Neobjašnjivi zamor cijevi
PTFE izmjenjivač topline u pumpanoj recirkulacijskoj petlji dolazi do curenja na spojevima cijevi-na-glavu nakon 18 mjeseci rada. Kemija je benigna. Temperatura je umjerena. Tlak je unutar projektiranih granica. Ipak, cijevi pokazuju znakove pucanja uslijed zamora na točkama oslonca i spojevima glave.
Osnovni uzrok je vibracija. PTFE cijevi su fleksibilne i lagane. Ova fleksibilnost je prednost za toplinsko širenje i otpornost na udarce. Ali također čini cijevi osjetljivima na-vibracije izazvane protokom. Kada tekućina teče preko snopa cijevi određenim brzinama, stvara oscilirajuće sile koje pobuđuju gibanje cijevi. Tijekom milijuna ciklusa, ova vibracija uzrokuje oštećenje uslijed zamora na točkama koncentracije naprezanja.
Mehanizam vibracija iza-protoka
Dva primarna mehanizma pobuđuju vibracije u snopovima cijevi izmjenjivača topline. Vrtložno osipanje događa se kada tekućina teče pokraj cijevi, stvarajući izmjenične vrtloge u tragu. Ti se vrtlozi odvajaju frekvencijom proporcionalnom brzini protoka podijeljenoj s promjerom cijevi. Kada se frekvencija odlijevanja približi prirodnoj frekvenciji cijevi, dolazi do rezonancije. Cijev vibrira velikom amplitudom.
Turbulentna pobuda je nasumično djelovanje kaotičnih fluktuacija tlaka u turbulentnom strujanju. Ne proizvodi oštar vrhunac rezonancije odlijevanja vrtloga, ali stvara vibracije širokog-spektra koje s vremenom akumuliraju oštećenje uslijed zamora. Pobuda turbulencije dominira u usko razmaknutim snopovima cijevi gdje je raspadanje vrtloga potisnuto susjednim cijevima.
Prirodna frekvencija cijevi ovisi o njezinom promjeru, debljini stijenke, modulu materijala, duljini raspona bez potpore i masi tekućine unutar i izvan cijevi. PTFE cijevi imaju niže prirodne frekvencije od ekvivalentnih metalnih cijevi zbog nižeg modula elastičnosti. To ih dovodi bliže frekvencijskom rasponu pobude izazvane-zajedničkim protokom.
Tablica 1: Procjena rizika od vibracija prema uvjetima protoka i razmaku nosača cijevi (10 mm OD PTFE cijev)
| Brzina poprečnog protoka (m/s) | Razmak nosača 300 mm | Razmak nosača 400 mm | Razmak nosača 500 mm | Potrebno ublažavanje |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | Mali rizik | Mali rizik | Umjereni rizik | Ništa do minimalno |
| 0.5 | Mali rizik | Umjereni rizik | Visok rizik | Preporuča se ispravljač protoka |
| 0.8 | Umjereni rizik | Visok rizik | Vrlo visok rizik | Kondicioniranje protoka + smanjeni razmak |
| 1.2 | Visok rizik | Vrlo visok rizik | Kritični rizik | Potreban redizajn |
| 1.5 | Vrlo visok rizik | Kritično | Kritično | Ne preporučuje se bez opsežnog ublažavanja |
Razine rizika temeljene na učestalosti odvajanja vrtloga u odnosu na izračunatu prirodnu frekvenciju cijevi za PTFE sa stijenkom od 1,0 mm, gustoćom tekućine 1100 kg/m³. Stvarni rizik ovisi o specifičnoj geometriji i raspodjeli protoka.
Rješenja za kondicioniranje ulaznog protoka
Najučinkovitije ublažavanje vibracija je sprječavanje poremećaja protoka na njegovom izvoru. Protok koji ulazi u snop cijevi treba biti ravnomjerno raspoređen i bez turbulencija velikih-razmjera. Ulazni plenum ili razdjelni kolektor koji širi dolazni protok glatko smanjuje lokalne brzine i razbija velike vrtloge prije nego što dođu do cijevi.
Perforirane raspodjelne ploče postavljene između ulazne mlaznice i snopa cijevi ujednačavaju profil brzine. Ploča stvara ravnomjeran pad tlaka koji raspodjeljuje protok po presjeku-snopa. Da bi bio učinkovit, pad tlaka na ploči trebao bi biti najmanje 1,5 puta veći od dinamičkog tlaka ulaznog toka.
Ispravljajuće lopatice unutar ulazne mlaznice ili cjevovoda smanjuju vrtlog i turbulenciju velikih-razmjera od uzvodnih komponenti cjevovoda. Protok pražnjenja crpke posebno je problematičan-rotor stvara i vrtlog i periodične pulsacije na frekvenciji prolaska lopatica. Ispravljač protoka instaliran 5-10 promjera cijevi uzvodno od ulaza izmjenjivača topline razbija ove strukture.
Izmjene podrške za postojeće instalacije
Kada samo kondicioniranje protoka nije dovoljno, dodatni cijevni nosači smanjuju nepodržani raspon i podižu prirodnu frekvenciju iznad raspona pobude. Međupotporne ploče dodane između postojećih nosača prepolovljuju duljinu raspona i mogu povećati prirodnu frekvenciju za faktor četiri.
Prigušenje se može povećati modificiranjem dizajna nosača. Čvrsti-podupirači koji dopuštaju toplinsko klizanje, ali sprječavaju bočno pomicanje pretvaraju cijev-da-podrži udarce u rasipanje energije. Cijev se još uvijek može širiti aksijalno, ali ne može stvoriti velike amplitude vibracija.
Za nove instalacije, analiza vibracija trebala bi biti dio procesa projektiranja. Očekivani uvjeti protoka određuju najveći dopušteni nepodržani raspon. Ovaj raspon postavlja razmak potporne ploče. Projektiranje za sprječavanje vibracija košta manje od naknadne opreme nakon pojave oštećenja uslijed zamora.
Sažetak
Oštećenje PTFE cijevi izmjenjivača topline uzrokovano vibracijama proizlazi iz mehanizama pobude-induciranih protokom, uključujući vrtložno odbacivanje i udar turbulencije. Fleksibilne, lagane cijevi imaju prirodne frekvencije koje se mogu podudarati s frekvencijama pobude pri tipičnim brzinama toka procesa.
Ublažavanje počinje s-distribucijskim pločama za kondicioniranje ulaznog toka i lopaticama za ispravljanje koje osiguravaju ravnomjerno, nisko{1}}turbulentno strujanje koje ulazi u snop. Dodatni nosači cijevi smanjuju nepodržani raspon i povećavaju prirodnu frekvenciju. Za nove dizajne, analiza vibracija tijekom faze inženjeringa sprječava skupe modifikacije na terenu.
Inženjerska analiza za procjenu i ublažavanje rizika od vibracija PTFE izmjenjivača topline dostupna je nakon podnošenja dimenzija cijevi, razmaka potpore, brzine protoka, svojstava tekućine i svih uočenih simptoma vibracija ili povijesti kvarova.
