Η ανεξήγητη κόπωση του σωλήνα
Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE σε βρόχο ανακυκλοφορίας με αντλία εμφανίζει διαρροές στις συνδέσεις σωλήνων-σε-κεφαλίδα μετά από 18 μήνες λειτουργίας. Η χημεία είναι καλοήθης. Η θερμοκρασία είναι μέτρια. Η πίεση είναι εντός των ορίων σχεδιασμού. Ωστόσο, οι σωλήνες παρουσιάζουν σημάδια ρωγμών κόπωσης στα σημεία στήριξης και στις αρθρώσεις κεφαλής.
Η βασική αιτία είναι οι κραδασμοί. Οι σωλήνες PTFE είναι εύκαμπτοι και ελαφροί. Αυτή η ευελιξία είναι ένα πλεονέκτημα για προσαρμογή θερμικής διαστολής και αντοχή σε κρούση. Αλλά κάνει επίσης τους σωλήνες ευαίσθητους σε δονήσεις που προκαλούνται από τη ροή-. Όταν το ρευστό ρέει σε μια δέσμη σωλήνων με συγκεκριμένες ταχύτητες, δημιουργεί ταλαντευόμενες δυνάμεις που διεγείρουν την κίνηση του σωλήνα. Κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων κύκλων, αυτή η δόνηση προκαλεί ζημιά κόπωσης σε σημεία συγκέντρωσης τάσεων.
Ο μηχανισμός επαγόμενης δόνησης ροής{{0}
Δύο κύριοι μηχανισμοί διεγείρουν τους κραδασμούς στις δέσμες σωλήνων εναλλάκτη θερμότητας. Η απόρριψη στροβιλισμού συμβαίνει όταν το υγρό ρέει δίπλα από έναν σωλήνα, δημιουργώντας εναλλασσόμενες δίνες στο πέρασμα. Αυτές οι δίνες αποσπώνται σε συχνότητα ανάλογη με την ταχύτητα ροής διαιρεμένη με τη διάμετρο του σωλήνα. Όταν η συχνότητα απόρριψης πλησιάζει τη φυσική συχνότητα του σωλήνα, εμφανίζεται συντονισμός. Ο σωλήνας δονείται με μεγάλο πλάτος.
Η διέγερση στροβιλισμού είναι μια τυχαία επιβολή από τις χαοτικές διακυμάνσεις της πίεσης στην τυρβώδη ροή. Δεν παράγει την απότομη κορυφή συντονισμού της απόρριψης δίνης, αλλά παράγει δόνηση ευρέως-φάσματος που συσσωρεύει ζημιά από κόπωση με την πάροδο του χρόνου. Η διέγερση στροβιλισμού κυριαρχεί σε δέσμες σωλήνων σε κοντινή απόσταση όπου η απόρριψη δίνης καταστέλλεται από παρακείμενους σωλήνες.
Η φυσική συχνότητα του σωλήνα εξαρτάται από τη διάμετρό του, το πάχος του τοιχώματος, το μέτρο του υλικού, το μη υποστηριζόμενο μήκος ανοίγματος και τη μάζα του ρευστού εντός και εκτός του σωλήνα. Οι σωλήνες PTFE έχουν χαμηλότερες φυσικές συχνότητες από τους ισοδύναμους μεταλλικούς σωλήνες λόγω του χαμηλότερου συντελεστή ελαστικότητας. Αυτό τους φέρνει πιο κοντά στο εύρος συχνοτήτων της διέγερσης που προκαλείται από κοινή ροή-.
Πίνακας 1: Εκτίμηση κινδύνου δόνησης ανά κατάσταση ροής και απόσταση υποστήριξης σωλήνα (σωλήνας PTFE OD 10 mm)
| Ταχύτητα εγκάρσιας ροής (m/s) | Διάσταση υποστήριξης 300mm | Διάσταση υποστήριξης 400mm | Διάσταση υποστήριξης 500mm | Απαιτείται μετριασμός |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | Χαμηλός κίνδυνος | Χαμηλός κίνδυνος | Μέτριος κίνδυνος | Κανένα έως ελάχιστο |
| 0.5 | Χαμηλός κίνδυνος | Μέτριος κίνδυνος | Υψηλός κίνδυνος | Συνιστάται ισιωτικό ροής |
| 0.8 | Μέτριος κίνδυνος | Υψηλός κίνδυνος | Πολύ υψηλός κίνδυνος | Ρύθμιση ροής + μειωμένη απόσταση |
| 1.2 | Υψηλός κίνδυνος | Πολύ υψηλός κίνδυνος | Κρίσιμος κίνδυνος | Απαιτείται επανασχεδιασμός |
| 1.5 | Πολύ υψηλός κίνδυνος | Κρίσιμος | Κρίσιμος | Δεν συνιστάται χωρίς εκτεταμένο μετριασμό |
Επίπεδα κινδύνου με βάση τη συχνότητα απόρριψης δίνης σε σχέση με την υπολογισμένη φυσική συχνότητα σωλήνα για PTFE με τοίχωμα 1,0 mm, πυκνότητα υγρού 1.100 kg/m³. Ο πραγματικός κίνδυνος εξαρτάται από τη συγκεκριμένη γεωμετρία και την κατανομή ροής.
Λύσεις ρύθμισης ροής εισόδου
Ο πιο αποτελεσματικός μετριασμός των κραδασμών είναι η πρόληψη της διαταραχής της ροής στην πηγή της. Η ροή που εισέρχεται σε μια δέσμη σωλήνων θα πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη και απαλλαγμένη από-αναταράξεις μεγάλης κλίμακας. Ένα πλήθος εισόδου ή κεφαλίδα διανομής που επεκτείνει την εισερχόμενη ροή ομαλά μειώνει τις τοπικές ταχύτητες και διασπά μεγάλες δίνες πριν φτάσουν στους σωλήνες.
Οι διάτρητες πλάκες διανομής τοποθετημένες μεταξύ του ακροφυσίου εισόδου και της δέσμης του σωλήνα εξομαλύνουν το προφίλ ταχύτητας. Η πλάκα δημιουργεί μια ομοιόμορφη πτώση πίεσης που κατανέμει τη ροή κατά μήκος της διατομής-της δέσμης. Η πτώση πίεσης στην πλάκα θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 1,5 φορές τη δυναμική πίεση της εισερχόμενης ροής για να είναι αποτελεσματική.
Τα πτερύγια ευθυγράμμισης μέσα στο ακροφύσιο εισαγωγής ή τη σωλήνωση μειώνουν τον στροβιλισμό και{0}}τους στροβιλισμούς μεγάλης κλίμακας από τα ανοδικά εξαρτήματα σωληνώσεων. Η ροή εκκένωσης της αντλίας είναι ιδιαίτερα ενοχλητική-η πτερωτή εκπέμπει στροβιλισμό και περιοδικούς παλμούς στη συχνότητα διέλευσης της λεπίδας. Ένας ισιωτής ροής εγκατεστημένος 5-10 διαμέτρους σωλήνων ανάντη της εισόδου του εναλλάκτη θερμότητας διασπά αυτές τις δομές.
Τροποποιήσεις υποστήριξης για υπάρχουσες εγκαταστάσεις
Όταν η ρύθμιση της ροής από μόνη της είναι ανεπαρκής, πρόσθετα στηρίγματα σωλήνων μειώνουν το μη υποστηριζόμενο άνοιγμα και αυξάνουν τη φυσική συχνότητα πάνω από το εύρος διέγερσης. Οι ενδιάμεσες πλάκες στήριξης που προστίθενται μεταξύ των υπαρχόντων στηρίξεων μειώνουν στο μισό το μήκος του ανοίγματος και μπορούν να αυξήσουν τη φυσική συχνότητα κατά τέσσερις φορές.
Η απόσβεση μπορεί να αυξηθεί τροποποιώντας τη σχεδίαση στήριξης. Τα σφιχτά-στηρίγματα διάκενου που επιτρέπουν τη θερμική ολίσθηση αλλά εμποδίζουν την πλευρική κίνηση μετατρέπουν τον σωλήνα-για να-υποστηρίξει τις κρούσεις σε απαγωγή ενέργειας. Ο σωλήνας μπορεί ακόμα να επεκταθεί αξονικά, αλλά δεν μπορεί να δημιουργήσει μεγάλα πλάτη δόνησης.
Για νέες εγκαταστάσεις, η ανάλυση κραδασμών θα πρέπει να αποτελεί μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού. Οι συνθήκες αναμενόμενης ροής καθορίζουν το μέγιστο επιτρεπόμενο μη υποστηριζόμενο άνοιγμα. Αυτό το άνοιγμα ρυθμίζει την απόσταση της πλάκας στήριξης. Ο σχεδιασμός για την αποτροπή κραδασμών κοστίζει λιγότερο από την εκ των υστέρων τοποθέτηση μετά την εμφάνιση ζημιών από κόπωση.
Περίληψη
Η ζημιά από κραδασμούς του σωλήνα εναλλάκτη θερμότητας PTFE προκύπτει από μηχανισμούς διέγερσης που προκαλούνται από τη ροή-, συμπεριλαμβανομένης της απόρριψης στροβιλισμού και της στροβιλισμού. Οι εύκαμπτοι, ελαφροί σωλήνες έχουν φυσικές συχνότητες που μπορεί να συμπίπτουν με τις συχνότητες διέγερσης σε τυπικές ταχύτητες ροής διεργασίας.
Ο μετριασμός ξεκινά με την ρύθμιση της ροής εισόδου-πλάκες διανομής και τα πτερύγια ευθυγράμμισης που εξασφαλίζουν ομοιόμορφη, χαμηλή- ροή στροβιλισμού που εισέρχεται στη δέσμη. Πρόσθετα στηρίγματα σωλήνων μειώνουν το μη υποστηριζόμενο άνοιγμα και αυξάνουν τη φυσική συχνότητα. Για νέα σχέδια, η ανάλυση κραδασμών κατά τη φάση της μηχανικής αποτρέπει δαπανηρές τροποποιήσεις πεδίου.
Η μηχανική ανάλυση για την αξιολόγηση και τον μετριασμό του κινδύνου δόνησης του εναλλάκτη θερμότητας PTFE είναι διαθέσιμη με την υποβολή των διαστάσεων του σωλήνα, της απόστασης στήριξης, της ταχύτητας ροής, των ιδιοτήτων του υγρού και τυχόν παρατηρηθέντων συμπτωμάτων δόνησης ή ιστορικού αστοχίας.
