การไล่ระดับความร้อนที่พัฒนาขึ้นระหว่างการเริ่มต้นระบบ
โรงงานแปรรูปสารเคมีเริ่มระบบแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE โดยเปิดวาล์วไอน้ำและปล่อยให้ไอน้ำไหลเข้าสู่เปลือก ไอน้ำจะเข้าสู่อุณหภูมิ 120 องศา ในขณะที่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและของเหลวในกระบวนการอยู่ที่ 25 องศา อุณหภูมิที่ช่องไอน้ำเข้าต่างกัน 95 องศา
ไอน้ำจะทำความร้อนให้กับเปลือกและแผ่นท่อที่ปลายทางเข้าก่อน แผ่นท่อจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน แต่ท่อและแผ่นท่อที่ปลายทางออกยังคงเย็นอยู่ การขยายตัวส่วนต่างระหว่างปลายท่อเข้าร้อนและปลายท่อเย็นทำให้เกิดโมเมนต์การโก่งตัวในชุดท่อ และความเค้นเฉือนที่ท่อ-ถึง-ข้อต่อแผ่นท่อ
การไล่ระดับความร้อนยังพัฒนาผ่านความหนาของผนังท่อ ด้านไอน้ำของผนังท่อจะร้อนเร็วกว่าด้านกระบวนการ และความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งผนังจะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน สำหรับท่อ PTFE ที่มีผนัง 0.8 มม. และค่าการแพร่กระจายความร้อน 0.1 มม.²/วินาที เวลาที่ผนังต้องใช้เพื่อให้ถึงสมดุลความร้อนคือประมาณ 6 วินาที การเริ่มต้นอย่างรวดเร็วซึ่งเปลี่ยนอุณหภูมิไอน้ำเร็วกว่าเวลาสมดุลนี้ จะทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิทั่วทั้งผนังซึ่งจะเพิ่มความเค้นจากความร้อน
เหตุใดอัตราทางลาดจึงมีความสำคัญ
อัตราทางลาดจะกำหนดขนาดของการไล่ระดับความร้อนและความเครียดที่เกิดขึ้น ทางลาดที่ช้าช่วยให้อุณหภูมิทั่วทั้งมัดท่อและผนังท่อเท่ากัน ซึ่งช่วยลดการไล่ระดับสีและความเครียด ทางลาดที่รวดเร็วทำให้เกิดการไล่ระดับสีขนาดใหญ่และมีความเครียดสูง
ความเค้นจากการทางลาดที่รวดเร็วอาจเกินกำลังครากของ PTFE โดยเฉพาะที่ข้อต่อท่อ-ถึง-แผ่นท่อซึ่งมีความเข้มข้นของความเค้นสูงที่สุด ความเครียดยังอาจเกินขีดจำกัดความล้าของ PTFE ซึ่งหมายความว่าการสตาร์ทซ้ำๆ ด้วยทางลาดที่รวดเร็วอาจทำให้เกิดความเสียหายสะสมและความล้มเหลวในที่สุด
ผลกระทบของอัตราลาดมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ PTFE เนื่องจากวัสดุมีค่าการนำความร้อนต่ำและมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง ค่าการนำไฟฟ้าต่ำหมายความว่าอุณหภูมิจะเท่ากันอย่างช้าๆ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่สูงหมายความว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่กำหนดจะทำให้เกิดการขยายตัวอย่างมาก การผสมผสานนี้ทำให้ PTFE มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากกว่าวัสดุแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นโลหะ
อัตราทางลาดที่ปกป้องท่อ
อัตราทางลาดที่ปลอดภัยขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิของการสตาร์ทและการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ทั่วไปที่มีผนัง 0.8 มม. และแผ่นท่อคงที่ อัตราการขึ้นลงที่ปลอดภัยจะอยู่ที่ประมาณ 1–2 องศาต่อนาทีสำหรับการเริ่มต้นจากอุณหภูมิโดยรอบถึง 120 องศา สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีแผ่นท่อลอย อัตราทางลาดที่ปลอดภัยอาจสูงกว่านี้ ประมาณ 2–3 องศาต่อนาที เนื่องจากแผ่นท่อลอยรองรับการขยายตัวส่วนต่าง
อัตราทางลาดควรถูกควบคุมโดยอัตราการเปิดวาล์วไอน้ำ วาล์วเปิด-ที่ช้าหรือการบายพาสเพื่ออุ่นเครื่อง-จะทำให้ไอน้ำไหลเพิ่มขึ้นทีละน้อย ซึ่งจะจำกัดอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ วาล์วเปิดเร็ว-ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและมีการไล่ระดับความร้อนสูง
อัตราการเปลี่ยนความเร็วควรได้รับการควบคุมในระหว่างช่วงเย็น-ด้วย การทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว- เช่น เมื่อวาล์วไอน้ำปิดกะทันหันหรือเมื่อมีน้ำเย็นเข้ามา จะทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนแบบเดียวกันในทิศทางตรงกันข้าม โดยทั่วไปอัตราการเย็นลงที่ปลอดภัย-จะเท่ากับอัตราการเพิ่มความร้อนที่ปลอดภัย-
ผลของความหนาของผนังท่อ
ความหนาของผนังท่อส่งผลต่อการไล่ระดับความร้อนข้ามผนังในระหว่างการสตาร์ท ผนังที่บางกว่าจะมีความต้านทานความร้อนต่ำกว่าและการไล่ระดับอุณหภูมิที่น้อยกว่าสำหรับอัตราทางลาดที่กำหนด ผนังที่หนากว่าจะมีความต้านทานความร้อนสูงกว่าและมีการไล่ระดับอุณหภูมิที่ใหญ่กว่า
สำหรับผนัง 0.5 มม. การไล่ระดับความร้อนที่อัตราทางลาด 2 องศาต่อนาทีจะอยู่ที่ประมาณ 15 องศา สำหรับผนัง 1.0 มม. ความชันจะอยู่ที่ประมาณ 30 องศา ผนังที่หนากว่าจะมีความเครียดจากความร้อนสูงกว่าและอัตราการขึ้นลงที่ปลอดภัยต่ำกว่า
ผลกระทบของความหนาของผนังต่ออัตราทางลาดที่ปลอดภัยมีความสำคัญมาก ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีผนัง 0.5 มม. สามารถทนต่ออัตราการเปลี่ยนทางที่ประมาณสองเท่าของอัตราทางลาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีผนัง 1.0 มม.
ผลของการออกแบบแผ่นท่อ
การออกแบบแผ่นท่อส่งผลต่อความเครียดที่ข้อต่อของท่อ-ถึง-ระหว่างการเริ่มต้น แผ่นท่อคงที่จะจำกัดการขยายตัวตามแนวแกนของท่อ ซึ่งสร้างความเค้นอัดในท่อและความเค้นดัดงอในแผ่นท่อ แผ่นท่อแบบลอยช่วยให้ท่อขยายได้อย่างอิสระ ซึ่งช่วยลดความเครียด
สำหรับแผ่นท่อคงที่ อัตราการลาดที่ปลอดภัยจะอยู่ที่ประมาณ 1–2 องศาต่อนาที สำหรับแผ่นท่อลอย อัตราทางลาดที่ปลอดภัยจะอยู่ที่ประมาณ 2–3 องศาต่อนาที แผ่นท่อลอยเป็นการออกแบบที่ต้องการสำหรับการบริการที่มีการสตาร์ทเครื่องบ่อยครั้ง
การเปรียบเทียบอัตราทางลาดสำหรับการกำหนดค่าต่างๆ
ตารางต่อไปนี้สรุปอัตราการเปลี่ยนที่ปลอดภัยและอายุการใช้งานที่คาดหวังสำหรับการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ต่างๆ ที่ใช้งานโดยเริ่มจาก 25 องศาถึง 120 องศา
| การกำหนดค่า | ความหนาของผนังท่อ | การออกแบบแผ่นท่อ | อัตราทางลาดที่ปลอดภัย | การไล่ระดับความร้อนในอัตราปลอดภัย | อายุการใช้งานของวงจรที่คาดหวัง |
|---|---|---|---|---|---|
| แผ่นท่อคงที่มาตรฐาน | 0.8 มม | ที่ตายตัว | 1.0 องศา/นาที | 20 องศา | 500–800 รอบ |
| แผ่นท่อคงที่มาตรฐาน | 0.5 มม | ที่ตายตัว | 1.5 องศา/นาที | 15 องศา | 800–1,200 รอบ |
| แผ่นท่อลอยน้ำ | 0.8 มม | ลอยตัว | 2.0 องศา/นาที | 20 องศา | 1,500–2,500 รอบ |
| แผ่นท่อลอยน้ำ | 0.5 มม | ลอยตัว | 3.0 องศา/นาที | 15 องศา | 2,500–4,000 รอบ |
| แผ่นท่อลอยพร้อมข้อต่อขยาย | 0.8 มม | ลอยตัว | 3.0 องศา/นาที | 20 องศา | 2,000–3,500 รอบ |
| แผ่นท่อลอยที่มีวาล์วเปิด-ช้า | 0.8 มม | ลอยตัว | 2.0 องศา/นาที | 20 องศา | 2,000–3,000 รอบ |
ค่าวงจรชีวิตที่คาดไว้ถือว่าการเริ่มต้นจากอุณหภูมิแวดล้อมถึงอุณหภูมิการทำงานวันละครั้ง และเย็นลง{0}}ถึงอุณหภูมิโดยรอบวันละครั้ง อายุการใช้งานของวงจรจะนานขึ้นสำหรับอัตราการเปลี่ยนทางที่ช้าลงและสำหรับการออกแบบแผ่นท่อแบบลอย
คุณสมบัติการออกแบบที่เพิ่มอัตราทางลาดที่ปลอดภัย
คุณสมบัติการออกแบบหลายประการช่วยเพิ่มอัตราการเปลี่ยนทางที่ปลอดภัยและลดความเสี่ยงจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิฉับพลัน
แผ่นท่อลอยน้ำแผ่นท่อแบบลอยช่วยให้ท่อขยายได้อย่างอิสระ ซึ่งช่วยลดความเครียดที่ท่อ-ถึง-ข้อต่อแผ่นท่อ
ผนังท่อบางกว่าผนังที่บางลงจะช่วยลดการไล่ระดับความร้อนและความเครียดจากความร้อน
ข้อต่อการขยายตัวในเปลือกข้อต่อขยายตัวแบบเบลโลว์ในเปลือกช่วยให้เปลือกขยายได้อย่างอิสระจากท่อ ซึ่งช่วยลดความเครียดในการขยายตัวส่วนต่าง
วาล์วไอน้ำเปิดช้า-วาล์วเปิดช้า-จะจำกัดอัตราการไหลของไอน้ำที่เพิ่มขึ้นและอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
บายพาสเพื่ออุ่นเครื่อง-การจัดเรียงบายพาสช่วยให้ไอน้ำปริมาณเล็กน้อยไหลเวียนเพื่ออุ่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างค่อยเป็นค่อยไปก่อนที่จะเปิดวาล์วไอน้ำหลัก
การตรวจสอบอุณหภูมิเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ทางเข้าและทางออกของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนช่วยให้สามารถตรวจสอบและควบคุมอัตราการลาดได้
ข้อปฏิบัติในการปฏิบัติงานที่ปกป้องท่อ
นอกเหนือจากคุณสมบัติการออกแบบแล้ว การปฏิบัติงานสามารถป้องกันท่อจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้
ขั้นตอนการเริ่มต้นการควบคุมขั้นตอนการเริ่มต้นระบบที่เป็นลายลักษณ์อักษรซึ่งระบุอัตราการเปลี่ยนความเร็วและลำดับการเปิดวาล์วช่วยให้แน่ใจว่าผู้ปฏิบัติงานปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติในการสตาร์ทอย่างปลอดภัย
การเปิดวาล์วไอน้ำทีละน้อยการเปิดวาล์วไอน้ำค่อยๆ เป็นเวลา 15-30 นาที จะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นในอัตราที่ควบคุมได้
วอร์มอัพ-บายพาสการใช้บายพาสอุ่น-เพื่อให้ไอน้ำไหลเล็กน้อยก่อนที่จะเปิดวาล์วหลักจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิเริ่มต้น
การควบคุมความเย็น-การปล่อยให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนค่อยๆ เย็นลงหลังจากปิดเครื่อง แทนที่จะปิดวาล์วไอน้ำกะทันหันหรือให้น้ำเย็นเข้ามา จะลดการไล่ระดับความร้อน
การนับวัฏจักรความร้อนการติดตามจำนวนสตาร์ทอัพและอัตราทางลาดเป็นพื้นฐานในการทำนายอายุการใช้งานและกำหนดเวลาการบำรุงรักษา
พารามิเตอร์ข้อมูลจำเพาะสำหรับการป้องกันแรงกระแทกจากความร้อน
วิศวกรอุปกรณ์ที่ระบุตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการบริการที่มีการสตาร์ทบ่อยครั้งควรยืนยันพารามิเตอร์ต่อไปนี้กับซัพพลายเออร์
ความถี่เริ่มต้นระบุจำนวนสตาร์ทอัพที่คาดหวังต่อวันหรือต่อปี
ช่วงอุณหภูมิระบุช่วงอุณหภูมิของการสตาร์ทและคูลดาวน์-
อัตราทางลาดระบุอัตราทางลาดที่ต้องการโดยพิจารณาจากความหนาของผนังท่อและการออกแบบแผ่นท่อ
ความหนาของผนังท่อระบุความหนาของผนังท่อ ผนังที่บางกว่าช่วยให้อัตราการลาดสูงขึ้น
การออกแบบแผ่นท่อระบุแผ่นท่อลอยสำหรับบริการที่มีการสตาร์ทบ่อยครั้ง
ข้อต่อการขยายตัวระบุว่ามีข้อต่อขยายอยู่ในเปลือกหรือไม่
ประเภทวาล์วไอน้ำระบุวาล์วเปิด-ช้าหรือการจัดเตรียมบายพาสสำหรับการอุ่นเครื่อง-
การตรวจสอบอุณหภูมิระบุเซ็นเซอร์อุณหภูมิและวิธีการตรวจสอบเพื่อติดตามอัตราการลาด
การจับคู่อัตราทางลาดกับการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
อัตราลาดเริ่มต้นจะกำหนดความลาดเอียงของความร้อนและความเครียดในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในระหว่างการเริ่มต้น ทางลาดที่ช้าช่วยให้อุณหภูมิเท่ากันและลดความเครียด ทางลาดที่รวดเร็วทำให้เกิดการไล่ระดับสีขนาดใหญ่และความเครียดสูงที่อาจเกินความแข็งแกร่งของ PTFE และทำให้เกิดความเสียหายก่อนเวลาอันควร
อัตราทางลาดที่ปลอดภัยขึ้นอยู่กับความหนาของผนังท่อและการออกแบบแผ่นท่อ สำหรับแผ่นท่อคงที่มาตรฐานที่มีผนัง 0.8 มม. อัตราการลาดที่ปลอดภัยจะอยู่ที่ประมาณ 1–2 องศาต่อนาที สำหรับแผ่นท่อลอยที่มีผนัง 0.5 มม. อัตราทางลาดที่ปลอดภัยอาจเป็น 3 องศาต่อนาทีหรือสูงกว่า
สำหรับโรงงานที่ประเมินตัวเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการบริการที่มีการสตาร์ทบ่อยครั้ง ควรระบุอัตราทางลาดในเอกสารการจัดซื้อและตรวจสอบเมื่อเริ่มเดินเครื่อง การกำหนดค่าเริ่มต้นที่ผู้ผลิตมอบให้อาจไม่รวมถึงคุณลักษณะการออกแบบที่อนุญาตให้มีอัตราการเปลี่ยนที่สูงกว่า และผลจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันอาจทำให้เกิดความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร
วิศวกรอุปกรณ์และผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่ประเมินข้อกำหนดเฉพาะของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สำหรับการบริการที่มีการสตาร์ทบ่อยครั้งหรือการหมุนเวียนความร้อนสูงสามารถขอการตรวจสอบการออกแบบที่ครอบคลุมความถี่ในการสตาร์ท ช่วงอุณหภูมิ อัตราทางลาด ความหนาของผนังท่อ การออกแบบแผ่นท่อ และข้อต่อการขยาย เพื่อยืนยันว่าเครื่องตรงกับรอบการทำงานจริงและข้อกำหนดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของโรงงาน
