¿Cómo diseñar un intercambiador de PTFE para una aplicación a bordo con cabeceo y balanceo severos?

Un intercambiador de calor para funcionamiento continuo
Un intercambiador de calor en un barco nunca está estacionario. El barco se balancea, cabecea, guiña y se agita constantemente mientras responde a la carga de las olas y a los diferentes estados del mar. Estos movimientos colocan a todos los equipos instalados en un entorno de fatiga constante y multi-direccional, y cada pieza del equipo que contiene se convierte en una prueba de estrés dinámica-de larga duración.

Un haz de tubos horizontales normal ligeramente soportado se dañaría rápidamente en tales condiciones por golpes repetitivos, vibraciones y rozaduras en el soporte. Por lo tanto, un intercambiador de PTFE apropiado para operación marina debe diseñarse como un sistema estructuralmente integrado con sus componentes interiores restringidos y sus partes externas instaladas como una única unidad mecánica rígida.

Un dispositivo de balanceo de cabeceo a bordo de un intercambiador de PTFE correctamente diseñado debe considerarse un barco dentro de un barco. Cada tubo y cada estructura de soporte deben estar protegidos para cargas continuas de tipo tormenta.

El intercambiador debe ser un bloque fuerte-autónomo, reforzado en su interior como el casco de un barco, para resistir el incesante y lento terremoto-del movimiento del océano.

Por qué es necesaria una filosofía de diseño especial para el movimiento a bordo
Condiciones de carga dinámica multi-axial
A diferencia de las instalaciones terrestres-, los sistemas marinos están sujetos a patrones de movimiento complicados que incluyen:

Girar (rotación de lado-a-lado)

Rollo (rotación lateral)

Traslación vertical (empuje)

Guiñada (rotación alrededor de un eje horizontal)

Incidentes repentinos de portazos en olas fuertes

Estos movimientos están controlados por los parámetros de estabilidad del buque (por ejemplo, altura metacéntrica). Estos determinan el período de balanceo y la aceleración angular. Los ángulos de balanceo grandes pueden generar grandes fuerzas de inercia dentro de los recintos del equipo.

Los componentes de los intercambiadores internos sin modificación específica de diseño podrán estar sujetos a:

Trastes y vibración del tubo.

agrietamiento por fatiga del deflector

Extremos de barra de dirección flojos

Doblado de la placa de soporte

Carga de impacto de tubos vecinos.

El diseño preferido es la configuración de tubo en U-vertical.
Estabilidad Gravedad-Movimiento asistido
Se desea especialmente una orientación vertical para aplicaciones a bordo de barcos. En esta disposición, el flujo de fluido hacia arriba garantiza que el casco esté siempre completamente inundado y el efecto de la gravedad ayudará a estabilizar la distribución del fluido dentro del recipiente durante el movimiento del mismo.

Las ventajas de la orientación vertical incluyen:

Reducción de los efectos de chapoteo lateral.

Estabilidad de fase mejorada

Riesgo reducido de generación de bolsas de vapor.

Dispersión de calor más consistente en circunstancias de inclinación

El paquete de tubos U-elimina la tensión fija de la placa de tubos
En el servicio marítimo, es común seleccionar un paquete de tubo U-ya que permite:

Expansión térmica independiente de tuberías.

Eliminación de la concentración de tensión de la placa de tubos fija

cargas de fatiga térmica reducidas

Mejor tolerancia al movimiento estructural

La conformidad mecánica del segmento de curvatura U-flotante es ventajosa durante el ciclo combinado de calor y mecánico.

Refuerzo interno contra el movimiento del barco.
El estrecho espacio entre los soportes de los tubos evita daños por vibración.
En circunstancias de fuerte balanceo, el movimiento del barco aumenta considerablemente la probabilidad de interacción tubo-con-tubo. Para compensar esto, las placas de soporte de los tubos deben estar más espaciadas que en los intercambiadores terrestres.

Los efectos de diseño importantes son:

Menor espacio entre tubos sin soporte

Frecuencia natural de vibración del tubo aumentada

Ocurrencias de oscilaciones de menor amplitud

Carga transitoria: prevención del golpe del tubo

Los soportes están lo suficientemente cerca como para que los tubos actúen como un haz confinado en lugar de como partes flexibles independientes.

Sistemas resistentes de deflectores y tirantes
Los deflectores y tirantes deben diseñarse para tener una fuerte resistencia a la fatiga provocada por el movimiento cíclico del barco.

Requisitos de diseño:

Grosor estructural mejorado de los deflectores.

Juegos de tirantes con bloqueo

Dispositivos de bloqueo contra aflojamiento

Soldadura reforzada y punto de unión.

Selección de sujetadores resistentes a vibraciones.

Los equipos marinos deben ser de gran integridad y las sociedades de clasificación como DNV, ABS y Lloyd's Register establecen criterios estrictos. Los micro-movimientos pueden hacer que los sujetadores se aflojen y se deben utilizar sistemas de bloqueo mecánico o cables de seguridad para evitar esto.

Montaje sísmico equivalente para servicio marítimo
Carga sísmica continua de los movimientos del barco
El montaje de equipos a bordo se considera a menudo de manera comparable al diseño sísmico de estructuras terrestres. La aceleración del balanceo y las cargas de golpe son fuerzas de inercia iguales que deben transmitirse a través de la estructura de soporte.

Las crecientes consideraciones de diseño incluyen:

Cargas máximas en ángulos de balanceo y cabeceo

Mejora de la aceleración dinámica

Cargas de fatiga durante la vida útil de un buque.

Carga de choque debido al impacto de las olas.

Construcción de marco de base resistente
El intercambiador completo se instalará sobre un marco de soporte rígido{0}}clasificado para barcos, diseñado para la distribución de cargas en la estructura del barco.

Las características comunes son:

Elementos estructurales reforzados con refuerzo-

Estructuras de acero, bases soldadas.

Almohadillas de montaje anti-vibración.

Placas base de distribución de carga

Puntos de unión estructural-al armazón del casco

El objetivo es evitar concentraciones de tensiones locales y proporcionar una transferencia uniforme de carga a la rejilla estructural del buque.

Fatiga de vida en operaciones marinas
Carga de fatiga a largo plazo-en movimiento continuo
Incluso si las fuerzas instantáneas están dentro de límites aceptables, la carga cíclica durante miles de horas puede causar daños por fatiga:

Soportes para tubos

Uniones soldadas

Conectores de soporte

Conjuntos de tirantes-

Montaje de interfaces

El análisis de la vida por fatiga se está convirtiendo en un aspecto clave del proceso de diseño, en particular para los buques que operan en estados del mar extremos.

Resonancia: por qué es importante evitarla
Las frecuencias inherentes de las estructuras internas deben estar bien separadas de las principales frecuencias de excitación del movimiento del barco. Las circunstancias de resonancia pueden tomar movimientos menores y amplificarlos hasta convertirlos en oscilaciones destructivas.

Las estrategias de diseño son:

Mayor rigidez en la estructura.

Plazos no reducidos

Adición de interfaces de amortiguación.

Optimización de la distribución masiva.

Selección de materiales y polímeros para sistemas de PTFE
La flexibilidad del PTFE ayuda al movimiento marino
Los materiales de los tubos de PTFE tienen una ventaja-incorporada en entornos marítimos porque son:

• Excelente resistencia química

Flexibilidad bajo cargas cíclicas

Resistencia a la corrosión atmosférica marina

La baja energía superficial reduce los riesgos de incrustaciones

Sin embargo, el PTFE todavía necesita restricción mecánica para evitar un movimiento excesivo bajo cargas dinámicas.

Efecto de acoplamiento térmico-mecánico
La combinación de expansión térmica y movimiento del barco da como resultado circunstancias de carga complejas. La flexibilidad del tubo en U-permite la expansión térmica y los soportes estructurales se encargan del movimiento mecánico y, por tanto, de la estabilidad del sistema durante el funcionamiento.

Cumplimiento de Sociedades de Clasificación
Criterios de diseño marino requeridos
Los intercambiadores de PTFE para aplicaciones a bordo deben cumplir los estándares de la sociedad de clasificación, que pueden incluir:

Verificación de integridad estructural (DNV, ABS, Lloyd's Register)

Aprobación de análisis de vibraciones y fatiga.

Calificación de carga de choque

Requisitos para la trazabilidad de materiales.

Normas de soldadura y fabricación.

Estos requisitos especifican que el equipo puede soportar la vida operativa del buque en circunstancias ambientales específicas.

Resumen
Un intercambiador de PTFE a bordo para cabeceo y balanceo severos es básicamente una máquina térmica resistente, montada verticalmente y reforzada internamente. La carga de fatiga multi-axial continua se gestiona mediante una estructura de tubo en U-, soportes de tubos muy espaciados, sistemas de deflectores reforzados y un marco de montaje completamente construido.

La técnica de diseño de cabeceo y balanceo a bordo del intercambiador de PTFE convierte el intercambiador en un único sistema estructural que puede soportar el movimiento continuo, las cargas ocasionales y el desgaste por vibración-a largo plazo del entorno marítimo.