کندانسور پوسته و لوله PTFE برای بازیابی یک حلال ارزشمند در خلاء عمیق استفاده می شود و نقطه جوش آن را کاهش می دهد. سمت پوسته تحت خلاء تقریباً عالی قرار دارد. لوله های نازک و انعطاف پذیر PTFE فقط آب خنک کننده را حمل نمی کنند. آنها در برابر نیروی خرد کننده اتمسفر خارجی که به داخل فشار می آورد مقاومت می کنند. یک لوله استاندارد با دیواره نازک که برای فشار مثبت کاملاً مناسب است، می‌تواند ناگهان مانند نی آشامیدنی صاف شود و جریان را مسدود کند و عملکرد حرارتی را از بین ببرد. ضخامت دیواره لوله برای سرویس خلاء برای مهار فشار انتخاب نشده است. برای جلوگیری از سقوط فاجعه بار انتخاب شده است. انتخاب صحیحسرویس وکیوم مبدل PTFE ضخامت دیواره لولهنیاز به درک مکانیک کمانش، مبادلات حرارتی، و استراتژی های پشتیبانی دارد.

فیزیک فروپاشی فشار خارجی

چگونه یک خلاء یک لوله را خرد می کند

هنگامی که سمت پوسته یک مبدل حرارتی تخلیه می شود (مثلاً تا 10 میلی بار مطلق یا کمتر)، فشار اتمسفر خارجی (تقریباً 1 بار یا 14.7 psi) در قسمت بیرونی هر لوله به طور یکنواخت عمل می کند. داخل لوله ممکن است در فشار اتمسفر یا حتی کمی بالاتر باشد. این فشار خارجی یک تنش فشاری حلقه ای در دیواره لوله ایجاد می کند. یک لوله با جدار نازک و انعطاف‌پذیر ساخته شده از PTFE که مدول الاستیک نسبتاً پایینی دارد (حدود 0.5 گیگا پاسکال در مقایسه با 200 گیگا پاسکال برای فولاد)، می‌تواند در فشاری بسیار کمتر از تنش تسلیم ماده، کمانش کرده و به شکل بیضی یا مسطح درآید. جاروبرقی یک دست نامرئی و غول پیکر است که لوله را می فشارد و ضخامت دیواره تنها چیزی است که از خرد شدن آن جلوگیری می کند.

حمایت از لوله ها: نقش فاصله بافل

طول بدون تکیه گاه لوله بین بافل ها یا صفحات لوله تاثیر زیادی بر مقاومت در برابر فروپاشی دارد. لوله ای که در فواصل 200 میلی متری پشتیبانی می شود در برابر فشار خارجی بسیار بهتر از لوله ای که در فواصل 500 میلی متری پشتیبانی می شود مقاومت می کند. برای سرویس با خلاء بالا، فاصله بافل اغلب به 100-150 میلی متر کاهش می یابد. بافل‌های نزدیک‌تر نیز تلاطم سمت پوسته را افزایش می‌دهند و انتقال حرارت را بهبود می‌بخشند و تا حدی جریمه حرارتی دیواره ضخیم‌تر را جبران می‌کنند. با این حال، بافل‌های نزدیک‌تر افت فشار را در سمت پوسته افزایش می‌دهند و ممکن است برای حفظ سطح جریان به قطر پوسته بزرگ‌تری نیاز داشته باشند.

در طراحی همچنین باید امکان خلاء در سمت لوله با فشار مثبت در سمت پوسته در نظر گرفته شود. در طراحی سر شناور یا لوله U، هر یک از طرفین را می توان تخلیه کرد و دیواره لوله باید در برابر فرو ریختن از هر طرفی که تحت خلاء است مقاومت کند. در چنین مواردی، دیواره ضخیم‌تر مشخص می‌شود و مبدل اغلب به‌عنوان رتبه‌بندی «خلاء کامل» در هر دو طرف طراحی می‌شود.

دستورالعمل های انتخاب عملی

روش گام به گام

سطح خلاء را تعریف کنید: فشار مطلق را در سمت کم فشار بیان کنید (مثلاً 10 mbar، 50 mbar). خلاء کامل (0 میلی بار مطلق) بدترین حالت است و مستلزم قوی ترین طراحی است.

ابعاد لوله را انتخاب کنید: قطر بیرونی (OD) را انتخاب کنید که انتقال حرارت، رسوب گیری و استحکام مکانیکی را متعادل کند. برای سرویس خلاء، OD 6 میلی متر یا 8 میلی متر معمول است. قطرهای بزرگتر (10 میلی متر یا بیشتر) غیر عملی می شوند.

ضخامت دیوار مورد نیاز را برآورد کنیدبا استفاده از نمودارهای فشار فروپاشی سازنده یا FEA. ضخامت 0.8 میلی متر یک نقطه شروع محافظه کارانه برای 6 میلی متر OD در دمای اتاق است. برای دماهای بالاتر یا OD بزرگتر، 1.0-1.2 میلی متر ممکن است مورد نیاز باشد.

طراحی فاصله بافل: دهانه پشتیبانی نشده را روی کمتر یا مساوی 150 میلی متر تنظیم کنید. برای لوله‌های بلند (بیش از 2 متر)، از تکیه‌گاه‌های میانی اضافی یا میله‌های اتصال با اسپیسر استفاده می‌شود.

عملکرد حرارتی را بررسی کنید: مقدار U را با ضخامت دیوار انتخابی محاسبه کنید. اگر مقدار U خیلی کم است (مثلاً زیر 200 W/m²·K)، تعداد یا طول لوله را افزایش دهید یا یک مبدل بزرگتر بپذیرید.

تایید با سازنده: تامین کنندگان مبدل PTFE دارای داده های تجربی برای ابعاد لوله خود هستند. ضمانت کتبی کارکرد بدون فرو ریختن در شرایط خلاء و دمای مشخص درخواست می شود.

مشخصات نمونه

"قطر بیرونی لوله PTFE: 6 میلی‌متر. ضخامت دیوار: 1.0 میلی‌متر ± 0.05 میلی‌متر. جنس لوله: PTFE بکر. حداکثر دهانه بدون پشتیبانی: 120 میلی‌متر. فشار طراحی سمت پوسته: خلاء کامل (0 میلی‌بار مطلق). فشار طراحی سمت لوله: گیج 3 بار. حداکثر دمای عملیاتی: 90 درجه سانتی‌گراد باید تست شود. 10 mbar مطلق با لوله در فشار اتمسفر در سمت لوله، هیچ فروپاشی یا بیضی قابل مشاهده ای مجاز نیست.

دقت فنی: محاسبه فشار فروپاشی

فروپاشی یک لوله تحت فشار خارجی یک پدیده کمانش است، نه یک شکست تسلیم. فرمول های استاندارد برای لوله های دیواره نازک (مثلاً فرمول تیموشنکو برای کمانش الاستیک) اولین تقریب را ارائه می دهد، اما رفتار تنش-کرنش غیرخطی PTFE و خزش نیاز به اعتبار سنجی تجربی دارد. اکثر سازندگان مبدل PTFE تست فشار خارجی هیدرواستاتیک را روی لوله های نمونه انجام می دهند. برای یک لوله OD 6 میلی متری با ضخامت دیواره 1.0 میلی متر در 20 درجه، فشار فروپاشی اندازه گیری شده معمولاً 1.2-1.5 بار است که ضریب ایمنی 1.2-1.5 را در خلاء کامل فراهم می کند. در 90 درجه، فشار فروپاشی ممکن است به 0.8-1.0 بار کاهش یابد، بنابراین یک حاشیه ایمنی بالاتر مورد نیاز است. از این رو، دیوارهای ضخیم تر یا تکیه گاه های نزدیک تر برای سرویس خلاء با دمای بالا استفاده می شود.

نتیجه گیری: مقاومت در برابر فشار نامرئی

انتخاب ضخامت دیواره برای یک مبدل PTFE خلاء نبردی در برابر نیروی خرد کننده جو است که توسط یک لوله ضخیم تر، سفت تر و به خوبی پشتیبانی می شود. حداقل ضخامت دیواره 0.8-1.0 میلی‌متر، همراه با حفاظ‌های نزدیک به هم (طبقه بدون پشتیبانی کمتر یا مساوی 150 میلی‌متر)، این اطمینان را می‌دهد که لوله‌ها در برابر فرو ریختن در خلاء کامل مقاومت می‌کنند. در حالی که دیواره ضخیم‌تر مقدار U را کاهش می‌دهد، جایگزین-یک لوله فرو ریخته و مسدود- غیرقابل قبول است. قوی ترین نیرو در یک سیستم خلاء فشار نامرئی و بی صدا هوای بیرون است و ضخامت دیواره لوله که به درستی مشخص شده است تنها دفاع در برابر آن است.