시동 중에 발생하는 열 변화도
화학 처리 시설에서는 증기 밸브를 열고 증기가 쉘로 유입되도록 하여 PTFE 열 교환기를 가동합니다. 증기는 120도에서 유입되고 열 교환기와 공정 유체는 25도에서 유입됩니다. 증기 입구의 온도차는 95도입니다.
증기는 입구 끝의 쉘과 튜브 시트를 먼저 가열합니다. 튜브 시트는 가열되면서 팽창하지만 튜브와 출구 끝의 튜브 시트는 여전히 차갑습니다. 뜨거운 입구 끝과 차가운 출구 끝 사이의 차등 팽창은 튜브 번들에 굽힘 모멘트를 생성하고 튜브{2}}대-튜브 시트 접합부에서 전단 응력을 생성합니다.
열 구배는 또한 튜브 벽 두께를 통해 발생합니다. 튜브 벽의 증기 측면은 공정 측면보다 더 빨리 가열되며 벽 전체의 온도 차이로 인해 열 응력이 발생합니다. 벽이 0.8mm이고 열 확산율이 0.1mm²/s인 PTFE 튜브의 경우 벽이 열 평형에 도달하는 데 필요한 시간은 약 6초입니다. 이 평형 시간보다 빠르게 증기 온도를 변경하는 빠른 시동은 벽 전체에 온도 구배를 생성하여 열 응력을 가중시킵니다.
램프 속도가 중요한 이유
램프 속도는 열 구배의 크기와 그에 따른 응력을 결정합니다. 느린 램프를 사용하면 온도가 튜브 번들과 튜브 벽 전체에서 균등화되어 경사도와 응력이 줄어듭니다. 빠른 램프는 큰 경사와 높은 응력을 생성합니다.
빠른 램프로 인한 응력은 특히 응력 집중이 가장 높은 튜브--튜브 시트 접합부에서 PTFE의 항복 강도를 초과할 수 있습니다. 응력은 PTFE의 피로 한계를 초과할 수도 있으며, 이는 빠른 램프로 반복적인 시동이 누적된 손상과 궁극적인 고장을 일으킬 수 있음을 의미합니다.
PTFE의 경우 열전도율이 낮고 열팽창 계수가 높기 때문에 램프 속도 효과가 특히 중요합니다. 전도도가 낮다는 것은 온도가 천천히 균일해지는 것을 의미하고, 팽창계수가 높다는 것은 주어진 온도 차이가 큰 팽창을 일으킨다는 것을 의미합니다. 이러한 조합으로 인해 PTFE는 금속 열 교환기 재료보다 열충격에 더 민감해졌습니다.
튜브를 보호하는 램프 속도
안전한 램프 속도는 시동 온도 범위와 열교환기 설계에 따라 달라집니다. 0.8mm 벽과 고정 튜브 시트가 있는 일반적인 PTFE 열교환기의 경우 안전한 램프 속도는 주변 온도에서 120도까지 시동할 때 분당 약 1~2도입니다. 플로팅 튜브 시트가 있는 열 교환기의 경우 플로팅 튜브 시트가 차등 팽창을 수용하기 때문에 안전한 램프 속도는 분당 약 2~3도 더 높을 수 있습니다.
램프 속도는 증기 밸브 개방 속도에 따라 제어되어야 합니다. 천천히 열리는-밸브 또는 워밍업을 위한 바이패스 배열-은 증기 흐름을 점진적으로 증가시켜 온도 상승 속도를 제한합니다. 밸브가 빠르게- 열리면 온도가 빠르게 상승하고 열 구배가 높아집니다.
대기 시간 동안에도 램프 속도를 제어해야 합니다.- 증기 밸브가 갑자기 닫히거나 찬 물이 유입되는 경우와 같이 급격한 냉각-은 동일한 열 구배를 역으로 생성합니다. 안전한 냉각-속도는 일반적으로 안전한 가열-속도와 동일합니다.
튜브 벽 두께의 영향
튜브 벽 두께는 시동 중 벽 전체의 열 구배에 영향을 미칩니다. 얇은 벽은 주어진 램프 속도에 대해 더 낮은 열 저항과 더 작은 온도 구배를 갖습니다. 벽이 두꺼울수록 열 저항이 더 높고 온도 구배도 더 큽니다.
0.5mm 벽의 경우 분당 2도의 램프 속도에서 열 구배는 약 15도입니다. 1.0mm 벽의 경우 경사도는 약 30도입니다. 벽이 두꺼울수록 열 응력이 높아지고 안전 램프 속도가 낮아집니다.
안전 램프 속도에 대한 벽 두께의 영향은 중요합니다. 벽이 0.5mm인 열교환기는 벽이 1.0mm인 열교환기의 램프 속도의 약 2배인 램프 속도를 견딜 수 있습니다.
튜브 시트 설계의 효과
튜브 시트 설계는 시동 중 튜브{0}}대-튜브 시트 접합부의 응력에 영향을 미칩니다. 고정된 튜브 시트는 튜브의 축방향 팽창을 제한하여 튜브에 압축 응력을 생성하고 튜브 시트에 굽힘 응력을 생성합니다. 플로팅 튜브 시트를 사용하면 튜브가 자유롭게 확장되어 응력이 줄어듭니다.
고정 튜브 시트의 경우 안전 램프 속도는 분당 약 1~2도입니다. 플로팅 튜브 시트의 경우 안전한 램프 속도는 분당 약 2~3도입니다. 플로팅 튜브 시트는 시동이 자주 걸리는 서비스에 선호되는 디자인입니다.
다양한 구성의 램프 속도 비교
다음 표에는 25도에서 120도까지 시동을 사용하는 다양한 PTFE 열교환기 구성의 안전 램프 속도와 예상 사이클 수명이 요약되어 있습니다.
| 구성 | 튜브 벽 두께 | 튜브 시트 디자인 | 안전 램프 속도 | 안전한 속도의 열 변화도 | 예상 사이클 수명 |
|---|---|---|---|---|---|
| 표준 고정 튜브 시트 | 0.8mm | 결정된 | 1.0도/분 | 20도 | 500~800사이클 |
| 표준 고정 튜브 시트 | 0.5mm | 결정된 | 1.5도/분 | 15도 | 800~1,200사이클 |
| 플로팅 튜브 시트 | 0.8mm | 떠 있는 | 2.0도/분 | 20도 | 1,500~2,500사이클 |
| 플로팅 튜브 시트 | 0.5mm | 떠 있는 | 3.0도/분 | 15도 | 2,500~4,000사이클 |
| 확장 조인트가 있는 플로팅 튜브 시트 | 0.8mm | 떠 있는 | 3.0도/분 | 20도 | 2,000~3,500사이클 |
| 천천히 열리는-밸브가 있는 플로팅 튜브 시트 | 0.8mm | 떠 있는 | 2.0도/분 | 20도 | 2,000~3,000사이클 |
예상 주기 수명 값은 하루에 한 번 주변 온도에서 작동 온도로 시동하고 하루에 한 번 -대기 온도로 냉각하는 것을 가정합니다. 램프 속도가 느리고 플로팅 튜브 시트 설계의 경우 사이클 수명이 더 길어집니다.
안전한 램프 속도를 높이는 설계 기능
여러 가지 설계 기능으로 안전 램프 속도를 높이고 열충격 위험을 줄입니다.
플로팅 튜브 시트.플로팅 튜브 시트를 사용하면 튜브가 자유롭게 팽창할 수 있어 튜브-와-튜브 시트 접합부에서 발생하는 응력이 줄어듭니다.
더 얇은 튜브 벽.벽이 얇을수록 열 구배와 열 응력이 줄어듭니다.
쉘의 확장 조인트.쉘의 벨로우즈 확장 조인트를 사용하면 쉘이 튜브와 독립적으로 확장되어 차등 팽창 응력이 줄어듭니다.
천천히-스팀 밸브를 엽니다.느리게 열리는-밸브는 증기 흐름의 증가 속도와 온도 상승 속도를 제한합니다.
워밍업을 위해 우회합니다-.바이패스 배열을 사용하면 주 증기 밸브가 열리기 전에 작은 증기 흐름으로 열교환기를 점차적으로 따뜻하게 할 수 있습니다.
온도 모니터링.열 교환기 입구 및 출구에 있는 온도 센서를 통해 램프 속도를 모니터링하고 제어할 수 있습니다.
튜브를 보호하는 작동 방식
설계 기능 외에도 작동 방식을 통해 열 충격으로부터 튜브를 보호할 수 있습니다.
제어된 시작 절차.램프 속도와 밸브 개방 순서를 지정하는 서면 시동 절차는 작업자가 안전한 시동 방식을 따르도록 보장합니다.
점진적인 증기 밸브 개방.15~30분에 걸쳐 증기 밸브를 점차적으로 열면 온도가 제어된 속도로 상승합니다.
워밍업-바이패스.메인 밸브가 열리기 전에 예열 바이패스를 사용하여 작은 증기 흐름을 도입하면 초기 온도 차이가 줄어듭니다.
쿨다운-컨트롤.증기 밸브를 갑자기 닫거나 찬 물을 도입하는 대신, 정지 후 열 교환기를 점차적으로 냉각시키는 것이 열 구배를 줄입니다.
열주기 계산.시동 횟수와 램프 속도를 추적하면 서비스 수명을 예측하고 유지 관리 일정을 계획하기 위한 기초가 제공됩니다.
열충격 보호를 위한 사양 매개변수
자주 시동하는 서비스를 위해 PTFE 열교환기를 지정하는 장비 엔지니어는 공급업체와 다음 매개변수를 확인해야 합니다.
시작 빈도.하루 또는 연간 예상 시작 횟수를 지정합니다.
온도 범위.시작 온도 범위와 냉각 온도-를 지정합니다.
램프 속도.튜브 벽 두께와 튜브 시트 설계에 따라 필요한 램프 속도를 지정합니다.
튜브 벽 두께.튜브 벽 두께를 지정합니다. 벽이 얇을수록 램프 속도가 높아집니다.
튜브 시트 디자인.시동이 자주 걸리는 서비스에는 플로팅 튜브 시트를 지정하십시오.
확장 조인트.쉘에 확장 조인트가 제공되는지 여부를 지정합니다.
증기 밸브 유형.예열을 위해 천천히 열리는-밸브나 바이패스 배열을 지정하세요.-
온도 모니터링.램프 속도를 추적하기 위한 온도 센서와 모니터링 방법을 지정합니다.
열 교환기 설계에 램프 속도 일치
시동 램프 속도는 시동 중 PTFE 열교환기의 열 구배와 응력을 결정합니다. 느린 램프를 사용하면 온도가 균등해지고 응력이 줄어듭니다. 빠른 램프는 PTFE의 강도를 초과하여 조기 파손을 일으킬 수 있는 큰 구배와 높은 응력을 생성합니다.
안전한 램프 속도는 튜브 벽 두께와 튜브 시트 설계에 따라 달라집니다. 벽이 0.8mm인 표준 고정 튜브 시트의 경우 안전 램프 속도는 분당 약 1~2도입니다. 벽이 0.5mm인 플로팅 튜브 시트의 경우 안전 램프 속도는 분당 3도 이상이 될 수 있습니다.
자주 시동하는 서비스를 위한 PTFE 열 교환기 옵션을 평가하는 시설의 경우 램프 속도를 조달 문서에 지정하고 시운전 시 확인해야 합니다. 제조업체가 제공하는 기본 구성에는 더 높은 램프 속도를 허용하는 설계 기능이 포함되어 있지 않을 수 있으며, 이로 인해 발생하는 열 충격으로 인해 조기 고장이 발생할 수 있습니다.
빈번한 시동 또는 높은 열 순환이 있는 서비스에 대해 PTFE 열교환기 사양을 평가하는 장비 엔지니어 및 조달 전문가는 장치가 시설의 실제 작동 주기 및 열 충격 요구 사항과 일치하는지 확인하기 위해 시동 주파수, 온도 범위, 램프 속도, 튜브 벽 두께, 튜브 시트 설계 및 확장 조인트를 다루는 설계 검토를 요청할 수 있습니다.
