La connessione del collettore rotta
Uno scambiatore di calore in PTFE appena installato funziona per tre mesi senza incidenti. Quindi una connessione del collettore inizia a perdere. La manutenzione stringe il raccordo di compressione. La perdita si interrompe temporaneamente. Alcune settimane dopo, nel tubo di PTFE in corrispondenza della superficie di raccordo appare una sottile incrinatura. La bobina deve essere rimossa per la riparazione.
L'analisi dei guasti non rileva alcun degrado chimico. Nessun evento di sovra-pressione. Nessun impatto meccanico. La fessura è iniziata a causa dello stress da espansione termica-il tubo era costretto a muoversi mentre si riscaldava e si raffreddava durante i cicli operativi giornalieri. Lo stress si è concentrato sulla connessione rigida del collettore finché il materiale non si è affaticato.
Questa modalità di errore è completamente prevenibile attraverso corrette pratiche di installazione. Non deriva da una carenza di materiale ma da un'incomprensione del comportamento del PTFE in condizioni di ciclo termico.
Il problema della restrizione rigida
Il PTFE si espande di circa 0,12 mm per metro per grado Celsius. Un tubo di 1,5 metri riscaldato da 20 gradi a 140 gradi cresce di oltre 21 mm. Se il tubo è fissato rigidamente ad entrambe le estremità senza alcuna disposizione per questo movimento, l'espansione si converte in sollecitazione di compressione. L'entità dello stress si avvicina alla resistenza allo snervamento a compressione del materiale a temperatura elevata.
Lo stress più elevato si concentra nel punto di massimo vincolo: la connessione molteplice. Qui il tubo entra in un raccordo rigido fissato ad un collettore fisso. Se la sezione del tubo adiacente non può espandersi liberamente, si sviluppa una sollecitazione di flessione sulla superficie del raccordo. Cicli termici ripetuti producono fessurazioni per fatica a questa concentrazione di stress.
L'errore non sta nell'utilizzare i raccordi sbagliati. Si tratta di organizzare il percorso dei tubi e il sistema di supporto in modo tale da impedire il libero movimento termico. Ogni vincolo rigido tra la connessione del collettore e il primo punto di espansione libera è un potenziale punto di rottura.
Tabella 1: Errori comuni e correzioni di installazione relativi alla dilatazione termica
| Errore di installazione | Conseguenza dello stress | Indicatore visivo | Metodo di installazione corretto |
|---|---|---|---|
| Tubo diritto tra due collettori fissi, senza anello di espansione | Deformazione assiale o frattura dell'adattamento | Incurvamento del tubo tra i collettori; faccia adatta incrinata | Incorpora anello di espansione o sezione flessibile |
| Primo morsetto di supporto troppo vicino al collettore | Flessione del cantilever in fase di raccordo | Crepa sul dado del raccordo o sulla superficie del tubo | Primo supporto al 50% della spaziatura normale dall'intestazione |
| Morsetto rigido che afferra saldamente il tubo | Espansione assiale vincolata; flessione locale | Deformazione del tubo sul bordo del morsetto | Guida asolata con gioco di 0,5 mm per lo scorrimento |
| Curve multiple di tubi in tratti corti senza supporto intermedio | Sollecitazione di flessione composta | Crepe nel raggio interno delle curve | Supporto tra le curve; raggi di curvatura generosi |
| Collettore fissato rigidamente mentre i tubi sono liberi | Sollecitazione di movimento differenziale sui giunti della testata | Perdita su più connessioni contemporaneamente | Lasciare galleggiare il collettore o garantire un fissaggio uniforme del tubo |
La prima regola della distanza di supporto
La distanza dal collegamento del collettore al primo supporto del tubo è la dimensione più critica nell'installazione dello scambiatore di calore in PTFE. Questa distanza deve essere sufficientemente breve da evitare un'eccessiva sollecitazione di flessione dovuta al peso proprio-, ma sufficientemente lunga da consentire al tubo di espandersi e contrarsi liberamente senza imporre un'elevata sollecitazione di flessione al raccordo.
La regola standard: la prima distanza del supporto dovrebbe essere la metà della normale spaziatura del supporto utilizzata per il resto del percorso del tubo. Per uno scambiatore di calore orizzontale in PTFE funzionante a 120 gradi con un tubo con diametro esterno di 10 mm, la spaziatura normale del supporto è 300 mm. Il primo supporto dovrebbe trovarsi a 150 mm dalla faccia del collettore.
Questa spaziatura ridotta limita il momento flettente del cantilever in corrispondenza del raccordo fornendo allo stesso tempo un'adeguata lunghezza libera per il movimento termico. Il tubo tra il collettore e il primo supporto può piegarsi leggermente sotto compressione, assorbendo l'espansione senza-stressare eccessivamente la connessione.
Integrazione del loop di espansione
Per tratti di tubo più lunghi di 1 metro tra punti fissi, è obbligatorio un circuito di espansione. L'anello è una curva a forma di U-nel percorso del tubo che si flette per assorbire le variazioni termiche della lunghezza. Le dimensioni del circuito dipendono dall'espansione prevista, dal diametro del tubo e dalla sollecitazione di flessione ammissibile.
Un circuito di espansione adeguatamente progettato converte l'espansione assiale in deflessione alla flessione che rimane entro il limite elastico del materiale. Il circuito dovrebbe trovarsi nel punto medio del percorso del tubo. I supporti su entrambi i lati del circuito devono consentire il libero movimento nella direzione di espansione limitando al tempo stesso il movimento laterale.
Per le installazioni compatte in cui non è possibile inserire circuiti di espansione completi, le configurazioni a spirale o a spirale forniscono capacità di espansione intrinseca. Il tubo a spirale agisce come una molla, assorbendo le variazioni di lunghezza attraverso lievi variazioni del diametro della bobina.
Riepilogo
Lo stress da dilatazione termica sulle connessioni del collettore dello scambiatore di calore in PTFE è il risultato di errori di installazione che limitano il libero movimento del tubo. Fissaggi rigidi, posizionamento errato del supporto e assenza di anelli di espansione concentrano le sollecitazioni sulla faccia di connessione, provocando fessurazioni per fatica.
Una corretta installazione fornisce libertà controllata per il movimento termico. Il primo supporto è posto a metà della distanza normale dal collettore. I circuiti di espansione assorbono le variazioni di lunghezza nelle corse più lunghe. I supporti guida scanalati consentono lo scorrimento assiale impedendo lo spostamento laterale.
Le linee guida per l'installazione e la revisione tecnica per configurazioni specifiche dello scambiatore di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione dei disegni di instradamento dei tubi, dell'intervallo di temperature di esercizio, delle dimensioni dei tubi e dei dettagli di connessione del collettore.
