Perunggu Aluminium Yang Telah Melayani Air Laut Selama Puluhan Tahun
Perunggu aluminium adalah paduan berbahan dasar tembaga-yang mengandung 5–11% aluminium, dengan tambahan besi, nikel, dan mangan. Paduan tersebut membentuk lapisan film aluminium oksida pelindung yang tahan terhadap korosi air laut, dan lapisan tersebut dapat pulih sendiri-jika rusak. Laju korosi pada air laut bersih biasanya kurang dari 0,025 mm per tahun, yang memberikan masa pakai 20-30 tahun untuk ketebalan dinding tabung pada umumnya.
Aluminium perunggu digunakan dalam penukar panas air laut karena menggabungkan ketahanan korosi yang memadai dengan konduktivitas termal yang tinggi dan biaya yang moderat. Konduktivitas termalnya sekitar 60 W/m·K, yang kira-kira 240 kali lebih tinggi dari PTFE. Konduktivitas yang tinggi berarti penukar panas aluminium perunggu kompak dan relatif murah.
Keterbatasan aluminium perunggu adalah kerentanannya terhadap erosi-korosi pada kecepatan aliran tinggi dan serangan sulfida pada air laut yang tercemar. Batas erosi-korosi biasanya 1,5–2,5 m/s untuk layanan air laut, di atas batas tersebut lapisan pelindung dihilangkan secara mekanis dan laju korosi meningkat tajam. Serangan sulfida terjadi ketika air laut mengandung hidrogen sulfida, yang umum terjadi di pelabuhan dan muara yang tercemar. Sulfida bereaksi dengan tembaga dalam paduan dan membentuk tembaga sulfida, yang tidak bersifat protektif.
PTFE Yang Menghilangkan Mekanisme Korosi
PTFE tahan terhadap air laut pada semua konsentrasi dan suhu dalam jangkauan layanannya. Bahannya tidak menimbulkan korosi, dan masa pakainya ditentukan oleh faktor mekanis, bukan oleh serangan kimia. PTFE tidak rentan terhadap erosi-korosi pada kecepatan aliran tinggi, dan tidak diserang oleh sulfida atau klorida.
Penghapusan mekanisme korosi adalah alasan utama PTFE ditentukan untuk layanan air laut di mana aluminium perunggu akan rusak. Unit PTFE tidak menimbulkan serangan erosi-korosi atau sulfida yang membatasi masa pakai aluminium perunggu, dan kinerja perpindahan panas tetap stabil selama masa pakai.
Kesenjangan Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal aluminium perunggu kira-kira 60 W/m·K, dibandingkan dengan 0,25 W/m·K untuk PTFE. Rasionya sekitar 240:1.
Untuk penukar panas yang menolak 100 kW dalam air laut pada suhu 30 derajat, unit aluminium perunggu memerlukan luas permukaan sekitar 5 m², berdasarkan koefisien perpindahan panas keseluruhan sebesar 1.000 W/m²·K dan perbedaan suhu rata-rata log sebesar 20 derajat . Unit PTFE untuk tugas yang sama memerlukan luas permukaan sekitar 25 m², berdasarkan koefisien keseluruhan sebesar 200 W/m·K dan perbedaan suhu yang sama.
Unit PTFE 5 kali lebih besar dari unit aluminium perunggu. Ukuran yang lebih besar meningkatkan biaya modal, luas lantai, dan volume fluida. Fluks panas yang lebih rendah mengurangi suhu dinding tabung, yang bermanfaat untuk proses tersebut, namun luas permukaan yang lebih besar juga menyediakan lebih banyak permukaan untuk endapan dan memerlukan lebih banyak waktu untuk membersihkan.
Erosi-Batas Korosi Aluminium Perunggu
Batas korosi-erosi adalah kecepatan aliran di mana lapisan pelindung pada perunggu aluminium dihilangkan secara mekanis dan laju korosi meningkat tajam. Batasannya tergantung pada komposisi paduan, kimia air laut, dan geometri tabung.
Untuk perunggu aluminium standar dalam air laut bersih, batas korosi-erosi biasanya 1,5–2,5 m/s. Di atas kecepatan ini, laju korosi dapat meningkat lima hingga sepuluh kali lipat, dan masa pakai berkurang dari 20–30 tahun menjadi 3–5 tahun.
Batas korosi-erosi adalah parameter desain penting untuk penukar panas aluminium perunggu. Kecepatan sisi tabung-harus dipertahankan di bawah batas, yang mungkin memerlukan diameter tabung lebih besar atau laju aliran lebih rendah. Diameter tabung yang lebih besar meningkatkan ukuran penukar panas dan biaya modal.
PTFE tidak memiliki batas erosi-korosi dalam pengertian yang sama. Bahan tersebut tidak rentan terhadap penghilangan lapisan pelindung secara mekanis karena tidak adanya lapisan pelindung. Penukar panas PTFE dapat beroperasi pada kecepatan aliran yang lebih tinggi tanpa risiko erosi-korosi, sehingga memberikan lebih banyak fleksibilitas dalam desain.
Serangan Sulfida pada Perunggu Aluminium
Serangan sulfida terjadi ketika air laut mengandung hidrogen sulfida, yang umum terjadi di pelabuhan, muara, dan kawasan pembuangan industri yang tercemar. Sulfida bereaksi dengan tembaga dalam aluminium perunggu dan membentuk tembaga sulfida, yang tidak bersifat protektif. Laju korosi meningkat tajam, dan masa pakai berkurang dari 20–30 tahun menjadi 1–3 tahun.
Serangan sulfida adalah fenomena lokal yang dimulai pada ujung tabung dan pada sambungan lembaran tabung-ke-tabung, dengan kecepatan aliran rendah dan konsentrasi sulfida tinggi. Serangan tersebut bermanifestasi sebagai pitting yang menembus dinding tabung dan menyebabkan kebocoran.
PTFE tidak diserang oleh sulfida. Bahan ini tahan terhadap hidrogen sulfida pada semua konsentrasi dan suhu dalam jangkauan layanannya. Inilah alasan utama PTFE diperuntukkan bagi layanan air laut di pelabuhan dan muara yang tercemar.
Membandingkan Dua Bahan dalam Pertukaran Panas Air Laut
Tabel berikut merangkum karakteristik kinerja dan biaya penukar panas PTFE dan aluminium perunggu dalam layanan pertukaran panas air laut pada suhu 30 derajat dengan air laut bersih dan kecepatan aliran 1,5 m/s.
| Ciri | Penukar Panas Perunggu Aluminium | Penukar Panas PTFE | Keuntungan |
|---|---|---|---|
| Konduktivitas termal | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Perunggu aluminium |
| Koefisien perpindahan panas keseluruhan | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Perunggu aluminium |
| Luas permukaan yang dibutuhkan untuk 100 kW | 5 m² | 25 m² | Perunggu aluminium |
| Ketahanan kimia terhadap air laut bersih | Bagus sekali | Bagus sekali | Setara |
| Ketahanan kimia terhadap sulfida-air laut yang terkontaminasi | Miskin | Bagus sekali | PTFE |
| Erosi-batas korosi | 1.5–2.5 m/s | Tidak ada | PTFE |
| Suhu pengoperasian maksimum | 200 derajat | 260 derajat | PTFE |
| Kekuatan mekanik | Tinggi | Sedang | Perunggu aluminium |
| Ketahanan terhadap guncangan termal | Sedang | Tinggi | PTFE |
| Kemampuan untuk diperbaiki | Terbatas | Bagus | PTFE |
| Kehidupan pelayanan di air laut yang bersih | 20–30 tahun | 15–20 tahun | Perunggu aluminium |
| Masa pakai dalam air laut yang terkontaminasi sulfida- | 1–3 tahun | 15–20 tahun | PTFE |
| Biaya modal untuk tugas 100 kW | $45,000 | $52,000 | Perunggu aluminium |
| Biaya pemasangan | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Biaya pemeliharaan tahunan | $2,000 | $3,000 | Perunggu aluminium |
| Total biaya lima-tahun (air laut bersih) | $91,000 | $92,000 | Setara |
| Total biaya lima-tahun (terkontaminasi-sulfida) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Nilai total biaya lima{0}}tahun mengasumsikan nilai produksi sebesar $600 per jam dan mencakup biaya modal, biaya pemasangan, dan biaya pemeliharaan selama lima tahun. Kasus yang terkontaminasi sulfida-mengasumsikan satu penggantian penukar panas selama lima tahun untuk unit aluminium perunggu.
Ketika Aluminium Bronze Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
Perunggu aluminium adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi spesifik.
Pelayanan air laut bersih.Ketika air laut bersih dan kecepatan aliran berada di bawah batas-korosi erosi, aluminium perunggu memberikan kinerja yang sangat baik dengan biaya modal yang lebih rendah.
Layanan-kecepatan rendah.Ketika kecepatan aliran di bawah 1,5 m/s, risiko erosi-korosi rendah, dan aluminium perunggu adalah pilihan yang lebih baik.
Ruang-instalasi terbatas.Ketika ruang yang tersedia sangat terbatas, unit aluminium perunggu yang lebih kecil mungkin merupakan satu-satunya pilihan yang layak. Unit PTFE memerlukan luas permukaan 5 kali lipat, yang mungkin tidak sesuai dengan ruang yang tersedia.
Layanan-tekanan tinggi.Perunggu aluminium memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi dibandingkan PTFE dan dapat menahan tekanan yang lebih tinggi. Untuk layanan air laut pada tekanan di atas 10 bar, aluminium perunggu mungkin merupakan satu-satunya pilihan yang tepat.
Ketika PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi spesifik.
Sulfida-air laut yang terkontaminasi.PTFE tahan terhadap sulfida, sedangkan aluminium perunggu tahan terhadap serangan. Untuk pelayanan air laut di pelabuhan dan muara yang tercemar, PTFE adalah pilihan yang lebih baik.
Layanan-berkecepatan tinggi.PTFE tidak memiliki batas-korosi erosi, sehingga cocok untuk digunakan pada kecepatan aliran tinggi.
Layanan bersepeda termal.PTFE memiliki ketahanan guncangan termal yang lebih tinggi dibandingkan aluminium perunggu, sehingga cocok untuk servis dengan perubahan suhu yang sering.
Layanan yang dapat diperbaiki.Penukar panas PTFE dapat diperbaiki di lokasi oleh teknisi berkualifikasi, sehingga mengurangi waktu henti dan kerugian produksi.
Persyaratan umur panjang dalam air laut yang terkontaminasi.Ketika air laut terkontaminasi dan penukar panas diperkirakan memiliki masa pakai 10 tahun atau lebih, PTFE adalah pilihan yang lebih baik karena tahan terhadap serangan bahan kimia dalam jangka waktu yang lebih lama.
Fitur Desain yang Memperpanjang Umur Layanan
Beberapa fitur desain memperpanjang masa pakai penukar panas PTFE dan aluminium perunggu dalam layanan air laut.
Kontrol kecepatan aliran.Mempertahankan kecepatan aliran di bawah batas korosi-erosi akan mengurangi laju korosi perunggu aluminium.
Pemantauan sulfida.Pemantauan konsentrasi sulfida dalam air laut memungkinkan operator untuk beralih ke sumber pendingin lain jika konsentrasi sulfida meningkat di atas ambang batas.
Perlindungan katodik.Anoda korban atau sistem proteksi katodik terkesan arus dapat mengurangi laju korosi pada aluminium perunggu.
Di-ketentuan pembersihan di tempat.Sambungan untuk pasokan dan pengembalian larutan pembersih memungkinkan penukar panas dibersihkan tanpa pembongkaran, sehingga mengurangi waktu henti dan kerugian produksi.
Pemantauan suhu.Sensor suhu pada saluran masuk dan keluar penukar panas memungkinkan kinerja perpindahan panas dipantau, sehingga memungkinkan deteksi dini pengotoran atau degradasi.
Parameter Spesifikasi Pertukaran Panas Air Laut
Insinyur peralatan yang mengevaluasi penukar panas PTFE dan aluminium perunggu untuk pertukaran panas air laut harus mengkonfirmasi parameter berikut dengan pemasok.
Kimia air laut.Tentukan konsentrasi klorida, konsentrasi sulfida, dan kontaminan lainnya.
Suhu pengoperasian.Tentukan suhu pengoperasian maksimum dan profil suhu yang diharapkan.
Kecepatan aliran.Tentukan kecepatan aliran maksimum dan batas-korosi erosi untuk perunggu aluminium.
Tekanan operasi.Tentukan tekanan operasi maksimum.
Beban panas dan luas permukaan.Tentukan beban panas dan luas permukaan yang diperlukan untuk setiap pilihan material.
Keterbatasan ruang.Tentukan ruang yang tersedia dan tapak maksimum yang diperbolehkan.
Kemampuan pemeliharaan.Tentukan kemampuan pemeliharaan fasilitas, termasuk kemampuan untuk memperbaiki penukar panas di lokasi.
Persyaratan kehidupan pelayanan.Tentukan masa pakai yang diharapkan dan jadwal penggantian.
Mencocokkan Pemilihan Material dengan Kondisi Pelayanan Air Laut
Pemilihan antara PTFE dan penukar panas aluminium perunggu dalam pertukaran panas air laut bergantung pada kimia air laut, kecepatan aliran, batasan ruang, dan persyaratan masa pakai. Perunggu aluminium memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dan memerlukan luas permukaan yang lebih kecil, namun rentan terhadap erosi-korosi dan serangan sulfida. PTFE memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah dan membutuhkan luas permukaan yang lebih luas, namun tahan terhadap semua kontaminan air laut dan kecepatan aliran.
Keputusan pemilihan harus didasarkan pada analisis{0}}spesifik fasilitas yang mencakup biaya modal, biaya pemasangan, biaya pemeliharaan, dan paparan kerugian produksi. Model spreadsheet sederhana dengan komponen biaya ini memberikan informasi yang diperlukan untuk mengambil keputusan.
Untuk fasilitas pertukaran panas air laut yang mengevaluasi pilihan penukar panas, pemilihan material harus didasarkan pada total biaya kepemilikan selama umur layanan yang diharapkan, bukan hanya biaya modal atau kinerja termal. Unit aluminium perunggu dengan biaya modal lebih rendah mungkin memiliki biaya seumur hidup lebih tinggi jika air laut terkontaminasi dan unit tersebut memerlukan penggantian sering.
Insinyur peralatan dan spesialis pengadaan yang mengevaluasi spesifikasi penukar panas PTFE untuk pertukaran panas air laut atau layanan korosif lainnya dapat meminta tinjauan desain yang mencakup kimia air laut, suhu pengoperasian, kecepatan aliran, tekanan pengoperasian, dan batasan ruang untuk memastikan pemilihan material disesuaikan dengan kondisi layanan aktual dan struktur biaya fasilitas.
