クリアランスのジレンマ
蒸気-で加熱された浸漬コイル内の PTFE チューブは、25 度から 140 度に加熱されると、長さ 1 メートルあたり約 1.6 mm 膨張します。チューブがサポートプレートの穴にしっかりと拘束されている場合、この拡張はブロックされます。チューブがサポート間で座屈します。穴が緩すぎると、撹拌による振動でチューブがガタガタし、その結果生じるフレッチングが支持接触点でチューブの壁を摩耗させます。
チューブの外径に対するサポート プレートの穴の直径は、複雑な機械的影響を伴う一見単純な設計パラメータです。締めすぎると熱応力が蓄積します。緩すぎると振動摩耗が加速します。最適なクリアランスは、振動-による動きの振幅を制限しながら、妨げられない熱膨張に対応します。
PTFE 熱交換器の場合、PTFE は熱膨張係数が高く、弾性率が低いため、最適クリアランスは金属熱交換器に使用される標準値とは異なります。ステンレス鋼やチタンで機能するものは、フッ素ポリマーでは機能しません。
熱膨張クリアランス要件
最小穴直径は、最大動作温度でのチューブ外径を超える必要があります。チューブは加熱されると半径方向と軸方向の両方に膨張します。
25 度から 140 度に加熱された外径 10 mm の PTFE チューブの半径方向の膨張は約 0.14 mm です。穴の直径は、少なくともホット チューブの外径に、固着を防ぐためのスライド クリアランスを加えた大きさでなければなりません。
スライド クリアランスは、チューブの外径と穴の ID の両方の製造公差に加えて、サポート プレート間の位置ずれを考慮します。 PTFE の場合、追加の許容値により、サポート プレートの材料と比較して材料のより高い熱膨張係数に対応します。サポートプレートも PTFE の場合、穴はチューブと同じ速度で拡大し、クリアランスは一定のままです。サポートプレートが PVDF または膨張係数の異なる金属である場合、クリアランスは温度によって変化します。
表 1: PTFE 熱交換器チューブの推奨サポート プレート穴クリアランス
| チューブ外径(mm) | サポートプレートの材質 | 推奨穴径(mm) | 直径すきま(mm) | クリアランス (チューブ外径の %) | アプリケーションノート |
|---|---|---|---|---|---|
| 8 | PTFE | 8.8-9.0 | 0.8-1.0 | 10-12.5% | 静止または穏やかに撹拌されたバスの標準 |
| 10 | PTFE | 10.8-11.0 | 0.8-1.0 | 8-10% | 汎用 |
| 12 | PTFE | 13.0-13.2 | 1.0-1.2 | 8-10% | より大きな直径。より高い剛性 |
| 10 | PVDF | 11.2-11.5 | 1.2-1.5 | 12-15% | PVDF は PTFE よりも膨張しません。温度が上がるとクリアランスが増加する |
| 10 | 金属（PTFEスリーブ付き） | 11.5-12.0 (スリーブ内径) | 1.5-2.0 | 15-20% | 金属サポート。 PTFE スリーブが低摩擦面を提供します- |
| 10 (興奮したサービス) | PTFE | 10.8-11.0 | 0.8-1.0 | 8-10% | クリアランスは同じだがサポート間隔が減少 |
振動による摩耗のトレードオフ-
クリアランスを緩めると、サポート穴内でのチューブの動きが大きくなります。撹拌-によって引き起こされる振動の下で、チューブは振動し、各サイクルで穴の端に接触します。繰り返し接触すると、チューブとサポート プレートの両方の材料が摩耗します。-これはフレッティングと呼ばれるプロセスです。
フレッチング摩耗率は、接触力、滑り振幅、および材料のペアによって異なります。 PTFE- オン - PTFE フレッチングは、両方の表面が同じ材料であり、摩擦係数が低いため接線方向の応力が制限されるため、比較的穏やかです。ただし、長年にわたる継続的な撹拌により、PTFE-上の-PTFE の摩耗でも、支持点で測定可能な肉厚の薄化が生じる可能性があります。
振動振幅は、穴のクリアランスではなく、支持プレート間の支持されていないスパンによって制御されます。サポート間隔を狭くすると、クリアランスを締めるよりも効果的に振幅が減少します。推奨されるアプローチは、熱結合を犠牲にして動きを制限するためにクリアランスを締め付けるのではなく、熱膨張クリアランスを維持し、振動が懸念される場合はサポート間隔を減らすことです。
摩耗保護のためのスリーブインサート
激しい振動や浴内の研磨粒子を伴う用途の場合、サポート プレートの穴に交換可能な PTFE スリーブ インサートを取り付けることができます。インサートは固体 PTFE プレートと同じ低摩擦表面を提供しますが、摩耗した場合は交換できるため、チューブが支持構造と直接接触するのを防ぎます。-
インサートは、サポート プレートに締まりばめ、チューブにすきまばめを行うように設計されています。定期メンテナンス中に交換すると、サポートプレート全体や熱交換器チューブを交換することなく、元のクリアランスが回復します。
まとめ
PTFE 熱交換器チューブの最適なサポート プレート穴クリアランスは、PTFE サポート プレートの外径 8 ～ 10 mm のチューブの場合、直径 0.8 ～ 1.0 mm です。これにより、熱膨張が妨げられないように適切なクリアランスが確保され、振動振幅が機器の寿命全体にわたって許容できるフレッチング摩耗率を生じるレベルに制限されます。
振動摩耗は、熱膨張要件未満にクリアランスを狭めるよりもサポート間隔を減らすことによって、より効果的に制御されます。厳しい使用条件では、交換可能な PTFE スリーブ インサートがチューブ表面を直接接触による摩耗から保護します。
特定の PTFE 熱交換器用途におけるサポート プレートの設計に関するエンジニアリング上の推奨事項は、チューブの寸法、動作温度範囲、撹拌の種類と強度、および予想される機器の耐用年数を提出すると入手できます。
