Il gradiente termico che si sviluppa durante l'avvio
Un impianto di trattamento chimico avvia uno scambiatore di calore in PTFE aprendo la valvola del vapore e consentendo al vapore di fluire nell'involucro. Il vapore entra a 120 gradi, mentre lo scambiatore di calore ed il fluido di processo sono a 25 gradi. La differenza di temperatura all'ingresso del vapore è di 95 gradi.
Il vapore riscalda prima il guscio e la piastra tubiera all'estremità di ingresso. La piastra tubiera si espande man mano che si riscalda, ma i tubi e la piastra tubiera all'estremità di uscita sono ancora freddi. L'espansione differenziale tra l'estremità calda di ingresso e l'estremità fredda di uscita crea un momento flettente nel fascio tubiero e una sollecitazione di taglio sui giunti tra tubo-e-piastra tubiera.
Il gradiente termico si sviluppa anche attraverso lo spessore della parete del tubo. Il lato vapore della parete del tubo si riscalda più velocemente del lato processo e la differenza di temperatura attraverso la parete crea uno stress termico. Per un tubo in PTFE con parete di 0,8 mm e diffusività termica di 0,1 mm²/s, il tempo necessario affinché la parete raggiunga l'equilibrio termico è di circa 6 secondi. Un avvio rapido che modifica la temperatura del vapore più velocemente di questo tempo di equilibrio crea un gradiente di temperatura attraverso la parete che aumenta lo stress termico.
Perché la velocità di rampa è importante
La velocità di rampa determina l'entità dei gradienti termici e lo stress risultante. Una rampa lenta consente alla temperatura di stabilizzarsi nel fascio tubiero e nella parete del tubo, riducendo così i gradienti e lo stress. Una rampa veloce crea grandi pendenze e stress elevato.
Lo stress derivante da una rampa veloce può superare il limite di snervamento del PTFE, in particolare nei giunti tra tubo-a-piastra tubiera dove la concentrazione di stress è massima. Lo stress può anche superare il limite di fatica del PTFE, il che significa che ripetuti avviamenti con una rampa veloce possono causare danni cumulativi ed eventuali guasti.
L'effetto della velocità di rampa è particolarmente importante per il PTFE perché il materiale ha una bassa conduttività termica e un elevato coefficiente di dilatazione termica. La bassa conduttività significa che la temperatura si equalizza lentamente, mentre l'alto coefficiente di espansione significa che una data differenza di temperatura produce una grande espansione. La combinazione rende il PTFE più sensibile allo shock termico rispetto ai materiali metallici per scambiatori di calore.
La velocità di rampa che protegge i tubi
La velocità di rampa sicura dipende dall'intervallo di temperatura dell'avvio e dalla struttura dello scambiatore di calore. Per un tipico scambiatore di calore in PTFE con parete da 0,8 mm e piastra tubiera fissa, la velocità di rampa sicura è di circa 1–2 gradi al minuto per un avvio da temperatura ambiente a 120 gradi. Per uno scambiatore di calore con piastra tubiera flottante, la velocità di rampa sicura può essere più elevata, circa 2–3 gradi al minuto, poiché la piastra tubiera flottante consente l'espansione differenziale.
La velocità di rampa deve essere controllata dalla velocità di apertura della valvola del vapore. Una valvola ad apertura lenta-o un dispositivo di bypass per il riscaldamento-consente al flusso di vapore di aumentare gradualmente, limitando la velocità di aumento della temperatura. Una valvola ad apertura rapida-provoca un rapido aumento della temperatura e un elevato gradiente termico.
La velocità di incremento dovrebbe essere controllata anche durante il periodo di raffreddamento-. Un rapido raffreddamento-, come quando la valvola del vapore viene chiusa improvvisamente o quando viene introdotta acqua fredda, crea gli stessi gradienti termici al contrario. La velocità di raffreddamento-di sicurezza è in genere uguale alla velocità di riscaldamento-di sicurezza.
L'effetto dello spessore della parete del tubo
Lo spessore della parete del tubo influisce sul gradiente termico attraverso la parete durante l'avvio. Una parete più sottile ha una resistenza termica inferiore e un gradiente di temperatura minore per una determinata velocità di rampa. Una parete più spessa ha una maggiore resistenza termica e un gradiente di temperatura maggiore.
Per una parete da 0,5 mm, il gradiente termico con una velocità di rampa di 2 gradi al minuto è di circa 15 gradi. Per una parete da 1,0 mm, la pendenza è di circa 30 gradi. La parete più spessa presenta uno stress termico maggiore e una velocità di rampa sicura inferiore.
L'effetto dello spessore della parete sulla velocità di rampa sicura è significativo. Uno scambiatore di calore con parete da 0,5 mm può tollerare una velocità di rampa pari a circa il doppio della velocità di rampa di uno scambiatore di calore con parete da 1,0 mm.
L'effetto della progettazione della piastra tubiera
Il design della piastra tubiera influisce sulla sollecitazione sui giunti tra tubo-e-durante l'avvio. Una piastra tubiera fissa vincola l'espansione assiale dei tubi, il che crea una sollecitazione di compressione nei tubi e una sollecitazione di flessione nella piastra tubiera. Una piastra tubiera flottante consente ai tubi di espandersi liberamente, riducendo lo stress.
Per una piastra tubiera fissa, la velocità di rampa sicura è di circa 1–2 gradi al minuto. Per una piastra tubiera flottante, la velocità di rampa sicura è di circa 2–3 gradi al minuto. La piastra tubiera flottante è la soluzione preferita per servizi con avviamenti frequenti.
Confronto delle velocità di rampa per diverse configurazioni
La tabella seguente riassume la velocità di rampa sicura e il ciclo di vita previsto per diverse configurazioni di scambiatori di calore in PTFE in servizio con un avvio da 25 gradi a 120 gradi.
| Configurazione | Spessore della parete del tubo | Progettazione della piastra tubiera | Velocità di rampa sicura | Gradiente termico a velocità sicura | Ciclo di vita previsto |
|---|---|---|---|---|---|
| Piastra tubiera fissa standard | 0,8 mm | Fisso | 1,0 gradi/min | 20 gradi | 500–800 cicli |
| Piastra tubiera fissa standard | 0,5 mm | Fisso | 1,5 gradi/min | 15 gradi | 800–1.200 cicli |
| Piastra tubiera galleggiante | 0,8 mm | Galleggiante | 2,0 gradi/min | 20 gradi | 1.500–2.500 cicli |
| Piastra tubiera galleggiante | 0,5 mm | Galleggiante | 3,0 gradi/min | 15 gradi | 2.500–4.000 cicli |
| Piastra tubiera galleggiante con giunto di dilatazione | 0,8 mm | Galleggiante | 3,0 gradi/min | 20 gradi | 2.000–3.500 cicli |
| Piastra tubiera galleggiante con valvola-ad apertura lenta | 0,8 mm | Galleggiante | 2,0 gradi/min | 20 gradi | 2.000–3.000 cicli |
I valori di durata del ciclo previsti presuppongono un avvio dalla temperatura ambiente a quella operativa una volta al giorno e un raffreddamento-alla temperatura ambiente una volta al giorno. La durata del ciclo è più lunga per velocità di rampa più lente e per i modelli con piastre tubiere flottanti.
Caratteristiche di progettazione che aumentano la velocità di rampa sicura
Numerose caratteristiche di progettazione aumentano la velocità di rampa sicura e riducono il rischio di shock termico.
Piastra tubiera galleggiante.Una piastra tubiera flottante consente ai tubi di espandersi liberamente, riducendo la sollecitazione sui giunti tra tubo-e-piastra tubiera.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce il gradiente termico e lo stress termico.
Giunti di dilatazione nel guscio.Un giunto di dilatazione a soffietto nel guscio consente al guscio di espandersi indipendentemente dai tubi, riducendo così lo stress di dilatazione differenziale.
Valvola del vapore-ad apertura lenta.Una valvola ad apertura lenta-limita la velocità di aumento del flusso di vapore e la velocità di aumento della temperatura.
Bypass per il riscaldamento-.Una disposizione di bypass consente a un piccolo flusso di vapore di riscaldare gradualmente lo scambiatore di calore prima dell'apertura della valvola principale del vapore.
Monitoraggio della temperatura.I sensori di temperatura all'ingresso e all'uscita dello scambiatore di calore consentono di monitorare e controllare la velocità di rampa.
Pratiche operative che proteggono i tubi
Oltre alle caratteristiche progettuali, le pratiche operative possono proteggere i tubi dallo shock termico.
Procedura di avvio controllato.Una procedura di avvio scritta che specifica la velocità di rampa e la sequenza di apertura della valvola garantisce che gli operatori seguano la pratica di avvio sicuro.
Apertura graduale della valvola vapore.L'apertura graduale della valvola del vapore nell'arco di 15-30 minuti consente alla temperatura di aumentare a una velocità controllata.
Bypass di riscaldamento-.L'utilizzo di un bypass di riscaldamento-per introdurre un piccolo flusso di vapore prima dell'apertura della valvola principale riduce la differenza di temperatura iniziale.
Controllo del raffreddamento-.Consentendo allo scambiatore di calore di raffreddarsi gradualmente dopo lo spegnimento, anziché chiudere improvvisamente la valvola del vapore o introdurre acqua fredda, si riduce il gradiente termico.
Conteggio dei cicli termici.Il monitoraggio del numero di avviamenti e della velocità di rampa fornisce una base per prevedere la durata di servizio e programmare la manutenzione.
Parametri di specifica per la protezione da shock termico
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per servizi con avviamenti frequenti devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Frequenza di avvio.Specificare il numero previsto di avviamenti al giorno o all'anno.
Intervallo di temperatura.Specificare l'intervallo di temperature di avvio e raffreddamento-.
Tasso di rampa.Specificare la velocità di rampa richiesta in base allo spessore della parete del tubo e al design della piastra tubiera.
Spessore della parete del tubo.Specificare lo spessore della parete del tubo. Una parete più sottile consente una velocità di rampa più elevata.
Progettazione della piastra tubiera.Specificare una piastra tubiera flottante per interventi con avviamenti frequenti.
Giunti di dilatazione.Specificare se nel guscio sono previsti giunti di dilatazione.
Tipo di valvola del vapore.Specificare una valvola ad apertura lenta-o una disposizione di bypass per il riscaldamento-.
Monitoraggio della temperatura.Specificare i sensori di temperatura e il metodo di monitoraggio per monitorare la velocità di rampa.
Adattamento della velocità di rampa al progetto dello scambiatore di calore
La velocità di rampa di avvio determina i gradienti termici e lo stress in uno scambiatore di calore in PTFE durante l'avvio. Una rampa lenta consente alla temperatura di stabilizzarsi e riduce lo stress. Una rampa veloce crea grandi gradienti e sollecitazioni elevate che possono superare la resistenza del PTFE e causare guasti prematuri.
La velocità di rampa sicura dipende dallo spessore della parete del tubo e dal design della piastra tubiera. Per una piastra tubiera fissa standard con parete da 0,8 mm, la velocità di rampa sicura è di circa 1–2 gradi al minuto. Per una piastra tubiera flottante con parete da 0,5 mm, la velocità di rampa sicura può essere di 3 gradi al minuto o superiore.
Per le strutture che valutano le opzioni di scambiatori di calore in PTFE per servizi con avviamenti frequenti, la velocità di rampa deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore potrebbe non includere le caratteristiche di progettazione che consentono una velocità di rampa più elevata e lo shock termico risultante potrebbe causare guasti prematuri.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per il servizio con avviamenti frequenti o cicli termici elevati possono richiedere una revisione del progetto che comprenda la frequenza di avvio, l'intervallo di temperatura, la velocità di rampa, lo spessore della parete del tubo, il design della piastra tubiera e i giunti di dilatazione per confermare che l'unità sia adatta al ciclo operativo effettivo e ai requisiti di shock termico della struttura.
