Ancaman Kecepatan
Uap memasuki tabung penukar panas PTFE dengan kecepatan 25-35 m/s membawa tetesan kondensat yang tertahan. Tetesan ini, bergerak dengan kecepatan mendekati uap, berdampak pada dinding tabung pada tikungan, transisi header, dan area gangguan aliran. Setiap tumbukan mengirimkan impuls mekanis mikroskopis ke permukaan PTFE.
Pada kecepatan rendah, energi tumbukan diserap secara elastis oleh polimer viskoelastik. Permukaan memantul tanpa kerusakan. Pada kecepatan yang lebih tinggi, efek kumulatif dari jutaan dampak tetesan air menghasilkan permukaan menjadi kasar, kehilangan material, dan akhirnya menipiskan dinding. Ini adalah erosi-keausan mekanis murni tanpa komponen kimia.
Kecepatan uap maksimum yang diijinkan adalah ambang batas dimana erosi selama umur desain dapat diabaikan. Di atas ambang batas ini, erosi terakumulasi hingga hilangnya dinding yang dapat diukur dalam masa pakai peralatan.
Mekanisme Pelampiasan Tetesan
Kondensat terbentuk terus menerus saat uap melepaskan panas latennya. Beberapa kondensat mengalir sebagai film di sepanjang dinding tabung. Beberapa diantaranya tertahan sebagai tetesan di-inti uap berkecepatan tinggi. Pada tikungan dan penghalang, tetesan terlempar ke luar karena gaya sentrifugal dan membentur dinding tabung.
Tekanan tumbukan tetesan air pada permukaan padat sebanding dengan tekanan palu air: P=ρ × c × V, dengan ρ adalah massa jenis air, c adalah kecepatan akustik dalam air (kira-kira 1.500 m/s), dan V adalah kecepatan tumbukan tetesan. Pada kecepatan tumbukan 30 m/s, tekanan sesaat pada titik tumbukan melebihi 45 MPa-yang cukup untuk merusak PTFE secara lokal.
Satu dampak saja tidak menimbulkan kerusakan yang terukur. Namun sistem uap yang beroperasi 6.000 jam per tahun menghasilkan ratusan juta dampak tetesan ke dinding tabung selama satu dekade. Kelelahan kumulatif dari deformasi mikro-yang berulang pada akhirnya menghasilkan retakan permukaan, pelepasan partikel, dan penipisan dinding yang terukur.
Tabel 1: Batas Kecepatan Uap untuk Tabung Penukar Panas PTFE
| Tekanan Uap (barg) | ID Tabung (mm) | Kecepatan Uap Maks yang Direkomendasikan (m/s) | Kecepatan Maks Mutlak (m/s) | Risiko Erosi Di Atas Maks Absolut |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Sedang (menjadi kasar dalam waktu 5 tahun) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Sedang |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Sedang |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Rendah-Sedang (diameter lebih besar mengurangi konsentrasi tetesan) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Sedang |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Rendah (diameter lebih besar; kepadatan uap lebih rendah pada tekanan lebih tinggi) |
Batas kecepatan berdasarkan data ketahanan erosi PTFE dan ekstrapolasi konservatif dari-pengalaman layanan jangka panjang. Maksimum absolut menunjukkan kecepatan erosi yang diperkirakan dapat diukur dalam kurun waktu 10 tahun pelayanan berkelanjutan.
Sambungan Fraksi Kekeringan
Batas kecepatan uap mengasumsikan fraksi kekeringan sebesar 98% atau lebih tinggi-yang berarti 2% atau kurang air yang masuk berdasarkan massa. Pada fraksi kekeringan yang lebih rendah, kandungan air yang masuk lebih tinggi, dan risiko erosi pada kecepatan tertentu meningkat secara proporsional.
Jika kualitas uap instalasi berada di bawah 98% kekeringan, kecepatan maksimum yang diijinkan harus dikurangi sebesar 10-15% untuk memperhitungkan peningkatan muatan tetesan. Sebagai alternatif, pemisah uap yang dipasang di bagian hulu penukar panas menghilangkan kelebihan air yang masuk dan mengembalikan margin kecepatan desain.
Perhitungan Kecepatan Desain
Kecepatan uap di setiap tabung dihitung dengan membagi aliran volumetrik uap per tabung dengan luas penampang-tabung. Total aliran massa uap ditentukan dari tugas panas: aliran massa=tugas panas / panas laten uap.
Untuk penukar panas PTFE 50 kW dengan 40 tabung ID 8mm yang beroperasi pada uap 3 barg, aliran massa per tabung kira-kira 0,75 kg/jam. Volume spesifik steam jenuh pada 3 barg adalah 0,46 m³/kg. Aliran volumetrik per tabung adalah 0,35 m³/jam. Luas penampang tabung adalah 5,0 × 10⁻⁵ m². Kecepatan uapnya adalah 1,9 m/s-dalam batas aman.
Perhitungan kecepatan harus dilakukan selama tahap desain dan diverifikasi bahwa kecepatannya berada di bawah maksimum yang direkomendasikan. Untuk sebagian besar penukar panas PTFE dengan jumlah tabung yang memadai, kecepatan uap secara alami rendah karena banyaknya jalur aliran paralel. Kecepatan tinggi lebih sering menjadi perhatian dalam penukar kecil dengan sedikit tabung atau dalam sistem dimana tekanan pasokan uap jauh di atas tekanan desain.
Ringkasan
Kecepatan uap maksimum yang diijinkan di dalam tabung penukar panas PTFE adalah 20-30 m/s, tergantung pada diameter tabung dan tekanan uap, dengan 35-38 m/s mewakili maksimum absolut yang diperkirakan akan menyebabkan erosi terukur. Batasan ini mengasumsikan fraksi kekeringan uap sebesar 98% atau lebih tinggi. Fraksi kekeringan yang lebih rendah memerlukan pengurangan kecepatan.
Untuk sebagian besar penukar PTFE multi-tabung yang dirancang dengan baik, kecepatan uap secara alami berada di bawah batas ini karena banyaknya jalur aliran paralel. Verifikasi kecepatan selama desain memastikan bahwa erosi tidak membatasi masa pakai peralatan.
Analisis teknik untuk verifikasi kecepatan uap dalam desain penukar panas PTFE tertentu tersedia setelah penyerahan data tugas panas, tekanan uap, jumlah dan dimensi tabung, dan kualitas uap.
