屋外での計算チャレンジ
屋外に設置された PTFE 熱交換器の周囲温度は、昼と夜では 15 ～ 20 度、夏と冬では 30 ～ 40 度変化します。熱交換器とその相互接続配管から環境への熱損失は比例して変化します。冬の平均気温のみを考慮した設計は、寒波時にはサイズが小さくなる可能性があります。極端な最低温度を考慮した設計により、通常の動作中に容量が無駄になります。
熱損失の計算では、熱損失を引き起こす平均温度差と、熱交換器の最大必要容量を決定するピーク損失の両方を考慮する必要があります。また、熱が入力されておらず、交換器が周囲温度まで冷却されるシャットダウン中の凍結のリスクにも対処する必要があります。
金属熱交換器とは異なり、PTFE には凍結損傷に対する安全マージンがあります。柔軟なフッ素ポリマーは、凍結防止戦略に影響を与える特性を損なうことなく、凍結水の膨張に対応します。-
熱損失コンポーネント
屋外の PTFE 熱交換器設置からの熱損失には 3 つの要素があります。タンクまたは交換器本体の損失は、タンクまたは交換器シェルの周囲空気に露出した表面から発生します。損失率は、表面積、プロセス流体と周囲空気の温度差、断熱材と外部空気膜を通した全体の熱伝達係数によって決まります。
相互接続配管の損失は、熱交換器とプロセス間の地上配管から発生します。{0}断熱材を使用していても、パイプの各メートルは測定可能な熱損失に寄与します。配管の総損失は露出配管の長さと温度差によって決まります。
風-損失が増大すると、外部熱伝達係数が増加します。風速 5 m/s は静止空気に比べて熱損失が 2 倍になる可能性があります。設置場所の風データは熱損失の計算に含める必要があります。
表 1: 周囲条件別の熱損失計算係数 (50 度のプロセス流体、10 平方メートルの露出表面、25 mm ミネラルウール断熱材)
| 周囲条件 | 温度差（度） | 風速 (m/s) | 外部膜係数(W/m²・K) | 熱損失(kW) | 設計負荷のパーセント (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 夏の午後（35度、まだ） | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| 夏の夜（22度、まだ） | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| 冬の午後（10度、風） | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| 冬の夜（-5度、風） | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| 寒波（-20度、風が強い） | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| 極最低 (-30 度、風が強い) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
断熱されていないタンク表面の熱損失値は 4 ～ 6 倍になります。屋外設置には断熱材が必須です。
断熱材の最適化
熱損失の計算により、断熱材の厚さを選択できます。経済的な最適化により、より厚い断熱材のコストと、機器の耐用年数全体にわたって節約されるエネルギーの価値のバランスがとれます。寒冷地での屋外設置の場合、計算では断熱材の厚さは 50 ～ 75 mm になることがよくあります。
断熱材は耐候性でなければなりません。雨、雪、紫外線にさらされた屋外断熱材は、保護被覆がないと急速に劣化します。アルミニウムまたはステンレス鋼のジャケットは断熱材を保護し、耐久性があり、掃除しやすい表面を提供します。断熱効果を損なう水の浸入を防ぐために、すべての接合部を密閉する必要があります。
PTFE 交換器は、フランジ接続およびヘッダー アクセス ポイントで特有の絶縁課題を抱えています。断熱システムは、取り外しや交換中に損傷することなく、検査やメンテナンスのために定期的にアクセスできる必要があります。これらの場所には取り外し可能な断熱ブランケットが必要なアクセスを提供します。
凍結防止戦略
冬に屋外 PTFE 熱交換器が停止すると、チューブ内に閉じ込められたプロセス流体が凍結する可能性があります。水は凍結すると約 9% 膨張し、硬いパイプや容器を裂く可能性のある圧力が発生します。
PTFE チューブは、割れることなく氷の膨張に対応します。この材料の破断点伸びは 200% を超え、低温でもその柔軟性-PTFE は 200 度まで延性を維持します。これにより、チューブが凍った水で膨張することが可能になります。ただし、金属ヘッダー、フランジ、および PTFE 熱交換器に接続された相互接続配管は、この耐凍結性を共有しません。
したがって、凍結防止戦略は金属コンポーネントに焦点を当てています。露出した金属配管、ヘッダー、バルブのヒートトレースにより、シャットダウン中の凍結を防ぎます。 PTFE チューブ自体は凍結防止を必要としませんが、凍結状態が続く場合はチューブ内の液体を排出するか、ゆっくりと循環させる必要があります。
まとめ
周囲温度の変動は、熱損失の変化によって屋外 PTFE 熱交換器の設置に影響を及ぼしますが、熱損失は熱交換器のサイズによって対応する必要があります。断熱材の厚さは地域の気候に合わせて最適化されており、耐久性に不可欠な耐候性被覆材が使用されています。熱損失に対する風の影響は重大であるため、計算に含める必要があります。
PTFE チューブは損傷することなく凍結膨張に耐え、冬季の停止による最も深刻な結果に対する固有の保護を提供します。凍結防止の取り組みは、PTFE 熱交換器に接続された金属システム コンポーネントに重点を置いています。
屋外 PTFE 熱交換器の断熱および凍結防止設計に関するエンジニアリング推奨事項は、現場の気象データ、プロセス流体の特性、動作温度プロファイルと停止温度プロファイル、配管レイアウトを提出すると入手できます。
