De kostendrijver voor thermische fietsen
Een verwarmingssysteem voor een chemische reactor draait twee keer per dag van 25 graden naar 150 graden en terug: 730 volledige thermische cycli per jaar. Elke cyclus belast de materialen van de warmtewisselaar door differentiële thermische uitzetting tussen het warmteoverdrachtsoppervlak en het structurele substraat.
Met glas-gevoerde stalen warmtewisselaars worden geconstrueerd door een laag borosilicaatglas te versmelten met een stalen omhulsel onder een hoek van ongeveer 850 graden. Het glas en het staal hebben verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten: glas bij 3-6 × 10⁻⁶/ graad, staal bij 12-15 × 10⁻⁶/ graad. Het verschil van 2-4× betekent dat tijdens elke thermische cyclus het glas en staal met verschillende snelheden uitzetten en krimpen. Er ontstaat schuifspanning op het grensvlak tussen glas en staal.
PTFE-warmtewisselaars hebben geen interface. De buiswand is homogeen fluorpolymeer. Thermische uitzetting wordt opgevangen door elastische vervorming van de gehele wanddikte. Er ontstaat geen differentiële stress. De gevolgen voor de onderhoudskosten van dit fundamentele verschil zijn aanzienlijk over de levensduur van apparatuur gemeten in tientallen jaren.
De modus voor falen van glasspatten
Bij herhaalde thermische cycli veroorzaakt de cumulatieve schuifspanning op het grensvlak van glas{0}}staal progressieve schade. Micro-scheuren ontstaan bij microscopische defecten in het glas-belletjes, insluitsels of dunne plekken van de oorspronkelijke fabricage. Elke thermische cyclus verlengt de scheuren enigszins.
Uiteindelijk komen de scheuren samen en komt er een stuk glas los van het stalen substraat. Dit is aan het spatten. Het afgebrokkelde gebied stelt bloot staal bloot aan de proceschemicaliën. Bij zuurgebruik corrodeert het staal snel. De corrosieproducten kunnen het proces vervuilen. Het blootgestelde gebied groeit naarmate de chemische stof het aangrenzende glas ondermijnt. Voor het vervangen van glas moet de warmtewisselaar buiten bedrijf worden gesteld.
Herbeglazing is geen reparatie ter plaatse. De gehele wisselaar moet worden verwijderd, naar een gespecialiseerde faciliteit worden verzonden, van het resterende glas worden ontdaan, opnieuw worden geglazuurd, gebakken, getest en geretourneerd. Het proces duurt 4-8 weken. De productie gaat voor de duur verloren, tenzij er een reservewisselaar beschikbaar is. De kosten van een reserveonderdeel-aangeschaft, opgeslagen en onderhouden, moeten worden opgenomen in de levenscycluskosten.
Tabel 1: Vergelijking van onderhoudskosten over een periode van 10 jaar (730 thermische cycli/jaar, 25-150 graden)
| Onderhoudskostenelement | Glas-Gevoerd staal | PTFE |
|---|---|---|
| Verwachte levensduur van de glasvoering bij thermische cycli (jaren) | 3-6 | N.v.t. (geen voering) |
| Reglazing van evenementen over een periode van 10 jaar | 1-3 | 0 |
| Kosten voor herbeglazing per evenement (% van nieuwe uitrusting) | 50-80% | N/A |
| Downtime per herbeglazing (weken) | 4-8 | N/A |
| Reservewisselaar vereist | Ja (om de productie tijdens het verglazen op peil te houden) | Nee |
| Jaarlijkse inspectiekosten | Matig (vonktest op glasdefecten) | Laag (visuele + ultrasone dikte) |
| Mogelijkheid voor reparatie ter plaatse | Geen (enige glasschade=fabrieksreparatie) | Ja (slang aansluiten of vervangen) |
| Herstel stilstand bij kleine schade | Weken (fabrieksreglass) | Uren (reparatie ter plaatse) |
| Totale onderhoudskosten over 10 jaar (relatief) | 2-4× initiële uitrustingskosten | 0,1-0,3× initiële uitrustingskosten |
Het voordeel van veldreparatie
Wanneer een PTFE-warmtewisselaarbuis een lek ontwikkelt -meestal na vele jaren dienst door kruipverdunning-, wordt de reparatie in het veld uitgevoerd. De beschadigde buis wordt geïdentificeerd door druktesten. Hij is op beide headers met PTFE-stekkers aangesloten. De wisselaar is binnen enkele uren weer in gebruik en werkt op een iets lagere capaciteit.
Als de capaciteitsvermindering door verstopping onaanvaardbaar is, kan het beschadigde buis- of buizenbundelgedeelte worden vervangen tijdens de volgende geplande onderhoudsstop. De vervanging is mechanisch: maak de knelfittingen los, verwijder de beschadigde buis, plaats een nieuwe buis,-draai de fittingen opnieuw aan. Er is geen gespecialiseerde faciliteit vereist. De reparatie wordt uitgevoerd door onderhoudspersoneel van de fabriek met behulp van standaardgereedschap.
Deze repareerbaarheid ter plaatse elimineert de noodzaak van een reservewisselaar. Het elimineert de 4-8 weken durende productieonderbreking vanwege het vervangen van glas in de fabriek. Het maakt het mogelijk onderhoud te plannen en te controleren in plaats van te worden gedicteerd door glasbreukgebeurtenissen.
Het contrast van de eenvoud van inspectie
Met glas-gevoerd staal zijn periodieke vonktests vereist om glasdefecten op te sporen. Een hoogspanningssonde wordt over het glasoppervlak geleid; een vonk duidt op een defect dat tot in het staal doordringt. Voor de test moet de wisselaar leeg en droog zijn. Het is tijdrovend-en detecteert alleen defecten die al bestaan-het kan niet voorspellen wanneer het volgende defect zich zal voordoen.
PTFE-warmtewisselaars worden geïnspecteerd door middel van ultrasone wanddiktemetingen-snel, niet-destructief en uitvoerbaar zonder dat de wisselaar buiten gebruik moet worden gesteld. De metingen volgen de langzame, voorspelbare voortgang van kruipverdunning. De toekomstige wanddikte kan worden geprojecteerd op basis van huidige metingen, waardoor vervanging jaren van tevoren kan worden gepland.
Samenvatting
PTFE-warmtewisselaars bieden aanzienlijk lagere onderhoudskosten dan met glas-gevoerd staal bij thermisch cyclische toepassingen, omdat PTFE geen voering heeft die kan afbrokkelen, geen afwijkende materiaalinterface tegen vermoeiing en een in het veld- herstelbare constructie die de noodzaak van vervangen van glas door de fabriek en reservewisselaars elimineert. Over een periode van 10- jaar bedragen de onderhoudskosten van PTFE 0,1-0,3 keer de initiële uitrustingskosten, vergeleken met 2-4 keer voor met glas bekleed staal.
De mogelijkheid om PTFE-wisselaars binnen enkele uren in het veld te repareren, vergeleken met de weken die nodig zijn voor het vervangen van glas, biedt voordelen op het gebied van productiebeschikbaarheid die vaak groter zijn dan de directe besparingen op onderhoudskosten.
Technische analyses voor de materiaalkeuze voor thermisch cyclische warmtewisselaars zijn beschikbaar na indiening van het bedrijfstemperatuurbereik, de cyclusfrequentie, de proceschemie, de huidige onderhoudskostengegevens en gegevens over de kosten van productie-uitval.
