustnost kislih hlapov bliska + toplota Nastajanje mehurjev + pokanje 100–500
Vse s PFA prepojenim prežetimVsako notranje nastajanje hlapov Nastajanje mehurjev Nasičeno: enkraten-dogodek
Kvantifikacija učinka ponavljajočega znižanja tlaka
Primer: PFA grelnik v nasičeni pari pri 120 stopinjah, 2 bara, 10 hitrih znižanj tlaka na dan. (npr. dnevni šaržni cikli z odzračevanjem) Pričakovana življenjska doba:

Brez znižanja tlaka: osnovna življenjska doba 5-8 let (toplotno cikliranje)

Z dekompresijo: Življenjska doba 1-3 leta

Zmanjšanje je posledica kombinacije toplotnega šoka (zaradi adiabatnega hlajenja) in obročne napetosti. Če je para pregreta (brez tekoče vode), je hlajenje manj resno, ker se ne sprošča latentna toplota. Pregreta para pri 150 stopinjah, 2 bara, ohlajanje na 120 stopinj pri znižanju tlaka (zmanjšanje za 30 stopinj) bo povzročilo dodatno toplotno obremenitev.

Hitro znižanje tlaka ima majhen učinek na sisteme samo s tekočino (brez pare). Obročna napetost 0,6 MPa je precej pod 5–10 MPa, ki je značilna za toplotno kroženje. Glavna napetost je posledica diferencialne ekspanzije pri ogrevanju/hlajenju, ne tlaka.

Zmanjšanje tlaka-za sisteme, nagnjene k zmanjšanju
Če se hitremu znižanju tlaka ni mogoče izogniti, naredite naslednje:

Podaljšajte čas odzračevanja z 1 sekunde na 30-60 sekund, odzračujte počasi. To odpravlja toplotni šok in omogoča, da PFA izenači pritisk brez stresa.

Namestite vod za izravnavo tlaka. Povežite obročasto območje med PFA in jedrom na sistemski tlak z majhno izvrtino cevi. S tem se izognete razlikam v tlaku med odzračevanjem.

Izberite debelejši PFA: 2,5-3,0 mm stene=ustrezno manj napetosti obroča. Za 3 mm stensko obročno napetost pri 1 baru=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa – celo manj.

Posušite PFA: če PFA ni nasičen z vodo ali kislino, do utripanja ne bo prišlo. Če gre za redno znižanje tlaka, naj bodo grelniki suhi in se izogibajte dolgotrajni potopitvi v prodirajoče tekočine.

Check post-events: Check the insulation resistance after any fast depressurisation. Damage is indicated by drops >20%

Primer na terenu
Farmacevtski reaktor, ki uporablja grelnike PFA v parno-ogrevani tlačni posodi pri 120 stopinjah, 2 bara. Cikel je obsegal hitro znižanje tlaka (5 s) na koncu vsake serije (10 serij/dan). Grelniki so odpovedali vsakih 8-12 mesecev zaradi opeklin na površini PFA. Tovarna je spremenila cikel, da je odzračevanje trajalo več kot 60 sekund. Brez mehurčkov, življenjska doba grelnika je 4+ let. Dodatnih 55 sekund vsake serije (10 minut/dan) je bilo dopustnih. Sicer pa se ni nič spremenilo.

Zaključek: Hitra razbremenitev tlaka poškoduje le PFA v sistemu pare
Grelniki PFA niso zelo občutljivi na hitro znižanje tlaka od 2 barov v primeru sistemov samo s tekočino (obročna napetost 1 MPa je precej pod mejo utrujenosti). Pri uporabi nasičene pare ali hlapov toplotni udar (20–30 stopinj), notranje bliskanje prodrlih hlapnih snovi in ​​obročna napetost povzročijo utrujenost, pokanje in mehurje po 500–2000 ciklih, kar omeji življenjsko dobo grelnika za 50–80 %. Odzračevanje je treba izvajati previdno (30–60 sekund), da preprečite poškodbe PFA. Pred delovanjem pod tlakom dodajte cevi za izravnavo tlaka ali suhi PFA. Če se vaš sistem hitro odzrači in ima paro ali vroče hlape, predpostavimo, da je vaš grelnik PFA poškodovan. Preizkusite, zmanjšajte ali sprejmite skrajšano življenjsko dobo. Težava je v hlapih, ne v tlaku. Nadzorujte hlape, nadzorujte škodo.