単一のめっきシフトで加熱および冷却サイクルを同時に処理するカスタム PTFE 熱交換器にはどのような設計基準が適用されますか?

極限のサーマルサイクル

硬質クロムめっきラインは 1 日 2 交代で稼働しています。朝のシフトは55度です。その後、同じタンクを使用した午後のプロセスのためにバスを 30 度に冷却します。 PTFE 熱交換器は加熱のために 4 barg の蒸気を送り、次に冷却のために 7 度の冷水を受け取ります。チューブの壁の温度は、約 140 度から 10 度まで変動し、また元に戻ります。{10}}1 日に 2 回、1 年に 600 回、10 年に 6,000 回あります。

これは定常状態の動作ではなく、時折シャットダウンすることがあります。-これは、プロセス設計レベルで意図的に繰り返される熱サイクルです。 PTFE 熱交換器は、この循環サービス用に特別に設計する必要があります。継続的に加熱するための標準設計では、加速度的に疲労損傷が蓄積されます。

熱疲労のメカニズム

加熱から冷却への移行ごとに、PTFE チューブに完全な熱ひずみサイクルがかかります。{0}{1} 140 度の高温のチューブが 7 度の冷水と接触すると、外面は急速に収縮しますが、内壁はまだ温かいため、収縮に抵抗します。 -厚さ方向の一時的な引張応力が外面で発生します。

PTFE は、粘弾性緩和を​​通じてこの応力に対処します。{0}}ポリマー鎖が再編成されて応力が緩和されます。この緩和は数分間にわたって起こります。熱転移が緩和時間よりも遅い場合、応力は低いままになります。転移が急速な場合、応力が材料の短期強度を超える可能性があります。-

応力が即時故障しきい値を下回っていても、繰り返しサイクルを行うと疲労損傷が蓄積します。 PTFE では、疲労は金属のような鋭い亀裂ではなく、微小な空隙の形成と成長として現れます。-微小な空隙は数千サイクルにわたって合体し、材料の密度と機械的特性が低下します。薄肉化が加速します。最終的には漏れが発生します。

表 1: 交互運転時の PTFE 熱交換器の熱サイクル設計基準

凝縮水と冷水の切り替え

加熱モードから冷却モードに移行するには、冷水を導入する前にチューブから蒸気と凝縮水をパージする必要があります。残留蒸気が凝縮して真空が発生し、チューブが潰れる可能性があります。温度が十分に低い場合、残留凝縮水によって冷水が希釈され、冷水入口で凍結します。

切替システムはインターロック付き自動バルブを採用しています。加熱-から-までのシーケンスでは、蒸気供給バルブが閉じ、一定時間ブローダウン期間中に凝縮水排出バルブが開き、その後、ランプ コントローラーを介して冷水供給バルブがゆっくりと開きます。冷却-から-へのシーケンスでは、プロセスが逆になります。冷却水が排出され、凝縮水システムが再加圧され、蒸気がゆっくりと流入します。-

蒸気-冷水界面の二重-ブロック-と-ブリード バルブの配置により、移行中の相互汚染を防止します。-

範囲を拡張するための伸縮継手の設計

継続的に加熱された PTFE チューブは周囲温度から約 140 度まで膨張します-120 度の温度上昇により、チューブの長さ 1 メートルあたり約 14 mm の膨張が生じます。サイクルされたチューブは 10 度 (冷却モード) から 140 度 (加熱モード) まで膨張します-130 度の温度変化により、1 メートルあたり約 16 mm の膨張が生じます。追加の膨張は、サイクルごとにわずかではありますが、数千サイクルにわたって蓄積されます。

継続的な暖房サービス用に設計された拡張ループは、サイクル範囲に対してサイズが小さい場合があります。周期的な設計には、曲げやマニホールド接続に過剰なストレスを与えることなく、熱の動き全体に対応するため、より大きなループや追加の柔軟なセクションが含まれています。-

まとめ

単一シフト内の加熱と冷却の同時サイクル用に設計された PTFE 熱交換器には、標準的な連続稼働構造を超えた特定の設計基準が必要です。{0}}肉厚の増加により疲労寿命の余裕が生まれます。自動移行制御により熱ショックを防止します。拡張ループは全温度範囲に対応するサイズになっています。切り替えバルブにより、モード間の完全なパージが保証されます。

追加の設計規定により、10、000+ の完全な熱サイクルを通じて信頼性の高いサービスが可能になり、これは一般的なめっきラインのサイクル周波数での数十年の動作に相当します。これらの規定のない標準設計では疲労損傷が蓄積し、周期的な使用中に早期故障が発生します。

循環 PTFE 熱交換器設計のエンジニアリング解析は、加熱および冷却の温度、サイクル周波数、移行時間の制約、利用可能な蒸気と冷水の状態、および予想される機器の耐用年数を提出すると利用できます。