La questione della valutazione della pressione
Un sistema di placcatura in rame acido a ricircolo pompa l'elettrolito attraverso uno scambiatore di calore a tubo e involucro esterno in PTFE-e-a una pressione del sistema di 3 bar. La pompa può funzionare a vuoto a 5,5 bar. Il lato vapore funziona a 4 barg. La domanda dell'ingegnere di processo: qual è la massima pressione di esercizio sicura per i tubi in PTFE e questo sistema rientra nei limiti?
I valori di pressione per i tubi in PTFE non sono numeri singoli. Dipendono dalla temperatura, dallo spessore delle pareti, dal diametro del tubo e dal fatto che la pressione sia costante o ciclica. Una classificazione valida a 25 gradi non è valida a 80 gradi. Una classificazione per la pressione statica potrebbe non essere applicabile al flusso pulsante proveniente da una pompa volumetrica.
Pressione di scoppio e pressione di esercizio
I produttori pubblicano i dati sulla pressione di scoppio per i tubi in PTFE a temperatura ambiente. La pressione di scoppio è la pressione interna che causa un guasto catastrofico immediato. La pressione di esercizio è una frazione della pressione di scoppio e incorpora fattori di sicurezza per la riduzione della temperatura, la fatica ciclica e lo scorrimento viscoso a lungo termine.
Per tubi in PTFE con diametro esterno di 8 mm x parete di 1 mm a 25 gradi, la pressione di scoppio tipica è 40-50 bar. La pressione di esercizio consigliata con fattore di sicurezza standard 3:1 è di 13-16 bar a temperatura ambiente. Questo sembra sufficiente per un sistema a 3 bar.
La temperatura cambia il quadro. A 80 gradi, la resistenza alla trazione del PTFE diminuisce a circa il 60% del valore della temperatura ambiente. La pressione di scoppio scende proporzionalmente a 24-30 bar. La pressione di esercizio con fattore di sicurezza 3:1 diventa 8-10 bar.
A 120 gradi, la resistenza alla trazione è circa il 40% di quella ambientale. La pressione di scoppio scende a 16-20 bar. La pressione di esercizio diventa 5-7 bar. Un sistema a vapore da 4 barg a 143 gradi si avvicina a questo limite.
Tabella 1: Valori nominali di pressione del tubo in PTFE rispetto alla temperatura (diametro esterno 8 mm x parete 1 mm)
| Temperatura operativa (gradi) | ca. Pressione di scoppio (bar) | Pressione di esercizio consigliata (bar, 3:1 SF) | Pressione del vapore adatta (barg) |
|---|---|---|---|
| 25 | 45 | 15 | Fino a 10 |
| 60 | 34 | 11 | Fino a 6 |
| 80 | 27 | 9 | Fino a 5 |
| 100 | 22 | 7 | Fino a 4 |
| 120 | 18 | 6 | Fino a 3 |
| 140 | 15 | 5 | Fino a 2 |
Valori per tubi in PTFE vergine. Le valutazioni effettive dipendono dal grado specifico della resina e dalla qualità di produzione. Fattori di declassamento basati sulle proprietà meccaniche del PTFE pubblicate rispetto alle curve di temperatura.
Considerazioni sulla pressione ciclica
I sistemi di ricircolo con pompe volumetriche generano pulsazioni di pressione. Ogni pulsazione è un ciclo di fatica in miniatura. Il PTFE ha un'eccellente resistenza alla fatica da flessione, ma la pressione interna pulsante crea cicli di sollecitazione del telaio che differiscono dalla fatica da flessione.
Per i sistemi con pulsazioni di pressione significative, è prudente un fattore di sicurezza aggiuntivo di 1,5-2,0 sulla pressione di esercizio. Un sistema a 3 bar con pulsazione di ±1 bar deve essere valutato rispetto al declassamento per fatica, non solo ai limiti di pressione statica.
Anche le bobine flessibili in PTFE nel circuito di ricircolo subiscono la pressione esterna del fluido pompato. La parete del tubo vede una pressione differenziale tra interno ed esterno. Durante l'avvio e l'arresto della pompa, i transitori di pressione possono superare brevemente i valori di stato stazionario. La pressione di esercizio massima consigliata dovrebbe adattarsi a questi transitori senza avvicinarsi al limite di fatica.
Limiti di pressione di progettazione del sistema
Il sistema di ricircolo di rame acido descritto-3 bar di funzionamento, 5,5 bar di scarico, 4 bar di vapore richiede il controllo di entrambi i lati della parete del tubo in PTFE.
Sul lato del processo, la pressione massima è di 5,5 bar al punto morto della pompa. Il tubo in PTFE a una temperatura di processo di 80 gradi (il rame acido funziona normalmente a 25-35 gradi, ma il riscaldamento localizzato vicino all'ingresso del vapore può raggiungere livelli più elevati) ha una pressione di esercizio nominale di 9 bar. Il massimo di 5,5 bar rientra nei limiti.
Sul lato vapore, 4 barg a una temperatura di saturazione di 152 gradi spingono la temperatura della parete del tubo in PTFE vicino a 140 gradi. La pressione nominale di esercizio a questa temperatura è di circa 5 bar. La pressione del vapore di 4 bar è entro i limiti ma con un margine di sicurezza ridotto.
La raccomandazione conservativa: ridurre la pressione del vapore a 3 barg dove il margine di pressione di esercizio è più confortevole, oppure specificare un tubo con parete da 1,2 mm per una maggiore pressione nominale a temperature elevate.
Riepilogo
La pressione di esercizio massima consigliata per gli scambiatori di calore flessibili in PTFE dipende dalla temperatura, dallo spessore delle pareti e dal fatto che la pressione sia costante o ciclica. I valori della temperatura ambiente sono fuorvianti per il servizio riscaldato. A 120-140 gradi, la pressione di esercizio scende a 5-6 bar per tubi con parete da 1 mm.
I sistemi a ricircolo di rame acido funzionano generalmente entro i limiti di pressione del PTFE, ma la selezione della pressione del vapore deve tenere conto del declassamento della temperatura. Il flusso pulsante proveniente dalle pompe volumetriche garantisce un ulteriore margine di sicurezza.
L'analisi ingegneristica per la valutazione della pressione dello scambiatore di calore in PTFE in condizioni specifiche del sistema è disponibile previa presentazione delle temperature di esercizio, delle pressioni del fluido di processo e di riscaldamento, del tipo di pompa, delle specifiche del tubo e di eventuali dati transitori di pressione.
