L'inspiegabile affaticamento del tubo
Uno scambiatore di calore in PTFE in un circuito di ricircolo con pompa sviluppa perdite nelle connessioni del tubo-al-collettore dopo 18 mesi di servizio. La chimica è benigna. La temperatura è moderata. La pressione rientra nei limiti di progettazione. Eppure i tubi mostrano segni di fessurazione da fatica nei punti di supporto e nei giunti della testata.
La causa principale sono le vibrazioni. I tubi in PTFE sono flessibili e leggeri. Questa flessibilità è un vantaggio per l'adattamento all'espansione termica e la resistenza agli urti. Ma rende anche i tubi suscettibili alle vibrazioni-indotte dal flusso. Quando il fluido scorre attraverso un fascio tubiero a determinate velocità, genera forze oscillanti che eccitano il movimento del tubo. Nel corso di milioni di cicli, questa vibrazione produce danni da fatica nei punti di concentrazione delle sollecitazioni.
Il meccanismo delle vibrazioni indotte dal flusso-
Due meccanismi primari eccitano le vibrazioni nei fasci tubieri dello scambiatore di calore. La perdita di vortici si verifica quando il fluido scorre oltre un tubo, creando vortici alternati nella scia. Questi vortici si staccano con una frequenza proporzionale alla velocità del flusso divisa per il diametro del tubo. Quando la frequenza di distacco si avvicina alla frequenza naturale del tubo, si verifica la risonanza. Il tubo vibra con grande ampiezza.
L'eccitazione della turbolenza è una forzante casuale derivante dalle fluttuazioni caotiche di pressione nel flusso turbolento. Non produce il picco di risonanza acuto della perdita di vortici, ma genera vibrazioni ad ampio-spettro che accumulano danni da fatica nel tempo. L'eccitazione della turbolenza domina nei fasci tubieri ravvicinati dove la perdita di vortici è soppressa dai tubi adiacenti.
La frequenza naturale del tubo dipende dal diametro, dallo spessore della parete, dal modulo del materiale, dalla lunghezza della campata non supportata e dalla massa del fluido all'interno e all'esterno del tubo. I tubi in PTFE hanno frequenze naturali inferiori rispetto ai tubi metallici equivalenti a causa del modulo elastico inferiore. Ciò li avvicina alla gamma di frequenza dell'eccitazione indotta dal flusso comune-.
Tabella 1: Valutazione del rischio di vibrazioni in base alle condizioni del flusso e alla spaziatura del supporto del tubo (tubo in PTFE con diametro esterno di 10 mm)
| Velocità del flusso incrociato (m/s) | Distanza di supporto 300 mm | Distanza di supporto 400 mm | Distanza di supporto 500 mm | Mitigazione necessaria |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | Basso rischio | Basso rischio | Rischio moderato | Da nessuno a minimo |
| 0.5 | Basso rischio | Rischio moderato | Alto rischio | Si consiglia il raddrizzatore di flusso |
| 0.8 | Rischio moderato | Alto rischio | Rischio molto alto | Condizionamento del flusso + spaziatura ridotta |
| 1.2 | Alto rischio | Rischio molto alto | Rischio critico | Necessaria una riprogettazione |
| 1.5 | Rischio molto alto | Critico | Critico | Non consigliato senza un'ampia mitigazione |
Livelli di rischio basati sulla frequenza di distacco dei vortici rispetto alla frequenza naturale calcolata del tubo per PTFE con parete da 1,0 mm, densità del fluido 1.100 kg/m³. Il rischio effettivo dipende dalla geometria specifica e dalla distribuzione del flusso.
Soluzioni per il condizionamento del flusso in ingresso
La mitigazione delle vibrazioni più efficace consiste nel prevenire i disturbi del flusso alla fonte. Il flusso che entra in un fascio tubiero deve essere distribuito uniformemente e privo di-turbolenze su larga scala. Un plenum di ingresso o un collettore di distribuzione che espande il flusso in entrata riduce dolcemente le velocità locali e rompe i vortici di grandi dimensioni prima che raggiungano i tubi.
Piastre di distribuzione forate poste tra l'ugello di aspirazione e il fascio tubiero uniformano il profilo di velocità. La piastra crea una caduta di pressione uniforme che distribuisce il flusso attraverso la sezione trasversale- del fascio. Per essere efficace, la caduta di pressione attraverso la piastra dovrebbe essere almeno 1,5 volte la pressione dinamica del flusso in entrata.
Le alette raddrizzatrici all'interno dell'ugello di ingresso o delle tubazioni riducono i vortici e le turbolenze su larga scala-provenienti dai componenti delle tubazioni a monte. Il flusso di scarico della pompa è particolarmente problematico-la girante impartisce sia vortici che pulsazioni periodiche alla frequenza di passaggio della pala. Un raddrizzatore di flusso installato a 5-10 diametri di tubo a monte dell'ingresso dello scambiatore di calore rompe queste strutture.
Supporta modifiche per installazioni esistenti
Quando il solo condizionamento del flusso è insufficiente, supporti aggiuntivi del tubo riducono l'intervallo non supportato e aumentano la frequenza naturale al di sopra dell'intervallo di eccitazione. Le piastre di supporto intermedie aggiunte tra i supporti esistenti dimezzano la lunghezza della campata e possono aumentare la frequenza naturale di un fattore quattro.
Lo smorzamento può essere aumentato modificando il design del supporto. I supporti a-spazio stretto che consentono lo scorrimento termico ma impediscono il movimento laterale convertono il tubo-per-supportare gli impatti in dissipazione di energia. Il tubo può ancora espandersi assialmente ma non può sviluppare grandi ampiezze di vibrazione.
Per le nuove installazioni, l'analisi delle vibrazioni dovrebbe far parte del processo di progettazione. Le condizioni di flusso previste determinano la portata massima consentita non supportata. Questa campata imposta la spaziatura della piastra di supporto. La progettazione per la prevenzione delle vibrazioni costa meno dell'aggiornamento dopo che si sono verificati danni da fatica.
Riepilogo
I danni dovuti alle vibrazioni del tubo dello scambiatore di calore in PTFE derivano da meccanismi di eccitazione indotti dal flusso-, tra cui la perdita di vortici e le turbolenze. I tubi flessibili e leggeri hanno frequenze naturali che possono coincidere con le frequenze di eccitazione alle tipiche velocità del flusso di processo.
La mitigazione inizia con il condizionamento del flusso in ingresso-piastre di distribuzione e alette raddrizzatrici che garantiscono un flusso uniforme e a bassa-turbolenza in entrata nel fascio. Supporti aggiuntivi per i tubi riducono la portata non supportata e aumentano la frequenza naturale. Per i nuovi progetti, l'analisi delle vibrazioni durante la fase di progettazione evita costose modifiche sul campo.
L'analisi tecnica per la valutazione e la mitigazione del rischio di vibrazione dello scambiatore di calore in PTFE è disponibile previa presentazione delle dimensioni del tubo, della spaziatura del supporto, della velocità del flusso, delle proprietà del fluido e di eventuali sintomi di vibrazione osservati o cronologia dei guasti.
