La minaccia della velocità
Il vapore che entra in un tubo dello scambiatore di calore in PTFE a una velocità di 25-35 m/s trasporta goccioline di condensa. Queste goccioline, viaggiando a una velocità prossima a quella del vapore, colpiscono la parete del tubo in corrispondenza delle curve, delle transizioni dei collettori e delle aree di disturbo del flusso. Ogni impatto fornisce un microscopico impulso meccanico alla superficie del PTFE.
A basse velocità, l'energia d'impatto viene assorbita elasticamente dal polimero viscoelastico. La superficie rimbalza senza danni. A velocità più elevate, l’effetto cumulativo di milioni di impatti di goccioline produce irruvidimento della superficie, perdita di materiale ed eventualmente assottigliamento delle pareti. Si tratta di erosione-usura puramente meccanica senza componenti chimici.
La velocità massima consentita del vapore è la soglia al di sotto della quale l'erosione durante la vita utile di progetto è trascurabile. Al di sopra di questa soglia, l'erosione si accumula fino a formare una perdita misurabile della parete nel corso della vita dell'apparecchiatura.
Il meccanismo di impatto delle goccioline
La condensa si forma continuamente poiché il vapore rilascia il suo calore latente. Parte della condensa drena sotto forma di pellicola lungo la parete del tubo. Una parte viene trascinata sotto forma di goccioline nel-nucleo di vapore ad alta velocità. In corrispondenza di curve e ostruzioni, le goccioline vengono lanciate verso l'esterno dalla forza centrifuga e colpiscono la parete del tubo.
La pressione di impatto di una goccia d'acqua su una superficie solida è proporzionale alla pressione del colpo d'ariete: P=ρ × c × V, dove ρ è la densità dell'acqua, c è la velocità acustica nell'acqua (circa 1.500 m/s) e V è la velocità di impatto della goccia. Alla velocità di impatto di 30 m/s, la pressione istantanea nel punto di impatto supera i 45 MPa-sufficienti a deformare il PTFE localmente.
Un singolo impatto non provoca danni misurabili. Ma un sistema a vapore in funzione per 6.000 ore all’anno rilascia centinaia di milioni di goccioline sulla parete del tubo nell’arco di un decennio. La fatica cumulativa derivante dalla micro-deformazione ripetuta alla fine produce crepe superficiali, distacco di particelle e assottigliamento misurabile delle pareti.
Tabella 1: Limiti di velocità del vapore per tubi per scambiatori di calore in PTFE
| Pressione del vapore (barg) | Diametro interno del tubo (mm) | Velocità massima del vapore consigliata (m/s) | Velocità massima assoluta (m/s) | Rischio di erosione superiore al massimo assoluto |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Moderato (irruvidimento entro 5 anni) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Moderare |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Moderare |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Basso-Moderato (un diametro maggiore riduce la concentrazione delle goccioline) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Moderare |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Basso (diametro maggiore; densità del vapore inferiore a pressione più elevata) |
Limiti di velocità basati sui dati sulla resistenza all'erosione del PTFE e su un'estrapolazione conservativa derivante dall'esperienza di servizio a lungo-termine. Il massimo assoluto rappresenta la velocità al di sopra della quale è prevista un’erosione misurabile entro 10 anni di servizio continuo.
La connessione della frazione di secchezza
I limiti di velocità del vapore presuppongono una frazione di secchezza pari o superiore al 98%-ovvero 2% o meno di acqua trascinata in massa. A frazioni di secchezza inferiori, il contenuto di acqua trascinata è maggiore e il rischio di erosione a una data velocità aumenta proporzionalmente.
Se la qualità del vapore dell'impianto è inferiore al 98% di secchezza, la velocità massima consentita dovrebbe essere ridotta del 10-15% per tenere conto dell'aumento del carico di goccioline. In alternativa, un separatore di vapore installato a monte dello scambiatore di calore rimuove l'acqua in eccesso trascinata e ripristina il margine di velocità di progetto.
Calcolo della velocità di progettazione
La velocità del vapore in ciascun tubo viene calcolata dividendo il flusso volumetrico di vapore per tubo per l'area della sezione trasversale del tubo. La portata massica totale del vapore è determinata dal carico termico: portata massica=carico termico / calore latente del vapore.
Per uno scambiatore di calore in PTFE da 50 kW con 40 tubi di diametro interno di 8 mm funzionante a 3 barg di vapore, il flusso di massa per tubo è di circa 0,75 kg/h. Il volume specifico del vapore saturo a 3 barg è 0,46 m³/kg. La portata volumetrica per tubo è di 0,35 m³/h. L'area della sezione trasversale-del tubo è 5,0 × 10⁻⁵ m². La velocità del vapore è di 1,9 m/s-ben entro i limiti di sicurezza.
Il calcolo della velocità deve essere eseguito durante la fase di progettazione e verificato che scenda al di sotto del massimo raccomandato. Per la maggior parte degli scambiatori di calore in PTFE con un numero adeguato di tubi, le velocità del vapore sono naturalmente basse a causa dei molteplici percorsi di flusso paralleli. L'alta velocità è più spesso un problema negli scambiatori di piccole dimensioni con pochi tubi o nei sistemi in cui la pressione di alimentazione del vapore è significativamente superiore alla pressione di progetto.
Riepilogo
La velocità massima consentita del vapore all'interno dei tubi degli scambiatori di calore in PTFE è 20-30 m/s, a seconda del diametro del tubo e della pressione del vapore, con 35-38 m/s che rappresentano il massimo assoluto al di sopra del quale è prevista l'erosione misurabile. Questi limiti presuppongono una frazione di secchezza del vapore pari al 98% o superiore. Le frazioni con un grado di secchezza inferiore richiedono una riduzione della velocità.
Per la maggior parte degli scambiatori multi-tubo in PTFE progettati correttamente, le velocità del vapore scendono naturalmente al di sotto di questi limiti a causa dell'elevato numero di percorsi di flusso paralleli. La verifica della velocità durante la progettazione garantisce che l'erosione non limiti la durata di servizio dell'apparecchiatura.
L'analisi ingegneristica per la verifica della velocità del vapore in specifici progetti di scambiatori di calore in PTFE è disponibile previa presentazione dei dati relativi al carico termico, alla pressione del vapore, al numero e alle dimensioni dei tubi e ai dati sulla qualità del vapore.
