Ултразвукова среда
Ултразвуковите почистващи вани генерират звукови вълни с честоти от 20-80 kHz, създавайки микроскопични кавитационни мехурчета, които имплодират срещу потопени повърхности. Тези имплозии произвеждат локализирани ударни вълни и температури, надвишаващи 5000 градуса в точката на колапс на мехура. Процесът почиства детайлите ефективно. Освен това атакува всяка структура, потопена във ваната.
Стандартните конструкции на PTFE топлообменник, разработени за конвенционални вани за покритие и ецване, не са проектирани за ултразвукова среда. Високо{1}}честотните колебания на налягането, кавитационните имплозии върху повърхностите на тръбите и вибрационната умора в опорните точки изискват специфични модификации на конструкцията, за да се осигури надежден експлоатационен живот.
Химическата инертност на PTFE не е от значение за тези механични предизвикателства. Дизайнът трябва да е насочен към физическа издръжливост, а не към химическа устойчивост.
Кавитационна ерозия върху PTFE повърхности
Кавитационните мехурчета имплодират предимно върху твърди повърхности. Асиметричният колапс генерира микро-струя течност, която удря повърхността със скорости над 100 m/s. Повтарящите се удари причиняват локализирани повърхностни повреди-вдлъбнатини, грапавини и евентуална загуба на материал.
PTFE се съпротивлява на кавитационната ерозия по-добре от металите поради своята вискоеластичност. Полимерът абсорбира енергията на удара чрез движение на молекулярната верига, вместо да се счупи, както би направил чуплив материал. PTFE обаче не е имунизиран. Продължителното излагане на ултразвук с висок-интензитет в крайна сметка води до загрубяване на повърхността, което може да прогресира до питинг.
Модификациите на дизайна за смекчаване на кавитационната ерозия включват увеличаване на дебелината на стената на тръбата от стандартните 1,0 mm до 1,5-2,0 mm, за да се осигури възможност за ерозия, ориентиране на тръбите успоредно на фронта на вълната на ултразвуковия преобразувател, а не перпендикулярно, за да се минимизира директното въздействие, и позициониране на тръбния сноп в зони с по-нисък интензитет на кавитация, далеч от фокусните точки на преобразувателя.
Таблица 1: Модификации на дизайна на ултразвукова баня за PTFE топлообменници
| Елемент на дизайна | Стандартен дизайн | Ултразвуков-модифициран дизайн | Обосновка |
|---|---|---|---|
| Дебелина на стената на тръбата | 1,0 мм | 1,5-2,0 мм | Допускане на ерозия за кавитация |
| Ориентация на тръбата | Оптимизиран за топлинна ефективност | Успоредно на фронта на вълната, където е възможно | Намален ъгъл на кавитация |
| Подпорно разстояние | 300-400 мм | 200-250 мм | Намален обхват за-високочестотна вибрация |
| Поддържащо затягане | Стандартна хлабина (0,5 мм) | Еластомерна вложка (PTFE или Viton) | Затихване на ултразвукови вибрации в контактните точки |
| Материал на опорната плоча | Твърд PTFE | PTFE с амортизиращ слой | Поглъщане на високо{0}}честотна енергия |
| Колекторни връзки | Твърдо закрепване на хедера | Гъвкава междинна секция | Изолиране на колектори от тръбни вибрации |
| Повърхностно покритие на тръбите | Като-екструдиран | Като-екструдиран (гладък) | Намалете до минимум местата на образуване на кавитация |
| Налягане на парата | За термично натоварване | Намален, ако е възможно | По-ниско напрежение на стената при комбинирано натоварване |
Високо{0}}умора от вибрации
Ултразвуковите честоти от 20-80 kHz са с порядъци над естествените честоти на участъците на PTFE тръбите. Тръбите не резонират. Но те са подложени на принудително изместване при ултразвуковата честота, създавайки цикли на микронапрежения, които натрупват щети от умора в продължение на милиарди цикли.
Загрижеността за умората е концентрирана в опорните точки. Когато тръбите минават през опорни плочи, цикличното микро{1}}движение между тръбата и опората създава износване-на повърхността от колебание с малка-амплитуда. С течение на времето фретингът изтънява стената на тръбата в опорната точка, което в крайна сметка причинява изтичане.
Модификациите на дизайна решават това чрез еластомерни вложки в опорните точки. Тънък слой гъвкав материал между тръбата и опората абсорбира микро-движението, без да го предава към повърхността на тръбата. Материалът на вложката трябва да е химически съвместим с почистващия разтвор-подходящи са PTFE или висок-клас флуоровъглеродни еластомери.
Заглавие и изолация на връзката
Връзките-към-колектора изпитват комбинираното напрежение от налягането на парата, термичното разширение и ултразвуковата вибрация. Компонентът на вибрациите, макар и малък по амплитуда, се движи с честоти, които могат да разхлабят механичните фитинги.
Гъвкавите преходни секции между тръбния сноп и твърдите колектори изолират колекторите от вибрации. Къса дължина на неподдържана, но -заглушена от вибрации тръба между последната опорна плоча и фитинга на колектора поема относителното движение, без да предава напрежение към връзката.
Компресионните фитинги с резба се възползват от заключващи функции-преобладаващи-динамични гайки, заключващи шайби или вторични заключващи яки-, които предотвратяват ултразвуковото разхлабване. Не се препоръчват стандартни фитинги без заключващи функции.
Резюме
PTFE топлообменници в почистващи вани с ултразвуково разбъркване изискват специфични модификации на дизайна: по-дебели тръбни стени за допускане на кавитационна ерозия, по-близко разстояние между опорите с еластомерни вложки за амортизиране на вибрациите, ориентация на тръбата, която минимизира директното въздействие на кавитация, и гъвкави връзки на колектора със заключващи фитинги за предотвратяване на ултразвуково разхлабване.
Тези модификации запазват химическите и термичните предимства на PTFE, като същевременно осигуряват механична издръжливост в механично агресивната ултразвукова среда. Стандартните конструкции, инсталирани без тези модификации, рискуват преждевременна повреда поради кавитационна ерозия или вибрационна умора в опорните точки.
Инженерен анализ за потребителски проекти на PTFE топлообменник в ултразвукови приложения е достъпен при подаване на ултразвукова честота и плътност на мощността, геометрия на резервоара, химия на почистващия разтвор, работна температура и изисквано натоварване на отоплението.
