Aluminiumbrons som har tjänat havsvatten i årtionden
Aluminiumbrons är en kopparbaserad-legering som innehåller 5–11 % aluminium, med tillsatser av järn, nickel och mangan. Legeringen bildar en skyddande aluminiumoxidfilm som motstår havsvattenkorrosion, och filmen är självläkande om den skadas. Korrosionshastigheten i rent havsvatten är vanligtvis mindre än 0,025 mm per år, vilket ger en livslängd på 20–30 år för en typisk rörväggstjocklek.
Aluminiumbrons används i havsvattenvärmeväxlare eftersom den kombinerar adekvat korrosionsbeständighet med hög värmeledningsförmåga och måttlig kostnad. Värmeledningsförmågan är cirka 60 W/m·K, vilket är ungefär 240 gånger högre än PTFE. Den höga ledningsförmågan gör att värmeväxlare av aluminiumbrons är kompakta och relativt billiga.
Begränsningen för aluminiumbrons är dess känslighet för erosion-korrosion vid höga flödeshastigheter och för sulfidattacker i förorenat havsvatten. Erosions-korrosionsgränsen är typiskt 1,5–2,5 m/s för sjövattenservice, över vilken skyddsfilmen avlägsnas mekaniskt och korrosionshastigheten ökar kraftigt. Sulfitattacken uppstår när havsvattnet innehåller svavelväte, vilket är vanligt i förorenade hamnar och flodmynningar. Sulfiden reagerar med kopparn i legeringen och bildar kopparsulfid, som inte är skyddande.
PTFE som eliminerar korrosionsmekanismerna
PTFE är resistent mot havsvatten vid alla koncentrationer och temperaturer inom dess serviceområde. Materialet korroderar inte, och livslängden bestäms av mekaniska faktorer snarare än kemiska angrepp. PTFE är inte mottagligt för erosion-korrosion vid höga flödeshastigheter, och det angrips inte av sulfider eller klorider.
Elimineringen av korrosionsmekanismerna är den främsta anledningen till att PTFE specificeras för sjövattenservice där aluminiumbrons skulle misslyckas. PTFE-enheten utvecklar inte den erosions--korrosion eller sulfidattacker som begränsar livslängden för aluminiumbrons, och värmeöverföringsprestanda förblir stabil under livslängden.
Thermal Conductivity Gap
Värmeledningsförmågan för aluminiumbrons är cirka 60 W/m·K, jämfört med 0,25 W/m·K för PTFE. Förhållandet är cirka 240:1.
För en värmeväxlare som avvisar 100 kW i havsvatten vid 30 grader kräver en aluminiumbronsenhet cirka 5 m² yta, baserat på en total värmeöverföringskoefficient på 1 000 W/m²·K och en log medeltemperaturskillnad på 20 grader . En PTFE-enhet för samma drift kräver cirka 25 m² ytarea, baserat på en total koefficient på 200 W/m·K och samma temperaturskillnad.
PTFE-enheten är 5 gånger större än aluminiumbronsenheten. Ju större storlek ökar kapitalkostnaden, golvytan och vätskevolymen. Det lägre värmeflödet minskar rörväggstemperaturen, vilket är fördelaktigt för processen, men den större ytan ger också mer yta för avlagringar och kräver längre tid att rengöra.
Erosions-korrosionsgränsen för aluminiumbrons
Erosions-korrosionsgränsen är flödeshastigheten över vilken skyddsfilmen på aluminiumbronsen avlägsnas mekaniskt och korrosionshastigheten ökar kraftigt. Gränsen beror på legeringens sammansättning, havsvattenkemin och rörets geometri.
För standardaluminiumbrons i rent havsvatten är erosions-korrosionsgränsen vanligtvis 1,5–2,5 m/s. Över denna hastighet kan korrosionshastigheten öka med en faktor fem till tio, och livslängden minskas från 20–30 år till 3–5 år.
Erosions-korrosionsgränsen är en kritisk designparameter för värmeväxlare av aluminiumbrons. Rörets-sidohastighet måste hållas under gränsen, vilket kan kräva en större rördiameter eller en lägre flödeshastighet. Den större rördiametern ökar värmeväxlarens storlek och kapitalkostnaden.
PTFE har inte en erosions-korrosionsgräns i samma mening. Materialet är inte känsligt för mekaniskt avlägsnande av en skyddsfilm eftersom det inte finns någon skyddsfilm. PTFE-värmeväxlaren kan arbeta med högre flödeshastigheter utan risk för erosion-korrosion, vilket ger mer flexibilitet i designen.
Sulfitattacken på aluminiumbrons
Sulfidangrepp uppstår när havsvattnet innehåller svavelväte, vilket är vanligt i förorenade hamnar, flodmynningar och industriutsläppsområden. Sulfiden reagerar med kopparn i aluminiumbronsen och bildar kopparsulfid, som inte är skyddande. Korrosionshastigheten ökar kraftigt och livslängden minskar från 20–30 år till 1–3 år.
Sulfidangreppet är ett lokaliserat fenomen som initieras vid rörändarna och vid rör-till-förbanden, där flödeshastigheten är låg och sulfidkoncentrationen är hög. Attacken visar sig som gropbildning, som penetrerar rörväggen och orsakar en läcka.
PTFE angrips inte av sulfid. Materialet är resistent mot svavelväte vid alla koncentrationer och temperaturer inom dess tjänsteområde. Detta är en primär anledning till att PTFE specificeras för havsvattenservice i förorenade hamnar och flodmynningar.
Jämföra de två materialen i havsvattenvärmeväxling
Följande tabell sammanfattar prestanda och kostnadsegenskaper för värmeväxlare av PTFE och aluminiumbrons i havsvattenvärmeväxlare vid 30 grader med rent havsvatten och en flödeshastighet på 1,5 m/s.
| Karakteristisk | Värmeväxlare av aluminium brons | PTFE värmeväxlare | Fördel |
|---|---|---|---|
| Värmeledningsförmåga | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Aluminium brons |
| Total värmeöverföringskoefficient | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Aluminium brons |
| Yta som krävs för 100 kW | 5 m² | 25 m² | Aluminium brons |
| Kemisk beständighet mot rent havsvatten | Excellent | Excellent | Lika |
| Kemisk beständighet mot sulfid-förorenat havsvatten | Dålig | Excellent | PTFE |
| Erosions-korrosionsgräns | 1.5–2.5 m/s | Ingen | PTFE |
| Maximal drifttemperatur | 200 grader | 260 grader | PTFE |
| Mekanisk styrka | Hög | Måttlig | Aluminium brons |
| Motståndskraft mot termisk stöt | Måttlig | Hög | PTFE |
| Reparationsförmåga | Begränsad | Bra | PTFE |
| Livslängd i rent havsvatten | 20–30 år | 15–20 år | Aluminium brons |
| Livslängd i sulfid-förorenat havsvatten | 1–3 år | 15–20 år | PTFE |
| Kapitalkostnad för 100 kW tull | $45,000 | $52,000 | Aluminium brons |
| Installationskostnad | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Årlig underhållskostnad | $2,000 | $3,000 | Aluminium brons |
| Fem-års totalkostnad (rent havsvatten) | $91,000 | $92,000 | Lika |
| Fem-års total kostnad (sulfid-förorenad) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
De fem-åriga totala kostnadsvärdena antar ett produktionsvärde på 600 USD per timme och inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden och underhållskostnaden under fem år. Det sulfid-förorenade höljet förutsätter ett byte av värmeväxlare under fem år för aluminiumbronsenheten.
När aluminiumbrons är det bättre valet
Aluminiumbrons är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Rent havsvattenservice.När havsvattnet är rent och flödeshastigheten är under erosions-korrosionsgränsen ger aluminiumbrons utmärkt prestanda till en lägre kapitalkostnad.
Låg-tjänst.När flödeshastigheten är under 1,5 m/s är erosion-korrosionsrisken låg och aluminiumbrons är det bättre valet.
Installationer med begränsad utrymme-.När det tillgängliga utrymmet är starkt begränsat kan den mindre aluminiumbronsenheten vara det enda möjliga alternativet. PTFE-enheten skulle kräva 5 gånger ytan, vilket kanske inte passar i det tillgängliga utrymmet.
Hög-tjänst.Aluminiumbrons har högre mekanisk hållfasthet än PTFE och tål högre tryck. För sjövattenservice vid tryck över 10 bar kan aluminiumbrons vara det enda genomförbara alternativet.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Sulfid-förorenat havsvatten.PTFE är resistent mot sulfid, medan aluminiumbrons angrips. För havsvattenservice i förorenade hamnar och flodmynningar är PTFE det bättre valet.
Hög-tjänst.PTFE har ingen erosions-korrosionsgräns, vilket gör den lämplig för användning vid höga flödeshastigheter.
Termisk cykeltjänst.PTFE har högre värmechockbeständighet än aluminiumbrons, vilket gör den lämplig för service med frekventa temperaturförändringar.
Reparationsbar service.PTFE värmeväxlare kan repareras på plats av en kvalificerad tekniker, vilket minskar stilleståndstiden och produktionsbortfallet.
Krav på lång livslängd i förorenat havsvatten.När havsvattnet är förorenat och värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 10 år eller mer är PTFE det bättre valet eftersom det står emot den kemiska attacken under en längre period.
Designfunktioner som förlänger livslängden
Flera designfunktioner förlänger livslängden för både PTFE- och aluminiumbronsvärmeväxlare i sjövattenservice.
Flödeshastighetskontroll.Att hålla flödeshastigheten under erosions-korrosionsgränsen minskar korrosionshastigheten för aluminiumbrons.
Sulfidövervakning.Övervakning av sulfidkoncentrationen i havsvattnet tillåter operatören att byta till en annan kylkälla om sulfidkoncentrationen stiger över tröskeln.
Katodiskt skydd.Offeranoder eller ett imponerat katodiskt skyddssystem kan minska korrosionshastigheten för aluminiumbrons.
På-plats städutrustning.Anslutningar för tillförsel och retur av rengöringslösning gör att värmeväxlaren kan rengöras utan demontering, vilket minskar stilleståndstiden och produktionsbortfallet.
Temperaturövervakning.Temperatursensorer vid värmeväxlarens inlopp och utlopp gör att värmeöverföringsprestanda kan övervakas, vilket möjliggör tidig upptäckt av nedsmutsning eller nedbrytning.
Specifikationsparametrar för havsvattenvärmeväxling
Utrustningsingenjörer som utvärderar värmeväxlare av PTFE och aluminiumbrons för havsvattenvärmeväxlare bör bekräfta följande parametrar med leverantören.
Havsvattenkemi.Ange kloridkoncentrationen, sulfidkoncentrationen och eventuella andra föroreningar.
Driftstemperatur.Ange maximal driftstemperatur och förväntad temperaturprofil.
Flödeshastighet.Ange maximal flödeshastighet och erosions-korrosionsgräns för aluminiumbrons.
Driftstryck.Ange maximalt drifttryck.
Värmebelastning och ytarea.Ange värmebelastning och erforderlig yta för varje materialalternativ.
Utrymmesbegränsningar.Ange tillgängligt utrymme och maximalt tillåtet fotavtryck.
Underhållsförmåga.Ange anläggningens underhållsförmåga, inklusive möjligheten att reparera värmeväxlaren på plats.
Krav på livslängd.Ange förväntad livslängd och ersättningsschema.
Matchande materialval till havsvattenserviceförhållanden
Valet mellan värmeväxlare av PTFE och aluminiumbrons i havsvattenvärmeväxlare beror på havsvattenkemin, flödeshastigheten, utrymmesbegränsningarna och livslängdskravet. Aluminiumbrons har en högre värmeledningsförmåga och kräver mindre ytarea, men den är känslig för erosion-korrosion och sulfidattacker. PTFE har lägre värmeledningsförmåga och kräver mer yta, men det är resistent mot alla havsvattenföroreningar och flödeshastigheter.
Urvalsbeslutet bör baseras på en anläggningsspecifik-analys som inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden, underhållskostnaden och exponeringen för produktionsförluster. En enkel kalkylbladsmodell med dessa kostnadskomponenter ger den information som behövs för att fatta beslut.
För havsvattenvärmeväxlaranläggningar som utvärderar värmeväxlaralternativ bör materialvalet baseras på den totala ägandekostnaden under den förväntade livslängden, inte bara kapitalkostnaden eller den termiska prestandan. En aluminiumbronsenhet med lägre kapitalkostnad kan ha en högre livstidskostnad om havsvattnet är förorenat och enheten kräver frekvent byte.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för havsvattenvärmeväxling eller annan korrosiv service kan begära en designgranskning som täcker havsvattenkemi, driftstemperatur, flödeshastighet, driftstryck och utrymmesbegränsningar för att bekräfta att materialvalet är matchat med de faktiska serviceförhållandena och kostnadsstrukturen för anläggningen.
