Ποια είναι η επίδραση της ταχείας αποσυμπίεσης σε έναν θερμαντήρα PFA που λειτουργούσε στα 2 Bar;

Σε συστήματα υπό πίεση όπως αυτόκλειστα, αντιδραστήρες πίεσης ή σφραγισμένες δεξαμενές, οι θερμαντήρες PFA είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν με την εσωτερική πίεση να εξισορροπείται με το σύστημα. Κατά τη γρήγορη αποσυμπίεση του συστήματος (διακοπή κενού ή εξαερισμός έκτακτης ανάγκης) η διαφορά πίεσης στο περίβλημα PFA αντιστρέφεται. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας στα 2 bar (abs) η πίεση στο θερμαντήρα (ο χώρος μεταξύ του PFA και του πυρήνα) είναι περίπου ίση με την πίεση του συστήματος. Εάν εξαεριστεί γρήγορα στο 1 bar (ατμοσφαιρικό), η πίεση του συστήματος θα πάει στο 1 bar, αλλά η πίεση στον δακτύλιο του θερμαντήρα μπορεί να παραμείνει στα 2 bar για δευτερόλεπτα έως λεπτά, ανάλογα με τις διαδρομές διείσδυσης και εξαερισμού. Αυτό προκαλεί μια διαφορά πίεσης έως και 1 bar (14,5 psi) από το εσωτερικό προς το εξωτερικό, θέτοντας το περίβλημα PFA σε πίεση στεφάνης. Για έναν θερμαντήρα PFA με OD 25 mm και τοίχο 2 mm, μια διαφορά 1 bar δίνει τάση στεφάνης=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, πολύ κάτω από την αντοχή εφελκυσμού του PFA (12–15 MPa). Επομένως, ένα περιστατικό αποσυμπίεσης δεν είναι καταστροφικό. Η επαναλαμβανόμενη ταχεία αποσυμπίεση (εκατοντάδες κύκλοι) ωστόσο προκαλεί σκάσιμο λόγω κόπωσης. Το αποτέλεσμα είναι αθροιστικό, οι μικρορωγμές ξεκινούν στην επαφή μετά από 500-2.000 κύκλους προχωρώντας σε διείσδυση και τελική αστοχία.

Διαφορές πίεσης και πίεσης κατά την αποσυμπίεση
Η κύρια διαδικασία δεν είναι η τάση στεφάνης λόγω της διαφοράς πίεσης, αλλά η ταχεία ψύξη που συνήθως συνοδεύει την αποσυμπίεση. Η αδιαβατική διαστολή και ψύξη θα συμβεί κατά την αποσυμπίεση στην υπηρεσία ατμού ή ατμού. Εάν το σύστημα είναι κορεσμένος ατμός 2 bar (120 μοίρες), η γρήγορη εξαέρωση σε 1 bar μειώνει αμέσως τη θερμοκρασία στους 100 βαθμούς (μέσω διαστολής). Ο θερμαντήρας PFA στους 120 βαθμούς δέχεται θερμικό σοκ 20 μοιρών. Ο συνδυασμός διαφοράς πίεσης (0,625 MPa τάση στεφάνης) και θερμικού σοκ (κλίση θερμοκρασίας μέσω του τοίχου) προκαλεί μεγαλύτερη τάση αιχμής στη διεπαφή μετάλλου PFA{11}}. Ένα σβήσιμο 20 μοιρών με διαφορά πίεσης 1 bar-που προσεγγίζει το όριο κόπωσης έχει ως αποτέλεσμα μέγιστη τάση 3-5 MPa χρησιμοποιώντας ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων.

Για συστήματα χωρίς-ατμό (μόνο σε υγρό) η αποσυμπίεση δεν ψύχεται καθώς τα υγρά είναι σχεδόν ασυμπίεστα. Ωστόσο, τα διαλυμένα αέρια μπορεί να ρέουν έξω από το διάλυμα και να δημιουργήσουν φυσαλίδες που καταρρέουν στην επιφάνεια του PFA (σπηλαίωση). Η διάβρωση της σπηλαίωσης (βλ. άρθρο #13) είναι πιο καταστροφική από τη διαφορά πίεσης μόνο.

Η χειρότερη περίπτωση είναι μια γρήγορη αποσυμπίεση ενός θερμού κορεσμένου συστήματος στο οποίο το PFA έχει απορροφήσει νερό ή όξινο ατμό. Καθώς η πίεση πέφτει, τα απορροφούμενα πτητικά αναβοσβήνουν σε ατμό εντός του τοιχώματος PFA, δημιουργώντας εσωτερικές φουσκάλες (βλ. άρθρο #61). Στους 120 βαθμούς, το PFA κορεσμένο με νερό είναι ευαίσθητο σε φουσκάλες σε διαφορά 1 bar.

Σύνοψη εφέ κατά τύπο συστήματος
Τύπος συστήματος Συνθήκες λειτουργίας Ποσοστό αποσυμπίεσης Πρωτεύουσες τάσεις Βλάβη PFA Μηχανισμός Βλάβη Κρίσιμοι Κύκλοι
Μόνο υγρό (χωρίς αέριο σε διάλυμα) 2 bar, 80 μοίρες Γρήγορη (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10.000 (η κόπωση δεν είναι σημαντική)
Υγρό με διαλυμένο αέρα 2 bar, ταχεία σπηλαίωση 80 μοιρών με εξαγωγή αερίων Επιφανειακή διάνοιξη 1.000–5.000
Κορεσμένος ατμός 2 bar, Γρήγορο θερμικό σοκ 120 μοιρών (20 μοίρες) + κρίκος κούραση διεπαφής 500–2.000
Superheated water (>100 μοιρών ) 2 bar, 120 μοιρών Γρήγορο Αναβοσβήνει στον ατμό σε PFA Εσωτερικές κυψέλες 200–1000
Ατμοί οξέος + ατμός 2 bar, 130 μοίρες Ταχεία διαπερατότητα ατμών οξέος αναβοσβήνει + θερμότητα Φουσκάλες + σκάσιμο 100–500
Οποιοδήποτε με PFA εμποτισμένο με διαπερατό Οποιαδήποτε εσωτερική παραγωγή ατμού BlisteringSaturated: ένα-συμβάν
Ποσοτικοποίηση της επίδρασης της επαναλαμβανόμενης αποσυμπίεσης
Παράδειγμα: Θερμαντήρας PFA σε υπηρεσία κορεσμένου ατμού στους 120 βαθμούς, 2 bar, 10 γρήγορες αποσυμπιέσεις ανά ημέρα. (π.χ. ημερήσιοι κύκλοι παρτίδων με εξαερισμό) Προσδόκιμο ζωής:

Χωρίς μείωση της πίεσης: αρχική διάρκεια ζωής 5-8 χρόνια (θερμικός κύκλος)

Με αποσυμπίεση: Ζωή 1-3 χρόνια

Η μείωση οφείλεται στον συνδυασμό θερμικού σοκ (λόγω αδιαβατικής ψύξης) και στρες στεφάνης. Εάν ο ατμός είναι υπερθερμασμένος (χωρίς υγρό νερό), η ψύξη είναι λιγότερο έντονη καθώς δεν εκλύεται λανθάνουσα θερμότητα. Ο υπέρθερμος ατμός στους 150 βαθμούς, 2 bar, ψύξη στους 120 βαθμούς κατά την αποσυμπίεση (μείωση 30 μοιρών) θα προκαλέσει πρόσθετη θερμική καταπόνηση.

Η ταχεία αποσυμπίεση έχει μικρή επίδραση στα συστήματα μόνο σε υγρά (χωρίς ατμό). Η τάση στεφάνης των 0,6 MPa είναι πολύ κάτω από τα 5-10 MPa που είναι τυπικά για τη θερμική κυκλοποίηση. Η κύρια τάση προκαλείται από τη διαφορική διαστολή κατά τη θέρμανση/ψύξη και όχι από την πίεση.

Αποσυμπίεση-Επιρρεπής μετριασμός συστημάτων
Εάν δεν μπορεί να αποφευχθεί η ταχεία αποσυμπίεση, κάντε τα εξής:

Αυξήστε τον χρόνο εξαερισμού από 1 δευτερόλεπτο σε 30-60 δευτερόλεπτα, εξαερίστε αργά. Αυτό εξαλείφει το θερμικό σοκ και επιτρέπει στο PFA να εξισορροπήσει την πίεση χωρίς πίεση.

Εγκαταστήστε μια γραμμή εξισορρόπησης πίεσης. Συνδέστε τη δακτυλιοειδή περιοχή μεταξύ PFA και πυρήνα στην πίεση του συστήματος χρησιμοποιώντας ένα σωλήνα μικρής οπής. Αυτό αποφεύγει τις διαφορές πίεσης κατά τον εξαερισμό.

Πηγαίνετε πιο παχύ PFA: 2,5-3,0 mm τοίχωμα=αντίστοιχα μικρότερη τάση στεφάνης. Για τάσεις στεφάνης τοίχου 3 mm σε 1 bar=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa - ακόμη λιγότερο.

Στεγνώστε το PFA: Εάν το PFA δεν είναι κορεσμένο με νερό ή οξύ, δεν θα αναβοσβήνει. Εάν συμβαίνει τακτική αποσυμπίεση, κρατήστε τους θερμαντήρες στεγνούς και αποφύγετε την παρατεταμένη βύθιση σε διεισδυτικά υγρά.

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

Παράδειγμα στο χωράφι
Φαρμακευτικός αντιδραστήρας που χρησιμοποιεί θερμαντήρες PFA σε δοχείο πίεσης με ατμό- στους 120 βαθμούς , 2 bar. Ο κύκλος συνίστατο σε μια γρήγορη αποσυμπίεση (5 δευτερόλεπτα) στο τέλος κάθε παρτίδας (10 παρτίδες/ημέρα). Οι θερμαντήρες αστοχούσαν κάθε 8-12 μήνες από το κάψιμο στην επιφάνεια του PFA. Το εργοστάσιο τροποποίησε τον κύκλο ώστε να εξαερίζεται πάνω από 60 δευτερόλεπτα. Χωρίς φουσκάλες και η διάρκεια ζωής του θερμαντήρα είναι 4+ χρόνια. Τα επιπλέον 55 δευτερόλεπτα κάθε παρτίδα (10 λεπτά/ημέρα) ήταν ανεκτά. Κατά τα άλλα, τίποτα δεν έχει αλλάξει.

Συμπέρασμα: Η ταχεία αποσυμπίεση βλάπτει μόνο το PFA στην υπηρεσία ατμού
Οι θερμαντήρες PFA δεν είναι πολύ ευαίσθητοι στην ταχεία αποσυμπίεση από 2 bar στην περίπτωση συστημάτων μόνο υγρών (τάση στεφάνης 1 MPa σημαντικά κάτω από το όριο κόπωσης). Στην υπηρεσία κορεσμένου ατμού ή ατμού, το θερμικό σοκ (20–30 μοίρες), η εσωτερική αναβοσβήνει των διεισδυμένων πτητικών και η πίεση στο στεφάνι οδηγεί σε κόπωση, ρωγμές και φουσκάλες μετά από 500–2.000 κύκλους περιορίζοντας τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα κατά 50–80%. Ο εξαερισμός πρέπει να γίνεται απαλά (30–60 δευτερόλεπτα) για να αποφευχθεί η καταστροφή του PFA. Προσθέστε γραμμές εξισορρόπησης πίεσης ή στεγνώστε PFA πριν από τη λειτουργία υπό πίεση. Εάν το σύστημά σας εξαερίζει γρήγορα και έχει ατμό ή ζεστούς ατμούς, ας υποθέσουμε ότι ο θερμαντήρας PFA έχει υποστεί ζημιά. Δοκιμάστε, μειώστε ή αποδεχτείτε μειωμένη διάρκεια ζωής. Το πρόβλημα είναι ο ατμός και όχι η πίεση. Ελέγξτε τον ατμό, ελέγξτε τη ζημιά.