Het aluminiumbrons dat al tientallen jaren zeewater heeft gediend
Aluminiumbrons is een legering op koper-basis die 5–11% aluminium bevat, met toevoegingen van ijzer, nikkel en mangaan. De legering vormt een beschermende film van aluminiumoxide die bestand is tegen zeewatercorrosie, en de film is zelfherstellend- als deze beschadigd raakt. De corrosiesnelheid in schoon zeewater is doorgaans minder dan 0,025 mm per jaar, wat een levensduur van 20-30 jaar oplevert voor een typische buiswanddikte.
Aluminiumbrons wordt gebruikt in zeewaterwarmtewisselaars omdat het voldoende corrosieweerstand combineert met een hoge thermische geleidbaarheid en gematigde kosten. De thermische geleidbaarheid bedraagt circa 60 W/m·K, wat grofweg 240 maal hoger is dan bij PTFE. Door de hoge geleidbaarheid zijn aluminiumbronswarmtewisselaars compact en relatief goedkoop.
De beperking van aluminiumbrons is de gevoeligheid voor erosie-corrosie bij hoge stroomsnelheden en voor sulfideaantasting in vervuild zeewater. De erosie-corrosielimiet is doorgaans 1,5–2,5 m/s voor zeewatergebruik, waarboven de beschermende film mechanisch wordt verwijderd en de corrosiesnelheid scherp toeneemt. De sulfide-aanval vindt plaats wanneer het zeewater waterstofsulfide bevat, wat gebruikelijk is in vervuilde havens en estuaria. Het sulfide reageert met het koper in de legering en vormt kopersulfide, dat niet beschermend is.
Het PTFE dat de corrosiemechanismen elimineert
PTFE is bestand tegen zeewater bij alle concentraties en temperaturen binnen het servicebereik. Het materiaal corrodeert niet en de levensduur wordt bepaald door mechanische factoren in plaats van door chemische aantasting. PTFE is niet gevoelig voor erosie-corrosie bij hoge stroomsnelheden en wordt niet aangetast door sulfiden of chloriden.
De eliminatie van de corrosiemechanismen is de belangrijkste reden dat PTFE wordt gespecificeerd voor zeewatertoepassingen waarbij het aluminiumbrons zou falen. De PTFE-eenheid ontwikkelt niet de erosie-corrosie of sulfide-aantasting die de levensduur van aluminiumbrons beperkt, en de warmteoverdrachtsprestaties blijven stabiel gedurende de levensduur.
De thermische geleidbaarheidskloof
De thermische geleidbaarheid van aluminiumbrons bedraagt ongeveer 60 W/m·K, vergeleken met 0,25 W/m·K voor PTFE. De verhouding bedraagt ongeveer 240:1.
Voor een warmtewisselaar die 100 kW in zeewater van 30 graden afstoot, heeft een aluminiumbronsunit ongeveer 5 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van 1.000 W/m²·K en een loggemiddeld temperatuurverschil van 20 graden. Een PTFE-unit voor hetzelfde gebruik heeft ongeveer 25 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale coëfficiënt van 200 W/m·K en hetzelfde temperatuurverschil.
De PTFE-eenheid is 5 keer groter dan de aluminiumbronseenheid. Het grotere formaat verhoogt de kapitaalkosten, het vloeroppervlak en het vloeistofvolume. De lagere warmtestroom verlaagt de temperatuur van de buiswand, wat gunstig is voor het proces, maar het grotere oppervlak biedt ook meer oppervlak voor afzettingen en vereist meer tijd om te reinigen.
De erosie-corrosielimiet van aluminiumbrons
De erosie-corrosielimiet is de stroomsnelheid waarboven de beschermende film op het aluminiumbrons mechanisch wordt verwijderd en de corrosiesnelheid sterk toeneemt. De limiet hangt af van de legeringssamenstelling, de zeewaterchemie en de buisgeometrie.
Voor standaard aluminiumbrons in schoon zeewater is de erosie-corrosielimiet doorgaans 1,5–2,5 m/s. Boven deze snelheid kan de corrosiesnelheid met een factor vijf tot tien toenemen en wordt de levensduur teruggebracht van 20 tot 30 jaar tot 3 tot 5 jaar.
De erosie-corrosielimiet is een kritische ontwerpparameter voor warmtewisselaars van aluminiumbrons. De snelheid aan de zijkant van de buis- moet onder de limiet worden gehouden, wat een grotere buisdiameter of een lager debiet kan vereisen. De grotere buisdiameter verhoogt de grootte van de warmtewisselaar en de kapitaalkosten.
PTFE heeft geen erosie-corrosielimiet in dezelfde zin. Het materiaal is niet vatbaar voor mechanische verwijdering van een beschermfolie omdat er geen beschermfolie aanwezig is. De PTFE-warmtewisselaar kan bij hogere stroomsnelheden werken zonder het risico van erosie-corrosie, wat voor meer flexibiliteit in het ontwerp zorgt.
De sulfide-aanval op aluminiumbrons
Sulfide-aantasting vindt plaats wanneer het zeewater waterstofsulfide bevat, wat gebruikelijk is in vervuilde havens, estuaria en industriële lozingsgebieden. Het sulfide reageert met het koper in het aluminiumbrons en vormt kopersulfide, dat niet beschermend is. De corrosiesnelheid neemt sterk toe en de levensduur wordt teruggebracht van 20-30 jaar naar 1-3 jaar.
De sulfide-aanval is een plaatselijk fenomeen dat begint bij de buisuiteinden en bij de buis-naar- buisplaatverbindingen, waar de stroomsnelheid laag is en de sulfideconcentratie hoog. De aanval manifesteert zich als putjes, die de buiswand binnendringen en een lek veroorzaken.
PTFE wordt niet aangetast door sulfide. Het materiaal is bestand tegen waterstofsulfide bij alle concentraties en temperaturen binnen het gebruiksbereik. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom PTFE wordt gespecificeerd voor zeewatervoorziening in vervuilde havens en estuaria.
Vergelijking van de twee materialen bij de warmte-uitwisseling van zeewater
De volgende tabel vat de prestatie- en kostenkenmerken samen van PTFE- en aluminiumbrons-warmtewisselaars bij zeewater-warmtewisselaars bij 30 graden met schoon zeewater en een stroomsnelheid van 1,5 m/s.
| Kenmerkend | Aluminiumbrons warmtewisselaar | PTFE-warmtewisselaar | Voordeel |
|---|---|---|---|
| Thermische geleidbaarheid | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Aluminium brons |
| Algemene warmteoverdrachtscoëfficiënt | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Aluminium brons |
| Benodigd oppervlak voor 100 kW | 5 m² | 25 m² | Aluminium brons |
| Chemische resistentie tegen schoon zeewater | Uitstekend | Uitstekend | Gelijkwaardig |
| Chemische weerstand tegen met sulfide-vervuild zeewater | Arm | Uitstekend | PTFE |
| Erosie-corrosielimiet | 1.5–2.5 m/s | Geen | PTFE |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 200 graden | 260 graden | PTFE |
| Mechanische sterkte | Hoog | Gematigd | Aluminium brons |
| Bestand tegen thermische schokken | Gematigd | Hoog | PTFE |
| Repareerbaarheid | Beperkt | Goed | PTFE |
| Levensduur in schoon zeewater | 20–30 jaar | 15–20 jaar | Aluminium brons |
| Levensduur in met sulfide-vervuild zeewater | 1–3 jaar | 15–20 jaar | PTFE |
| Kapitaalkosten voor een belasting van 100 kW | $45,000 | $52,000 | Aluminium brons |
| Installatiekosten | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Jaarlijkse onderhoudskosten | $2,000 | $3,000 | Aluminium brons |
| Totale kosten over vijf- jaar (schoon zeewater) | $91,000 | $92,000 | Gelijkwaardig |
| Totale kosten over vijf- jaar (sulfide-vervuild) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
Bij de totale kostenwaarden over vijf- jaar wordt uitgegaan van een productiewaarde van $ 600 per uur en omvatten de kapitaalkosten, de installatiekosten en de onderhoudskosten over een periode van vijf jaar. In het met sulfide-vervuilde geval wordt uitgegaan van één vervanging van de warmtewisselaar over een periode van vijf jaar voor de aluminiumbronseenheid.
Wanneer aluminiumbrons de betere keuze is
Aluminiumbrons is voor een aantal specifieke toepassingen de betere keuze.
Schone zeewaterservice.Wanneer het zeewater schoon is en de stroomsnelheid onder de erosie-{0}}corrosielimiet ligt, levert aluminiumbrons uitstekende prestaties tegen lagere kapitaalkosten.
Lage- service met lage snelheid.Wanneer de stroomsnelheid lager is dan 1,5 m/s, is het erosie-{1}}corrosierisico laag en is aluminiumbrons de betere keuze.
Installaties met beperkte ruimte-.Wanneer de beschikbare ruimte ernstig beperkt is, kan de kleinere aluminiumbronseenheid de enige haalbare optie zijn. De PTFE-eenheid zou vijf keer zoveel oppervlakte nodig hebben, wat mogelijk niet in de beschikbare ruimte past.
Hoge-service.Aluminiumbrons heeft een hogere mechanische sterkte dan PTFE en is bestand tegen hogere drukken. Voor zeewatergebruik bij een druk boven de 10 bar kan aluminiumbrons de enige haalbare optie zijn.
Wanneer PTFE de betere keuze is
PTFE is de betere keuze in een aantal specifieke toepassingen.
Sulfide-vervuild zeewater.PTFE is bestand tegen sulfide, terwijl aluminiumbrons wordt aangetast. Voor zeewaterservice in vervuilde havens en estuaria is PTFE de betere keuze.
Hoge-snelheidsservice.PTFE heeft geen erosie-corrosielimiet, waardoor het geschikt is voor gebruik bij hoge stroomsnelheden.
Thermische fietsservice.PTFE heeft een hogere thermische schokbestendigheid dan aluminiumbrons, waardoor het geschikt is voor gebruik bij frequente temperatuurschommelingen.
Herstelbare dienst.PTFE-warmtewisselaars kunnen ter plaatse worden gerepareerd door een gekwalificeerde monteur, waardoor de stilstand en het productieverlies worden verminderd.
Lange levensduur vereist in verontreinigd zeewater.Wanneer het zeewater vervuild is en de warmtewisselaar naar verwachting een levensduur van 10 jaar of langer zal hebben, is PTFE de betere keuze omdat dit gedurende een langere periode bestand is tegen de chemische aantasting.
Ontwerpkenmerken die de levensduur verlengen
Verschillende ontwerpkenmerken verlengen de levensduur van zowel PTFE- als aluminiumbrons-warmtewisselaars in zeewatergebruik.
Regeling van de stroomsnelheid.Door de stroomsnelheid onder de erosie-corrosielimiet te houden, wordt de corrosiesnelheid van het aluminiumbrons verlaagd.
Sulfidemonitoring.Door de sulfideconcentratie in het zeewater te monitoren, kan de operator overschakelen naar een andere koelbron als de sulfideconcentratie boven de drempelwaarde komt.
Kathodische bescherming.Opofferingsanodes of een kathodisch beschermingssysteem met onder spanning staande stroom kunnen de corrosiesnelheid van het aluminiumbrons verminderen.
In-plaatselijke schoonmaakvoorzieningen.Dankzij aansluitingen voor aan- en retour van reinigingsoplossing kan de warmtewisselaar worden gereinigd zonder demontage, waardoor de stilstand en het productieverlies worden verminderd.
Temperatuurbewaking.Met temperatuursensoren bij de inlaat en uitlaat van de warmtewisselaar kan de prestatie van de warmteoverdracht worden bewaakt, waardoor vroegtijdige detectie van vervuiling of degradatie mogelijk is.
Specificatieparameters voor zeewaterwarmte-uitwisseling
Apparatuuringenieurs die PTFE- en aluminiumbrons-warmtewisselaars evalueren voor de warmte-uitwisseling met zeewater moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Zeewaterchemie.Specificeer de chlorideconcentratie, de sulfideconcentratie en eventuele andere verontreinigingen.
Bedrijfstemperatuur.Geef de maximale bedrijfstemperatuur en het verwachte temperatuurprofiel op.
Stroomsnelheid.Specificeer de maximale stroomsnelheid en de erosie-corrosielimiet voor het aluminiumbrons.
Bedrijfsdruk.Geef de maximale werkdruk op.
Warmtebelasting en oppervlakte.Specificeer per materiaaloptie de warmtebelasting en het benodigde oppervlak.
Beperkingen in de ruimte.Geef de beschikbare ruimte en de maximaal toegestane voetafdruk op.
Onderhoudsmogelijkheden.Specificeer de onderhoudsmogelijkheden van de faciliteit, inclusief de mogelijkheid om de warmtewisselaar ter plaatse te repareren.
Eis aan levensduur.Geef de verwachte levensduur en het vervangingsschema op.
Materiaalkeuze afstemmen op de gebruiksomstandigheden van zeewater
De keuze tussen PTFE en aluminiumbrons warmtewisselaars bij de warmtewisseling van zeewater hangt af van de zeewaterchemie, de stroomsnelheid, de ruimtebeperkingen en de vereiste levensduur. Aluminiumbrons heeft een hogere thermische geleidbaarheid en vereist minder oppervlakte, maar is gevoelig voor erosie-corrosie en sulfide-aantasting. PTFE heeft een lagere thermische geleidbaarheid en vereist meer oppervlakte, maar is bestand tegen alle zeewaterverontreinigingen en stroomsnelheden.
De selectiebeslissing moet gebaseerd zijn op een faciliteit-specifieke analyse waarin de kapitaalkosten, de installatiekosten, de onderhoudskosten en de blootstelling aan productieverlies zijn opgenomen. Een eenvoudig spreadsheetmodel met deze kostencomponenten levert de informatie die nodig is om de beslissing te nemen.
Voor zeewaterwarmtewisselingsfaciliteiten die de opties voor warmtewisselaars evalueren, moet de materiaalkeuze gebaseerd zijn op de totale eigendomskosten over de verwachte levensduur, en niet alleen op de kapitaalkosten of de thermische prestaties. Een aluminiumbronseenheid met lagere kapitaalkosten kan hogere levensduurkosten hebben als het zeewater vervuild is en de eenheid regelmatig vervangen moet worden.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars evalueren voor zeewaterwarmtewisseling of andere corrosieve toepassingen kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot de zeewaterchemie, bedrijfstemperatuur, stroomsnelheid, bedrijfsdruk en ruimtebeperkingen om te bevestigen dat de materiaalkeuze is afgestemd op de werkelijke serviceomstandigheden en kostenstructuur van de faciliteit.
