La perdita di bypass non è una perdita verso l'ambiente esterno, ma un fluido lato -involucro- del collegamento interno che scorre attorno al fascio tubiero invece che attraverso di esso. Questo bypass interno spreca la superficie di scambio termico e riduce l'efficacia dello scambiatore, pur rimanendo invisibile dall'esterno. Comprendere i percorsi e le cause diperdite di bypass dello scambiatore di calore in PTFEproblemi è essenziale per diagnosticare la perdita di prestazioni e pianificare riparazioni efficaci. Questa guida descrive i percorsi comuni delle perdite, le relative cause e le azioni correttive che ripristinano le prestazioni termiche.
Che cos'è la dispersione del bypass e perché è importante?
In uno scambiatore di calore a fascio tubiero--, il fluido lato mantello- è destinato a fluire attraverso il fascio tubiero, guidato da deflettori. Le perdite di bypass si verificano quando una parte del fluido evita il contatto con i tubi seguendo un percorso più breve e con una resistenza inferiore-. Il fluido esce dallo scambiatore con una variazione di temperatura minima o nulla, riducendo la velocità di trasferimento del calore complessiva.
Per gli scambiatori di calore in PTFE, che hanno già una conduttività termica inferiore rispetto alle unità metalliche, le perdite di bypass sono particolarmente dannose. Un flusso di bypass del 20% può ridurre il coefficiente di scambio termico effettivo del 25–35% poiché il fluido bypassato non partecipa allo scambio di calore. Il problema è interno e non può essere rilevato mediante un'ispezione visiva esterna o un test della pressione-solo attraverso il monitoraggio delle prestazioni termiche o un esame interno.
Percorsi di dispersione del bypass primario negli scambiatori di calore in PTFE
Tre percorsi distinti consentono al fluido lato guscio-di bypassare il fascio tubiero.
1. Spazio dal fascio-al-shell (bypass anulare)
C'è sempre uno spazio tra i tubi più esterni e la parete interna del guscio. Tale spazio anulare è necessario per consentire l'inserimento e la rimozione del fascio tubiero. In uno scambiatore ben-progettato, in questo spazio vengono installati nastri di tenuta (chiamati anche guarnizioni di bypass) o tubi fittizi per bloccare il flusso. Le strisce di tenuta sono generalmente barre metalliche piatte o strisce riempite di PTFE- fissate ai deflettori, che si estendono verso l'esterno per entrare in contatto con la parete del guscio.
Quando le strisce di tenuta sono mancanti, usurate o rotte, il fluido sul lato del guscio- scorre liberamente attraverso lo spazio anulare senza attraversare il fascio tubiero. Questo è il percorso di bypass più significativo.
2. Spazio tra il deflettore-e-l'involucro
I deflettori non si adattano perfettamente all'interno del guscio. Esiste un piccolo gioco (tipicamente 1–3 mm) per consentire il montaggio e l'espansione termica. Il fluido può fuoriuscire attorno ai bordi di ciascun deflettore, in particolare nella parte superiore e inferiore dove si trova il taglio del deflettore. Negli scambiatori nuovi questa perdita è minima (2–5% della portata totale). Tuttavia, se i deflettori vengono danneggiati-piegati, corrosi o erosi-il gioco aumenta e il flusso di bypass aumenta in modo significativo.
I danni ai deflettori dello scambiatore di calore in PTFE possono derivare da un colpo d'ariete (colpo di vapore), da corpi estranei trasportati nel fluido lato mantello- o dalla corrosione dei componenti metallici del deflettore (i tubi in PTFE non si corrodono, ma i deflettori metallici e le piastre di supporto sì).
3. Distanza dal tubo-al-deflettore
Ciascun tubo in PTFE passa attraverso un foro in ciascun deflettore. È necessario uno spazio di 0,2–0,5 mm per consentire al tubo flessibile in PTFE di muoversi e per evitare che si inceppi durante l'espansione termica. Il fluido può fuoriuscire attraverso questi piccoli spazi anulari. Nella maggior parte dei progetti, la perdita dal tubo-al-deflettore rappresenta un contributo relativamente piccolo (tipicamente<5% of total bypass) because the pressure drop across each baffle drives flow through the many tube holes, but the cumulative effect can be noticeable in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.
Cause delle perdite di bypass negli scambiatori di calore in PTFE
L'ispezione interna spesso rivela una o più delle seguenti condizioni:
Strisce di tenuta mancanti o usurate
Le strisce di tenuta sono fissate ai deflettori tramite viti, clip o saldatura. Con il passare del tempo, le viti possono allentarsi, i fermagli possono rompersi o le strisce stesse possono corrodersi o erodersi. In alcuni gruppi riparati sul campo-, le strisce di tenuta potrebbero non essere state reinstallate dopo il ritubamento. Una constatazione comune è che le strisce di tenuta sono presenti solo su pochi deflettori o sono completamente assenti.
Deflettori danneggiati
I deflettori possono essere danneggiati da:
Martello a vapore– Onde d'urto ripetute possono piegare o incrinare i deflettori metallici, soprattutto vicino ai fori dei tubi.
Corrosione– I deflettori in acciaio in servizio corrosivo (anche con tubi in PTFE) possono assottigliarsi e perdere la forma.
Impatto meccanico– Durante l'inserimento o la rimozione del fascio, i deflettori potrebbero piegarsi se non correttamente allineati.
Un deflettore piegato non si adatta più perfettamente al guscio, creando un ampio spazio. Un deflettore rotto potrebbe avere sezioni mancanti che consentono il flusso.
Spazio della calotta sovradimensionato dal design originale
Alcuni scambiatori di calore in PTFE a basso costo-sono costruiti con spazi eccessivi tra fascio-e-involucro per semplificare la produzione. Può esistere uno spazio di 10 mm o più e le strisce di tenuta sono omesse o sottodimensionate. In questi casi, le perdite del bypass sono intrinseche al progetto e non possono essere completamente corrette senza modifiche sostanziali.
Diagnosi delle perdite del bypass senza aprire lo scambiatore
Si sospetta una perdita del bypass quando:
La velocità di trasferimento del calore misurata (calcolata dalle temperature di ingresso/uscita e dalle portate) è significativamente inferiore al valore di progetto, nonostante i tubi puliti e l'assenza di perdite esterne.
La caduta di pressione lato mantello- è inferiore ai valori storici per la stessa portata. Una caduta di pressione ridotta indica che il fluido sta seguendo un percorso di resistenza-inferiore (bypass).
La variazione di temperatura del fluido lato-del guscio (ΔT) è inferiore al previsto, mentre anche la temperatura di uscita del lato-tubo non è target.
È importante escludere innanzitutto altre cause di scarse prestazioni: incrostazioni, intrappolamenti di non-condensabili o portate ridotte. Se questi vengono eliminati, la probabile colpevole è la perdita del bypass.
Azioni correttive per le perdite di bypass
La riparazione adeguata dipende dalla gravità e dall'accessibilità del fascio tubiero.
1. Sostituzione delle strisce sigillanti (soluzione più comune)
Per gli scambiatori con fasci tubieri estraibili è possibile installare o sostituire le guarnizioni durante il fermo programmato. La procedura:
Il coperchio del guscio viene rimosso e il fascio tubiero viene ritirato.
I deflettori vengono ispezionati. Le scanalature delle strisce di tenuta esistenti vengono pulite da detriti e corrosione.
Le nuove strisce di tenuta (tipicamente tessuto impregnato di PTFE-, strisce di molle metalliche o barre solide di PTFE) vengono tagliate a misura e inserite nelle scanalature su ciascun deflettore. Le strisce dovrebbero estendersi verso l'esterno per entrare in contatto con la parete interna del guscio con una leggera interferenza (compressione di 0,2–0,5 mm).
Le strisce vengono fissate con viti o pallinando i bordi del deflettore (per strisce metalliche). In alcuni modelli, le strisce vengono trattenute dalla pressione del guscio contro il deflettore.
Il pacco viene reinstallato e lo scambiatore viene testato.
Questa riparazione in genere ripristina il 90-100% delle prestazioni perse se i deflettori stessi non sono danneggiati.
2. Riparazione o sostituzione del deflettore
Se i deflettori sono piegati, crepati o corrosi, le strisce di tenuta da sole non ripareranno il bypass. I deflettori danneggiati devono essere riparati o sostituiti. Per gli scambiatori di calore in PTFE i diaframmi sono solitamente metallici (acciaio inox o acciaio al carbonio) e possono essere:
Raddrizzato– Le pieghe minori possono essere pressate in piano con una pressa idraulica.
Saldato– Le crepe vengono saldate e levigate. Fare attenzione a non distorcere il deflettore.
Sostituito– I deflettori gravemente danneggiati vengono tagliati dal fascio e nuovi deflettori vengono avvitati sui tubi in PTFE. Si tratta di un'operazione-intensa in termini di manodopera, spesso eseguita durante un ritubamento completo.
Dopo la riparazione del deflettore vengono installate nuove strisce di tenuta.
3. Shell-Regolazione del flusso laterale (mitigazione temporanea)
Per le situazioni in cui non è possibile lo smontaggio immediato, le regolazioni operative possono parzialmente compensare le perdite del bypass. L'aumento della portata del lato mantello- aumenta la velocità sia attraverso il fascio tubiero che attraverso gli spazi di bypass. Poiché la caduta di pressione aumenta con il quadrato della velocità, una portata maggiore può migliorare la proporzione del fluido che attraversa effettivamente i tubi. Tuttavia, ciò non risolve la causa principale e aumenta l’energia di pompaggio. È considerata solo una misura temporanea.
4. Riprogettazione per gravi problemi di liquidazione
Negli scambiatori con gioco del mantello intrinsecamente sovradimensionato (design originale scadente), si può tentare l'aggiornamento con strisce di tenuta più spesse o l'installazione di tubi fittizi nello spazio anulare. I tubi fittizi sono brevi tratti di tubo in PTFE posizionati nei fori più esterni del tubo ma sigillati alle estremità della piastra tubiera in modo che nessun fluido possa fluire attraverso di essi. Occupano spazio e bloccano il bypass. Questo approccio richiede la realizzazione di fori aggiuntivi nei deflettori e nelle piastre tubiere e viene solitamente eseguito da un'officina specializzata.
Descrizione del diagramma in sezione-trasversale (rappresentazione del testo)
La seguente descrizione illustra i percorsi di bypass in un tipico scambiatore di calore a guscio-e-tubo in PTFE visto in una sezione trasversale-:
Il cerchio esterno rappresenta la parete interna del guscio.
All'interno, una serie circolare di piccoli cerchi rappresenta i tubi in PTFE.
Lo spazio tra i cerchi del tubo più esterni e la parete interna del guscio è la distanza tra il fascio-e-il guscio (percorso di bypass anulare). In uno scambiatore ben-progettato, le strisce di tenuta (rappresentate come piccoli rettangoli attaccati al deflettore) sporgono in questo spazio, quasi toccando la parete dell'involucro.
Un deflettore è rappresentato come una linea orizzontale che attraversa l'interno del guscio, con ritagli (la finestra del deflettore) in alto e in basso. Il fluido che scorre attorno ai bordi del deflettore-attraverso il deflettore-fino alla-distanza dal guscio-viene mostrato come frecce che passano tra la punta del deflettore e la parete del guscio.
Piccole frecce tra i singoli tubi e il deflettore rappresentano le perdite dal tubo-al-deflettore.
Le strisce di tenuta bloccano il bypass anulare. Quando mancano, le frecce grandi indicano il flusso non ostruito attraverso lo spazio anulare.
Prevenzione delle perdite di bypass
È meglio prevenire le perdite del bypass durante la progettazione e l'assemblaggio iniziale:
Specificare la costruzione TEMA in classe R o B– Queste norme definiscono le distanze massime e richiedono strisce di tenuta per diametri del mantello superiori a una certa dimensione.
Utilizzare doppie strisce di tenuta– Due file di strisce di tenuta per deflettore garantiscono ridondanza.
Ispezionare le strisce di tenuta durante la ritubazione– Eventuali strisce mancanti o danneggiate vengono sostituite prima del rimontaggio.
Evitare il colpo d'ariete– Come discusso nelle guide correlate, il martello a vapore danneggia i deflettori e allenta gli attacchi delle strisce di tenuta.
Un'ispezione interna periodica (ogni 3-5 anni) dovrebbe includere il controllo della tenuta delle strisce di tenuta e delle condizioni dei deflettori. Se si sospetta in anticipo una perdita del bypass, è possibile confrontare un test di caduta di pressione a una portata nota con i dati di riferimento.
Conclusione
Le perdite del bypass sono un problema di progettazione e manutenzione che degrada silenziosamente le prestazioni dello scambiatore di calore in PTFE. I percorsi principali sono il passaggio dal fascio-al-shell (bypass anulare) e il passaggio dal deflettore-al-shell. Le cause più comuni sono le strisce di tenuta mancanti o usurate e i deflettori danneggiati. L'ispezione interna spesso rivela questi problemi. Le azioni correttive includono la sostituzione delle strisce di tenuta, la riparazione o la sostituzione dei deflettori danneggiati e, come misura temporanea, l'aumento del flusso laterale del guscio-. Per gravi problemi di spazio, potrebbero essere necessari tubi fittizi o una riprogettazione. UNperdite di bypass dello scambiatore di calore in PTFEIl problema può ridurre il trasferimento di calore del 10-30%, ma la maggior parte dei casi è completamente risolvibile durante un'interruzione pianificata. Una corretta fabbricazione con adeguate strisce di tenuta e un'ispezione interna periodica preservano l'efficienza termica e prolungano la durata.
