Το πρόβλημα των κραδασμών
Οι σωλήνες εναλλάκτη θερμότητας PTFE είναι εύκαμπτοι. Το χαμηλό συντελεστή ελαστικότητάς τους (0,5 GPa έναντι. 200 GPa για χάλυβα) σημαίνει ότι εκτρέπονται περισσότερο υπό ένα δεδομένο φορτίο και έχουν χαμηλότερες φυσικές συχνότητες από τους μεταλλικούς σωλήνες των ίδιων διαστάσεων. Οι χαμηλότερες φυσικές συχνότητες τις φέρνουν πιο κοντά στις συχνότητες διέγερσης που είναι κοινές στις δεξαμενές διεργασίας-λεπίδα αναδευτήρα-συχνότητες διέλευσης (2-10 Hz), συχνότητες διέλευσης πτερυγίων αντλίας (20-100 Hz) και αναταράξεις ροής (ευρεία ζώνη).
Εάν η φυσική συχνότητα ενός σωλήνα συμπίπτει με μια συχνότητα διέγερσης, εμφανίζεται συντονισμός. Ο σωλήνας δονείται με μεγάλο πλάτος, προσκρούοντας σε παρακείμενους σωλήνες ή φθείρεται στα σημεία επαφής της πλάκας στήριξης. Η δόνηση επιταχύνει τη ζημιά από κόπωση και μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη αστοχία του σωλήνα.
Ο αριθμός των πλακών στήριξης-που καθορίζει το μη υποστηριζόμενο μήκος ανοίγματος μεταξύ των στηρίξεων-είναι η κύρια μεταβλητή σχεδιασμού που ελέγχει τη φυσική συχνότητα του σωλήνα. Περισσότερα στηρίγματα σημαίνουν μικρότερα ανοίγματα, υψηλότερες φυσικές συχνότητες και μικρότερο κίνδυνο συντονισμού.
Υπολογισμός Φυσικής Συχνότητας
Η φυσική συχνότητα ενός μόνο-σωλήνα ανοίγματος μεταξύ δύο στηριγμάτων είναι: f_n=(π / 2L²) × √(EI / m), όπου L είναι το μήκος ανοίγματος μεταξύ των στηρίξεων, E είναι ο συντελεστής κάμψης του PTFE στη θερμοκρασία λειτουργίας, I είναι η εμβαδική ροπή αδράνειας της διασταύρωσης του σωλήνα{4} τον περιεχόμενο ατμό/συμπύκνωμα).
Η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο του μήκους του ανοίγματος. Η μείωση του μήκους του ανοίγματος κατά το ήμισυ (διπλασιάζοντας τον αριθμό των στηρίξεων) τετραπλασιάζει τη φυσική συχνότητα. Αυτή η ισχυρή εξάρτηση καθιστά την απόσταση υποστήριξης το πιο αποτελεσματικό εργαλείο σχεδιασμού για τον έλεγχο των κραδασμών.
Για σωλήνα PTFE τοίχου OD 10 mm × 1 mm σε 80 μοίρες (E ≈ 300 MPa), η φυσική συχνότητα για διάφορα μήκη ανοιγμάτων είναι:
| Μήκος ανοίγματος (mm) | Αριθμός στηρίξεων (σωλήνας 3m) | Φυσική συχνότητα (Hz) |
|---|---|---|
| 1,500 | 1 (υποστηρίζει μόνο το τέλος) | 2.5 |
| 750 | 3 | 10 |
| 500 | 5 | 22.5 |
| 375 | 7 | 40 |
| 300 | 9 | 62.5 |
| 250 | 11 | 90 |
Το κριτήριο αποφυγής συντονισμού
Για να αποφευχθεί ο συντονισμός, η φυσική συχνότητα του σωλήνα θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 20% πάνω από την υψηλότερη αναμενόμενη συχνότητα διέγερσης ή τουλάχιστον 20% κάτω από τη χαμηλότερη αναμενόμενη συχνότητα διέγερσης. Για μια τυπική αναδευόμενη δεξαμενή με λεπίδα αναδευτήρα-συχνότητα διέλευσης 3-8 Hz και συχνότητα διέλευσης πτερυγίων αντλίας 40-60 Hz, η φυσική συχνότητα του σωλήνα θα πρέπει να είναι είτε κάτω από 2,4 Hz (μη πρακτική για τα περισσότερα ανοίγματα) είτε πάνω από 72 Hz.
Η επίτευξη φυσικής συχνότητας άνω των 72 Hz απαιτεί μήκος ανοίγματος περίπου 280 mm ή λιγότερο-που αντιστοιχεί σε 10 πλάκες στήριξης για έναν σωλήνα 3 μέτρων. Αυτός είναι ένας συντηρητικός σχεδιασμός που παρέχει ανοσία σε όλες τις τυπικές πηγές διέγερσης.
Εάν οι συχνότητες του αναδευτήρα και της αντλίας είναι καλά-χαρακτηρισμένες και ελεγχόμενες, μπορεί να είναι αποδεκτός ένας λιγότερο συντηρητικός σχεδιασμός. Ένα άνοιγμα 375 mm (7 στηρίγματα, φυσική συχνότητα 40 Hz) είναι επαρκές εάν ο αναδευτήρας λειτουργεί κάτω από 32 Hz και η αντλία κάτω από 32 Hz (δεν είναι τυπικό για αντλίες).
Το Πρακτικό Όριο Υποστήριξης
Κάθε πλάκα στήριξης προσθέτει κόστος, καταλαμβάνει όγκο δεξαμενής και αυξάνει την πτώση πίεσης στην πλευρά του κελύφους. Υπάρχει πρακτικό όριο στον αριθμό των στηρίξεων. Για τις περισσότερες εφαρμογές, 5-9 πλάκες στήριξης για σωλήνα 3 μέτρων (ανάπτυξη 300-500 mm) παρέχουν επαρκή αντοχή στους κραδασμούς χωρίς υπερβολικό κόστος. Ο ακριβής αριθμός καθορίζεται από το συγκεκριμένο περιβάλλον διέγερσης.
Περίληψη
The number of support plates determines the tube natural frequency, which must be separated from the excitation frequencies to avoid destructive resonance. A span length of 280mm or less (natural frequency >72 Hz) παρέχει ανοσία στις περισσότερες βιομηχανικές πηγές διέγερσης. Ο αριθμός πλακών στήριξης είναι μια κρίσιμη παράμετρος σχεδιασμού για την αξιοπιστία του εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε αναδευόμενα ή αντλούμενα συστήματα.
Η μηχανική υποστήριξη για την ανάλυση κραδασμών δέσμης σωλήνων PTFE είναι διαθέσιμη με την υποβολή των διαστάσεων του σωλήνα, του μήκους του σωλήνα, των προδιαγραφών του αναδευτήρα και της αντλίας και της θερμοκρασίας λειτουργίας.
