Cum se detectează și se reduce fluxul-vibrația indusă a tubului într-un schimbător vertical de PTFE?

Sunetul tuburilor de PTFE care dansează pe plăcile lor de susținere este un zumzet rezonant profund provenit de la un schimbător de căldură vertical înalt și o creștere lentă a scăderii presiunii laterale-la carcasă. Vibrația nu este doar zgomot, este un proces lung și persistent de frecare și uzură care poate tăia un tub. Vibrația-indusă de flux este o problemă mecanică recunoscută într-un schimbător vertical de PTFE. Cu toate acestea, cu diagnosticare adecvată și atenuare concentrată (adică, adăugarea de suporturi intermediare pentru tub și modificarea poziției duzei laterale a carcasei-), problema poate fi remediată înainte ca tubul să se defecteze.

Detectarea vibrațiilor pe un schimbător de tuburi PTFE vertical
Este esențial ca depistarea să aibă loc din timp. Tuburile din PTFE sunt flexibile decât tuburile metalice și frecvența lor naturală este în mod natural scăzută. Următoarele arată că vibrația indusă de flux poate fi prezentă:

Bâzâit sonor sau zgomot de joasă frecvență, care variază în funcție de debitul.

Căderea presiunii laterale-carcasai crește în mod neașteptat (blocarea canalelor de curgere prin frecarea resturilor sau deformarea tubului)

Dovezi vizuale în timpul examinării - zone lustruite, crestături sau subțieri ale tuburilor la orificiile plăcii de sprijin; pulbere albă (resturi de uzură PTFE) în partea de jos a carcasei.

Mai multe scurgeri ale tubului la joncțiunile dintre tub-la-foaia tubulară generate de sarcinile ciclice de încovoiere.

Dacă se suspectează vibrația, un stetoscop simplu sau o măsurătoare cu accelerometru pe carcasa de lângă duza de intrare va identifica frecvența predominantă. Se calculează frecvența naturală a celei mai lungi deschideri a tubului nesusținut și se compară cu frecvența de scurgere a vortexului a curgerii laterale a carcasei.

Fizica vibrațiilor induse de fluxul într-o carcasă verticală
Fluidul de pe partea carcasei, adesea un lichid sau un gaz corosiv, intră într-un schimbător vertical de PTFE printr-o duză de admisie. Două metode tipice de excitare sunt

Deversarea vortexului - Pe măsură ce fluidul trece pe lângă fiecare tub din PTFE, în aval sunt generate vârtejuri alternative, furnizând forțe de ridicare variabile perpendiculare pe direcția curgerii. Rezonanța apare atunci când frecvența de scurgere este egală cu frecvența inerentă a tubului și se produc oscilații semnificative de amplitudine.

Bufet turbulent - O duză de admisie unghiulară prost (de exemplu, intrare tangenţială sau laterală- fără difuzor) direcţionează un jet de mare viteză direct către fascicul de tuburi. Jetul provoacă fluctuații aleatorii de presiune care scutură tuburile, în special în regiunea nesusținută din partea superioară la intrare.

Gravity wants to keep tubes vertical but a lengthy unsupported span of tubes (typically >1,5 până la 2 m) este destul de vulnerabilă. Riscul este cel mai mare acolo unde viteza laterală a carcasei este cea mai mare, chiar în aval de duza de intrare.

Strategie de atenuare: rigidizarea tuburilor, calmarea fluxului
Soluția este de a strânge tuburile și de a calma fluxul. Două activități corective principale sunt efectuate individual sau în combinație.

1. Instalați plăci de susținere a tuburilor intermediare
Prin reducerea lungimii nesuportate a tuburilor PTFE, rigiditatea crește și frecvența naturală devine mult mai mare decât frecvența de scurgere a vortexului. Plăci de sprijin suplimentare sunt adăugate între foile tubulare superioare și inferioare existente într-un schimbător vertical.

Criterii importante de proiectare pentru plăcile de sprijin suplimentare:

Material – plăci metalice acoperite cu PTFE-sau fluoropolimer-sau plăci solide din PTFE cu o grosime suficientă pentru a evita îndoirea.

Distanța găurii - Găurile trebuie să fie cu 0,5-1,0 mm mai mari decât diametrul exterior al tubului Prea strâns: strângerea tubului, uzură; prea lejer: prea multă mișcare laterală.

Alinierea - Toate plăcile suport trebuie să fie aliniate exact cu foile tubulare, astfel încât tuburile să nu fie îndoite în timpul asamblarii. Se recomandă alinierea cu laser sau dispozitivele precise.

Număr și distanță – Intervalul maxim nesuportat ar trebui redus la un punct în care frecvența naturală a tubului este peste cea mai mare frecvență de scurgere a vortexului prevăzută. Tuburile obișnuite din PTFE (6-12 mm OD) sunt sigure pentru viteze ale apei de până la 1,5 m/s, dacă deschiderile sunt de 300-500 mm.

Adăugarea plăcilor de susținere la un schimbător existent implică îndepărtarea fasciculului de tuburi, găurirea sau sudarea tijelor de montare a plăcilor de susținere și apoi reasamblarea cu grijă. Este o modernizare mare, simplă.

2. Schimbați orientarea duzei laterale a carcasei și asigurați o placă de impact
Admisia-laterală a carcasei este o cauză comună a vibrațiilor. O duză tangenţială generează un flux învolburat care parcurge întreaga lungime a carcasei. O duză radială poziționată prost (de exemplu, îndreptată direct spre fascicul de tuburi) produce un jet cu viteză mare-care lovește tuburile superioare.

Măsuri de atenuare:

Schimbați duza de intrare de la tangențială la radială, astfel încât fluxul să fie direcționat paralel cu foile tubulare sau cu peretele carcasei, nu cu fascicul.

Instalați o placă de impact (difuzor sau distribuitor de debit) imediat în carcasa opusă duzei de admisie. Placa este o foaie de metal plată sau curbată, în general căptușită cu PTFE-, care sparge jetul și distribuie fluxul uniform pe secțiunea transversală-cochii.

Așezați un deflector perforat la sau în apropierea intrării pentru a reduce viteza înainte de a intra în contact cu fasciculul de tuburi.

Aceste modificări reduc viteza maximă și îndepărtează componenta de turbionare astfel încât atât amplitudinea de bufing, cât și de dispersare a vârtejului sunt mult reduse.

Note despre precizia tehnică
Frecvența naturală a tubului trebuie menținută mult mai mare decât frecvența de scurgere a vortexului. Pentru tuburile PTFE, modulul de elasticitate este scăzut (aproximativ 400-500 MPa), astfel încât chiar și deschiderile moderate (1 metru) pot rezona la viteze de curgere de până la 0,5-0,8 m/s. Se recomandă ca calculul să fie făcut cu ecuația fasciculului Euler-Bernoulli cu condiții de capăt fix-fix.

Viteza pe partea carcasei de lângă duza de intrare este cea mai mare. Această zonă este zona cheie pentru declanșarea vibrației. Astfel, plăcile de sprijin ar trebui să fie amplasate mai strâns distanțate în partea superioară a schimbătorului și difuzorul de intrare trebuie planificat corespunzător.

Unități existente Inspecție practică pe teren
Când sunt chemați într-o locație de pe un schimbător de PTFE vertical vibrant, se face următoarele:

Măsurați amplitudinea și frecvența vibrațiilor la diferite altitudini folosind un accelerometru.

Setați viteza critică a vărsării vortexului pentru a egala frecvența naturală a tubului.

Dacă schimbătorul poate fi deschis, inspectați fasciculul interior pentru semne de frecare a tubului și uzura orificiilor plăcii de sprijin.

Propuneți un refit – adăugați 2-3 plăci suport intermediare și dacă duza este tangenţială adăugați o placă de impact. Alternativ, poate fi proiectată o relocare a duzei de admisie pe partea carcasei.

Abstract
Vibrația generată de debit într-un schimbător vertical de PTFE este o problemă mecanică care poate fi rezolvată, de preferință în faza de proiectare, prin asigurarea unui suport adecvat al tubului și a unei admisii laterale-carcasa- bine proiectată. Adăugarea unor plăci de suport pentru tuburi intermediare și a unei plăci de impact-difuzătoare a fluxului la o mașină vibrantă existentă poate reduce zumzetul și poate salva tuburile. În multe operațiuni chimice și de placare, modificările verticale ale schimbătorului PTFE au fost utilizate cu succes pentru a atenua vibrațiile tubului. Un pachet de tuburi liniștit și calm este unul sănătos-și, cu o inginerie bună, acea liniște poate fi recâștigată.