蒸気の質は高温染色における PTFE 熱交換器の性能にどのような影響を及ぼしますか?{0}}

蒸気の品質を定義する乾き度

-加圧ビーム染色機を 130 度で稼働させる高温染色施設には、中央ボイラーから 8 bar の蒸気が供給され、飽和温度は 170 度になります。蒸気は、数百メートルのパイプ、複数のバルブ、破損または欠落している可能性のある断熱材を含む配管ネットワークを通じて分配されます。

ボイラー出口の蒸気の質は通常 0.98 ～ 0.99 です。蒸気が配管ネットワークを通過する際に、周囲に熱を失い、蒸気の一部が凝縮します。凝縮水は蒸気とともに飛沫として運ばれ、乾き度が低下します。熱交換器入口での乾き度は、配管の長さと断熱状態に応じて 0.92 ～ 0.96 になることがあります。

取り込まれた凝縮水滴は、2 つの方法で熱伝達に影響を与えます。液滴はチューブの表面に衝突し、局所的な冷却を引き起こし、熱応力が発生します。液体部分はさらに凝縮しても潜熱を放出しないため、液滴は蒸気の有効潜熱も減少させます。その結果、同じ熱負荷でも熱伝達率が低下し、蒸気消費量が増加します。

乾き度の熱伝達効果

蒸気側の熱伝達率は凝縮メカニズムに依存します。乾燥蒸気の場合、凝縮は膜状に起こり、熱伝達係数は高く、通常は 5,000 ～ 10,000 W/m²·K です。湿った蒸気では、同伴された液滴が凝縮水の膜を破壊し、より複雑な熱伝達体制を作り出します。熱伝達係数は低く、通常は 3,000 ～ 6,000 W/m²·K です。

蒸気-のサイドフィルム係数が低いと、全体の熱抵抗が増加し、全体の熱伝達係数が減少します。管壁抵抗が 0.0032 m²・K/W、プロセス側膜係数が 1,000 W/m²・K の PTFE 熱交換器の場合、乾燥蒸気の全体係数は約 230 W/m²・K です。{3}}湿り蒸気の場合、全体の係数は約 210 W/m²・K に低下し、9% 減少します。

全体的な係数を下げるには、同じ熱負荷を供給するために、より高い蒸気流量またはより高い蒸気温度が必要になります。蒸気流量が高くなると、蒸気消費量と運転コストが増加します。

低乾燥率におけるウォーターハンマーのリスク

ウォーターハンマーは、蒸気の質が低いことによる最も深刻な結果です。乾き度が 0.90 を下回ると、同伴された凝縮水が配管や熱交換器の低い部分に蓄積する可能性があります。蒸気速度が増加すると、蓄積された凝縮水がシステム内を高速で押し出され、管板、管サポート、および管端に衝突します。

衝撃力は蒸気の静圧の数倍になる可能性があり、PTFE コンポーネントに機械的損傷を引き起こす可能性があります。チューブ-と-のチューブシートの接合部は、チューブが拘束され応力集中が最も高くなる場所であるため、特に脆弱です。

高温染色サービスでは、染色機が断続的に作動するため、ウォーター ハンマーのリスクが高まります。{0}機械が始動すると、蒸気バルブが急速に開き、蒸気の速度が急激に増加します。急激な速度の増加により、蓄積された凝縮水が熱交換器を通って押し出され、ウォーターハンマーが発生する可能性があります。

チューブ壁の劣化効果

凝縮水滴は管壁の劣化速度にも影響します。液滴はチューブの表面に衝突し、局所的な冷却を引き起こし、熱応力が発生します。液滴の衝突による熱サイクルの繰り返しにより、PTFE チューブの壁に疲労亀裂が発生する可能性があります。

衝突により、通常は管の表面を覆っている凝縮水の保護層も除去されます。凝縮水層を除去すると、PTFE が蒸気と凝縮水の化学物質にさらされ、ボイラー水処理からの腐食性種が含まれる可能性があります。

劣化速度は凝縮水の負荷とともに増加します。他のすべての要素が等しい場合、乾燥率 0.95 は乾燥率 0.98 よりも高い分解速度をもたらします。

乾燥率がパフォーマンスに与える影響の定量化

次の表は、8 bar の蒸気で 130 度の高温染色サービスにおける PTFE 熱交換器のさまざまな乾き度における熱伝達性能とウォーター ハンマー リスクをまとめたものです。{0}

蒸気消費量の増加は、乾き度 0.99 の場合と比較して、同じ熱負荷を供給するために必要な追加の蒸気流量です。ウォーターハンマーのリスクと管壁の劣化率は、凝縮水の負荷と衝突エネルギーに基づいた定性的な評価です。

蒸気品質の低下を軽減する設計機能

いくつかの設計機能により、蒸気品質の低下による影響が軽減されます。

蒸気分離器。熱交換器の上流に設置された蒸気分離器は、同伴された凝縮水の液滴を除去し、乾き度を高めます。分離器は通常、蒸気流量に合わせたサイズの遠心分離式またはバッフル式の装置です。-

スチームトラップ。熱交換器の出口にある適切なサイズのスチーム トラップが、シェル内に蓄積した凝縮水を除去します。トラップは、最も低い乾き度における凝縮水の負荷に合わせたサイズにする必要があります。

重力排水。熱交換器は、蒸気入口から凝縮水出口まで連続した下り勾配で設置する必要があります。凝縮水が蓄積する可能性のある低い場所は避けてください。

インピンジメントプレート。蒸気入口の反対側にある衝突プレートは、蒸気ジェットと同伴された液滴の衝撃を吸収します。プレートはチューブシートとチューブエンドをウォーターハンマーによる損傷から保護します。

断熱配管。蒸気配管を断熱すると、熱損失と凝縮率が減少します。乾燥率の低下を最小限に抑えるために、断熱材を良好な状態に維持する必要があります。

蒸気バルブの開きが遅い。始動時に蒸気バルブをゆっくり開くと、蒸気速度の上昇とウォーター ハンマーのリスクが軽減されます。{0}}暖機のためにゆっくりと開くバルブまたはバイパス装置を使用することをお勧めします。-

蒸気品質管理オプションの比較

次の表は、高温染色サービスにおける PTFE 熱交換器のさまざまな蒸気品質管理オプションの有効性とコストをまとめたものです。{0}}

回収期間は、蒸気消費量の削減とウォーターハンマーリスクの削減に基づいて計算されます。セパレータと絶縁オプションを組み合わせることにより、ほとんどのアプリケーションで最大の改善と最短の投資回収期間が実現します。

高温染色サービスの仕様パラメータ-

高温染色サービス用の PTFE 熱交換器を指定する機器エンジニアは、サプライヤーに次のパラメータを確認する必要があります。-

蒸気の圧力と温度。蒸気供給圧力と飽和温度をご指定ください。

蒸気乾燥率。熱交換器入口で予想される乾き度を指定します。

蒸気流量。設計蒸気流量と予想される範囲を指定します。

熱負荷。熱負荷と予想される範囲を指定します。

蒸気分離器。蒸気分離器が提供されているかどうか、および必要な乾き度の改善を指定します。

スチームトラップ。スチームトラップのタイプとサイズ基準を指定します。

重力排水。熱交換器の向きと排水経路をご指定ください。

インピンジメントプレート。インピンジメントプレートの有無を指定します。

絶縁。蒸気配管の断熱要件を指定します。

蒸気の品質と熱交換器の設計のマッチング

蒸気の質は、高温染色サービスにおける PTFE 熱交換器の熱伝達性能、ウォーターハンマーのリスク、チューブ壁の劣化速度に影響します。{0}}乾き度が 0.95 未満の場合、蒸気消費量が 12% 以上増加し、ウォーターハンマーのリスクが増加します。乾き度が 0.90 未満の場合、蒸気消費量が 31% 以上増加し、極度のウォーターハンマーのリスクが生じます。

乾き度は、蒸気分離、断熱、重力排水を組み合わせて 0.95 以上に維持する必要があります。蒸気分離器は最も効果的な単独の手段であり、通常、蒸気消費量の削減とメンテナンスの削減により、資本コストを 12 ～ 24 か月以内に回収します。

PTFE 熱交換器のオプションを評価する高温染色施設の場合、蒸気の品質を調達文書に明記し、試運転時に検証する必要があります。-メーカーが提供するデフォルト構成には、低蒸気品質に対する備えが含まれていない場合があり、その結果生じるウォーターハンマー損傷により早期故障が発生する可能性があります。

高温染色やその他の蒸気加熱サービス用の PTFE 熱交換器の仕様を評価する機器エンジニアや調達専門家は、ユニットが実際の蒸気条件や施設の動作プロファイルに適合していることを確認するために、蒸気圧力、蒸気乾き度、蒸気流量、熱負荷、蒸気品質管理規定を含む設計レビューをリクエストできます。{0}