한계를 정의하는 증기표
160도의 공정 온도에서 150kW의 열이 필요한 화학 플랜트는 191도의 포화 온도를 제공하는 12bar의 증기에 접근할 수 있습니다. 이 임무에 지정된 금속 열교환기는 6mm 스테인리스 스틸 튜브 벽을 갖춘 쉘{5}}앤-튜브 장치입니다. PTFE 대체품은 동일한 의무에 대해 평가되어야 합니다.
12bar 및 191도에서 포화 증기 압력은 금속 열교환기 범위 내에 있습니다. PTFE의 경우 첫 번째 제약 조건은 최대 작동 압력입니다. 표준 PTFE 열교환기의 정격은 중간 온도에서 0.5~1.0MPa(5~10bar)이지만 온도가 높아질수록 압력 등급은 감소합니다. 190도에서 일반적인 PTFE 튜브에 허용되는 작동 압력은 0.3~0.5MPa일 수 있으며 이는 필요한 증기 압력보다 낮습니다.
두 번째 제약은 온도-에 따른 강도입니다. PTFE는 190도에서 실온{3}}인장 강도의 약 50%를 유지하며 크리프율이 크게 증가합니다. 상승된 온도에서 압력을 견디려면 튜브 벽이 더 두꺼워야 하며, 이는 열 저항을 증가시키고 열 전달 계수를 감소시킵니다.
세 번째 제약은 증기에 의해 튜브 벽이 가열될 때 발생하는 내부 응력입니다. 튜브의 증기 측면은 191도이고 공정 측면은 160도이며 벽 전체에 31도의 온도 차이가 발생합니다. 전도율이 낮은- 재료에서는 이러한 온도 차이로 인해 압력 응력이 가중되는 상당한 열 응력이 발생합니다.
압력 억제 한계
압력 억제는 가장 근본적인 한계입니다. 내부 압력을 받는 얇은 벽으로 둘러싸인 튜브의 후프 응력은 압력과 튜브 직경에 비례하고 벽 두께에 반비례합니다. 외경이 6mm이고 벽이 1.0mm인 PTFE 튜브의 경우 10bar 내부 압력에서 후프 응력은 약 30MPa입니다. 190도에서 PTFE의 인장 강도는 약 10-12 MPa입니다. 이는 튜브가 적절한 안전 계수로 압력을 견딜 수 없음을 의미합니다.
벽 두께를 늘리면 후프 응력이 감소하지만 열 저항은 증가합니다. 2.0mm 벽은 후프 응력을 강도 한계 내에 있는 15MPa로 감소시키지만 열 저항은 두 배로 증가하고 열 전달 계수는 감소합니다. 이를 보완하기 위해 열 교환기는 더 커져야 하며, 이는 자본 비용과 공간 요구 사항을 증가시킵니다.
대안은 튜브 직경을 줄이는 것입니다. 1.0mm 벽을 가진 3mm 외경 튜브는 10bar에서 15MPa의 후프 응력을 가지며 이는 강도 한계 내에 있습니다. 직경이 작은 튜브는 단위 부피당 표면적이 더 크며, 이는 낮은 열 전달 계수를 부분적으로 보상합니다.
온도-에 따른 강도 한계
PTFE의 인장강도는 온도에 따라 감소합니다. 20도에서 인장강도는 약 25~30 MPa입니다. 100도에서는 약 15~18MPa입니다. 190도에서는 약 10-12 MPa입니다. 250도에서는 약 5~6MPa입니다.
강도가 감소하면 허용 응력과 허용 압력이 제한됩니다. 100도에서 10bar 등급의 열교환기는 190도에서 4~5bar 등급만 있을 수 있습니다. 경감 계수는 일반적으로 실온 정격과 비교하여 190도에서 0.5~0.6입니다.
정격 감소는 온도의 선형 함수가 아닙니다. 강도는 150도까지는 서서히 감소하고 200도 이상에서는 더욱 급격히 감소합니다. 고압 증기 서비스의 실제 한계는 약 150~180도이며, 그 이상에서는 대부분의 산업용 증기 시스템에 대한 압력 등급이 너무 낮아집니다.
크리프 한계
크리프(Creep)는 지속적인 하중 하에서 재료가 천천히 변형되는 현상입니다. PTFE는 실온에서 크리프하고 크리프 속도는 온도에 따라 증가합니다. 190도에서 크리프율은 20도보다 10~20배 더 높을 수 있습니다.
열 교환기에서 크리프는 튜브 직경이 천천히 증가하고 벽 두께가 천천히 감소하는 것으로 나타납니다. 튜브는 내부 압력으로 인해 팽창하고 벽은 얇아집니다. 시간이 지남에 따라 튜브가 파열되거나 튜브-와-튜브 시트 연결부에서 누출이 발생할 수 있습니다.
크리프 한계는 일반적으로 10,000시간 동안 1% 미만의 변형을 생성하는 최대 응력으로 표현됩니다. 190도 PTFE의 경우 이 응력은 약 3~4MPa로 인장 강도보다 훨씬 낮습니다. 인장 강도가 아닌 크리프 한계는 장기 서비스에 대한 제어 매개변수입니다.-
열 응력 한계
튜브 벽의 열 응력은 벽 전체의 온도 차이, 열팽창 계수 및 탄성 계수에 비례합니다. PTFE의 경우 열팽창계수는 약 12×10⁻⁵/도이고, 190도에서의 모듈러스는 약 200MPa입니다.
벽 전체에 걸쳐 31도의 온도 차이에 대해 열 응력은 약 7.4MPa입니다. 이 응력은 압력 응력을 가중시키고 허용 압력을 감소시킵니다. 고압-증기 응용 분야에서 열 응력은 전체 응력의 상당 부분을 차지할 수 있으며 이는 설계 계산에 포함되어야 합니다.
벽 전체의 온도 차이를 줄임으로써 열 응력을 줄일 수 있습니다. 이는 열 유속을 줄이는 것을 의미합니다. 열 유속이 낮을수록 더 넓은 표면적이 필요하므로 자본 비용이 증가합니다.
고압 증기 서비스의 PTFE와 금속 장치 비교-
다음 표에는 12bar 및 191도의 고압 증기 서비스에서 PTFE 및 스테인레스강 열교환기의 성능 및 비용 특성이 요약되어 있습니다.{0}}
| 특성 | 스테인레스 스틸 열교환기 | PTFE 열교환기 | 이점 |
|---|---|---|---|
| 191도에서 최대 작동 압력 | 25바 | 4~5바 | 스테인레스 스틸 |
| 최대 작동 온도 | 400도 | 260도 | 스테인레스 스틸 |
| 191도에서의 인장 강도 | 140MPa | 10~12MPa | 스테인레스 스틸 |
| 191도에서의 크리프 한계 | 해당 없음 | 3~4MPa | 스테인레스 스틸 |
| 열전도율 | 16 W/m·K | 0.25 W/m·K | 스테인레스 스틸 |
| 전체 열전달 계수 | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | 스테인레스 스틸 |
| 150kW에 필요한 표면적 | 5 m² | 20 m² | 스테인레스 스틸 |
| 31도 ΔT에서의 열 응력 | 15MPa | 7.4MPa | PTFE |
| 증기 응축수에 대한 내화학성 | 좋은 | 훌륭한 | PTFE |
| 증기 서비스의 수명 | 20~30년 | 8~12세 | 스테인레스 스틸 |
| 150kW 의무에 대한 자본 비용 | $45,000 | $38,000 | PTFE |
| 설치비용 | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| 연간 유지관리 비용 | $1,500 | $3,000 | 스테인레스 스틸 |
| 5-년 총 비용 | $82,500 | $90,000 | 스테인레스 스틸 |
5년-년 총 비용 값은 시간당 생산 가치를 500달러로 가정하고 5년간의 자본 비용, 설치 비용 및 유지 관리 비용을 포함합니다.
PTFE가 여전히 더 나은 선택일 때
기계적 한계에도 불구하고 PTFE는 여러 고압 증기 응용 분야에서 여전히 더 나은 선택입니다.{0}}
부식성 응축수 서비스.증기 응축수에 염화물이나 불화물과 같은 부식성 물질이 포함되어 있으면 스테인리스 스틸 유닛은 부식될 수 있지만 PTFE 유닛은 내성이 있습니다.
저압-증기 서비스.5bar 미만의 증기 압력과 150도 미만의 온도에서는 PTFE의 기계적 한계가 덜 심각하며 PTFE 장치가 경쟁력을 가질 수 있습니다.
순도 높은-서비스.공정 유체가 금속 이온 오염에 민감한 경우 금속 이온을 침출하지 않는 PTFE 장치를 선택하는 것이 더 좋습니다.
작은 열부하 서비스.열 부하가 작을 경우 PTFE 장치의 표면적이 넓을수록 제약이 적고 자본 비용이 낮으므로 PTFE가 선호될 수 있습니다.
개조 서비스.기존 열교환기가 PTFE 장치이고 증기 압력이 증가한 경우 압력이 감소된 한계 내에 있으면 PTFE 장치가 여전히 적절할 수 있습니다.
PTFE 압력 한계를 확장하는 설계 수정
몇 가지 설계 수정으로 고압 증기 서비스에서 PTFE 열교환기의 압력 한계가 확장되었습니다.-
더 작은 튜브 직경.직경이 더 작은 튜브는 동일한 압력과 벽 두께에 대해 더 낮은 후프 응력을 갖습니다. 3mm 튜브는 동일한 벽 두께의 6mm 튜브보다 더 높은 압력을 견딜 수 있습니다.
더 두꺼운 튜브 벽.벽이 두꺼울수록 후프 응력은 감소하지만 열 저항은 증가합니다. 벽 두께는 특정 압력 및 열 전달 요구 사항에 맞게 최적화되어야 합니다.
강화된 튜브 구조.금속 또는 복합재로 강화된 PTFE 튜브는 강화되지 않은 튜브보다 더 높은 압력을 견딜 수 있습니다. 보강재는 와이어 브레이드, 나선형 랩 또는 복합재 층일 수 있습니다.
작동 온도가 낮아졌습니다.증기 온도를 낮추면 열 응력이 감소하고 재료 강도가 증가합니다. 증기 압력이 낮거나 과열저감 장치를 사용하면 온도가 낮아질 수 있습니다.
열유속 감소.열 유속이 낮을수록 벽 전체의 온도 차이와 열 응력이 줄어듭니다. 더 큰 표면적이 필요하므로 자본 비용이 증가합니다.
플로팅 튜브 시트.플로팅 튜브 시트는 튜브와 튜브 시트의 축방향 응력을 줄여 압력 억제를 향상시킵니다.
고압 증기 서비스에 대한 사양 매개변수
고압 증기 서비스용 PTFE 열 교환기를 평가하는 장비 엔지니어는 공급업체와 함께 다음 매개변수를 확인해야 합니다.-
증기 압력과 온도.최대 증기압력과 포화온도를 지정합니다.
공정 온도.공정 유체 온도와 접근 온도를 지정합니다.
튜브 직경 및 벽 두께.압력 및 열 전달 요구 사항에 따라 튜브 직경과 벽 두께를 지정합니다.
압력 등급.실온이 아닌 작동 온도에서의 압력 등급을 지정하십시오.
크리프 한계.장기간 서비스에 대한 크리프 한계와 최대 허용 응력을 지정합니다.-
열 스트레스.열응력 계산 및 허용응력을 지정합니다.
보강.튜브의 보강 여부와 보강 유형을 지정합니다.
서비스 수명 요구 사항.예상 사용 수명과 교체 일정을 지정하십시오.
증기 조건에 PTFE 설계 맞추기
고압 증기 서비스에서 PTFE 열 교환기의 한계는 압력 억제, 온도에 따른 강도-, 크리프 및 열 응력입니다. 이러한 제한은 더 작은 튜브 직경, 더 두꺼운 벽, 강화 및 열 유속 감소와 같은 설계 수정을 통해 관리될 수 있습니다. 고압 증기 서비스에서 PTFE의 실제 한계는 190도에서 약 5bar이며, 그 이상에서는 설계가 비현실적이거나 자본 비용이 엄청나게 커집니다.
선택 결정은 증기 조건, 공정 요구 사항, 자본 비용 및 유지 관리 비용을 통합하는 시설{0}}별 분석을 기반으로 해야 합니다. 이러한 매개변수가 포함된 간단한 스프레드시트 모델은 결정을 내리는 데 필요한 정보를 제공합니다.
열 교환기 옵션을 평가하는 고압 증기 서비스 시설의 경우 자재 선택은 자본 비용이나 열 성능뿐만 아니라 예상 서비스 수명에 대한 총 소유 비용을 기준으로 해야 합니다. 자본 비용이 더 높은 금속 장치는 정격 감소 없이 증기 조건을 처리할 수 있다면 수명 비용이 더 낮을 수 있습니다.
고압 증기 또는 기타 까다로운 서비스에 대한 PTFE 열 교환기 사양을 평가하는 장비 엔지니어 및 조달 전문가는 증기 압력, 증기 온도, 튜브 직경, 벽 두께, 압력 등급, 크리프 한계 및 열 응력을 다루는 설계 검토를 요청하여 장치가 시설의 실제 증기 조건 및 프로세스 요구 사항과 일치하는지 확인할 수 있습니다.
