La vibrazione che va e viene
Gli operatori segnalano che uno scambiatore di calore in PTFE in un serbatoio agitato placcato in nichel vibra visibilmente-ma solo quando l'agitatore funziona a determinate velocità. A 45 giri le valvole sono ferme. A 60 giri/min, nelle file dei tubi esterni si sviluppa un'oscillazione a bassa-frequenza. A 80 giri la vibrazione scompare nuovamente. La vibrazione è intermittente non perché sia casuale, ma perché dipende dalla velocità dell'agitatore che corrisponde a una condizione specifica per la formazione di vortici dalle pale della girante.
La vibrazione è più di una curiosità. Le vibrazioni indotte dal flusso-sottopongono i tubi in PTFE a sollecitazioni di flessione ciclica sulle piastre di supporto. Nel corso di migliaia di cicli, lo stress accumula danni da fatica. I tubi che vibrano ad ampiezza visibile potrebbero guastarsi prematuramente nei punti di contatto del supporto.
La diagnosi della fonte di vibrazione e della corrispondenza della sua frequenza con la frequenza naturale del tubo consente di trovare una soluzione mirata-cambiando leggermente la velocità dell'agitatore, modificando la girante o aggiungendo un deflettore di flusso-che elimina la risonanza senza sostanziali modifiche all'attrezzatura.
Il meccanismo di distacco dei vortici
La girante di un agitatore crea un campo di flusso con fluttuazioni periodiche di velocità. Quando ciascuna pala della girante supera un determinato punto, genera un impulso di pressione. La frequenza di questi impulsi è la frequenza di passaggio della lama-: BPF=(RPM / 60) × numero di pale. Una girante a 4-pale a 60 giri/min produce una frequenza di passaggio delle pale di 4 Hz.
Oltre alla frequenza di passaggio delle pale-, la girante emette vortici dalle punte delle pale. La frequenza di distacco del vortice è proporzionale alla velocità della punta della pala divisa per la larghezza della pala. Per un tipico agitatore, la frequenza di distacco dei vortici è compresa tra 5 e 20 Hz, a seconda del diametro e della velocità della girante.
Se la frequenza di passaggio della pala-o la frequenza di distacco del vortice corrisponde alla frequenza naturale di un tubo in PTFE nello scambiatore di calore adiacente, si verifica una risonanza. Il tubo oscilla alla sua frequenza naturale con un'ampiezza determinata dall'energia immessa dal flusso. L'oscillazione è più pronunciata nei tubi più vicini alla girante e diminuisce con la distanza.
| Parametro di vibrazione | Valore per l'esempio diagnostico |
|---|---|
| Tipo di agitatore | Turbina a pale inclinate a 4-pale |
| Diametro della girante | 0.8 m |
| Intervallo di velocità dell'agitatore | 40-120 giri al minuto |
| Intervallo di frequenza-passante della lama | 2,7-8,0 Hz |
| Gamma di frequenze di distacco dei vortici | 6-18 Hz |
| Frequenza naturale del tubo in PTFE (diametro esterno 10 mm, parete 1 mm, apertura 400 mm) | ~4,5 Hz |
| Condizione di risonanza | La frequenza di passaggio della lama- a ~68 RPM corrisponde a 4,5 Hz |
| Velocità di vibrazione osservata | 60-75 giri al minuto |
Il metodo di misurazione diagnostica
La procedura diagnostica misura la frequenza di vibrazione effettiva dei tubi in PTFE e la confronta con le frequenze di eccitazione calcolate dell'agitatore. Un accelerometro collegato a un tubo rappresentativo (con il serbatoio scaricato al livello di misurazione o utilizzando un accelerometro impermeabile) registra lo spettro delle vibrazioni durante il funzionamento dell'agitatore a varie velocità.
Lo spettro delle vibrazioni mostra un picco alla frequenza naturale del tubo se si verifica una risonanza. L'ampiezza del picco è massima alla velocità dell'agitatore che abbina la frequenza di eccitazione alla frequenza naturale. Un grafico a cascata-spettri di vibrazione impilati verticalmente per ciascuna velocità dell'agitatore-rivela la condizione di risonanza come un picco che sale e scende mentre la velocità passa attraverso l'intervallo critico.
Se la misurazione con l'accelerometro non è fattibile, un approccio più semplice utilizza uno stroboscopio. Lo stroboscopio viene puntato sui tubi vibranti e regolato fino a quando il movimento apparente si blocca. La frequenza del flash alla quale avviene il congelamento è uguale alla frequenza della vibrazione. Questo viene confrontato con le frequenze calcolate di passaggio della pala e di distacco del vortice per identificare la fonte di eccitazione.
Strategie di mitigazione
Una volta identificate la fonte di eccitazione e la condizione di risonanza, sono disponibili diverse opzioni di mitigazione. Cambiare la velocità dell'agitatore per evitare l'intervallo critico è la soluzione più semplice e spesso più pratica-passando da 68 RPM a 55 RPM o 80 RPM, ad esempio. Il processo deve tollerare la variazione dell'intensità di miscelazione.
L'aggiunta di un deflettore di flusso o di un deflettore tra la girante e lo scambiatore di calore interrompe la dispersione organizzata dei vortici prima che raggiungano i tubi. Una semplice piastra forata o una griglia a barra, posizionata a 150-300 mm dalla girante, interrompe la struttura del flusso periodico.
Modificando la spaziatura del supporto del tubo si cambia la frequenza naturale del tubo, allontanandolo dalla frequenza di eccitazione. Riducendo l'intervallo da 400 mm a 300 mm si aumenta la frequenza naturale di circa il 75%, ben al di sopra della gamma di frequenza di passaggio della pala.
Riepilogo
La vibrazione intermittente del tubo in uno scambiatore di calore in PTFE vicino a un agitatore è causata dalla perdita di vortici o dalla frequenza di passaggio delle pale-che corrisponde alla frequenza naturale del tubo. La diagnosi utilizza la misurazione con accelerometro o l'osservazione con lo stroboscopio per confermare la condizione di risonanza e identificare la velocità critica dell'agitatore. Le opzioni di mitigazione includono la regolazione della velocità, l'installazione di un deflettore di flusso o la riduzione della spaziatura dei supporti. Affrontare le vibrazioni previene-danni da fatica a lungo termine ai tubi in PTFE.
Il supporto tecnico per la diagnosi e l'attenuazione delle vibrazioni in specifiche installazioni di scambiatori di calore in PTFE è disponibile previa presentazione delle specifiche dell'agitatore, della geometria della girante, delle dimensioni dei tubi e della spaziatura dei supporti e degli intervalli di velocità di vibrazione osservati.
