¿Cómo detectar y mitigar la vibración del tubo inducida por el flujo-en un intercambiador de PTFE vertical?

El sonido de los tubos de PTFE bailando contra sus placas de soporte es un zumbido profundo y resonante proveniente de un intercambiador de calor vertical alto y un lento aumento en la disminución de la presión del lado-de la carcasa. La vibración no es simplemente ruido, es un proceso largo y persistente de fricción y desgaste que puede cortar un tubo. La vibración inducida por el flujo-es un problema mecánico reconocido en un intercambiador de PTFE vertical. Sin embargo, con un diagnóstico apropiado y una mitigación enfocada (es decir, agregando soportes de tubo intermedios y alterando la posición de la boquilla del lado de la carcasa), el problema se puede remediar antes de que ocurra la falla del tubo.

Detección de vibraciones en un intercambiador de tubos de PTFE vertical
Es fundamental que la detección se produzca a tiempo. Los tubos de PTFE son más flexibles que los tubos de metal y su frecuencia natural es naturalmente baja. Lo siguiente muestra que puede haber vibraciones inducidas por el flujo:

Zumbido audible o ruido sordo de baja frecuencia que varía según el caudal.

La caída de presión del lado-de la carcasa aumenta inesperadamente (bloqueo de los canales de flujo debido a la fricción de los desechos o la deformación del tubo)

Evidencia visual durante el examen - áreas pulidas, muescas o adelgazamiento en los tubos en los orificios de la placa de soporte; polvo blanco (residuos de desgaste de PTFE) en el fondo de la carcasa.

Más fugas de tubos en las uniones del tubo-a-la placa de tubos generadas por cargas de flexión cíclicas.

Si se sospecha vibración, un simple estetoscopio o una medición con un acelerómetro en la carcasa cerca de la boquilla de entrada identificarán la frecuencia predominante. La frecuencia natural del tramo de tubo más largo sin soporte se calculará y comparará con la frecuencia de generación de vórtices del flujo del lado de la carcasa.

La física de la vibración inducida por el flujo en una capa vertical
El fluido del lado de la carcasa, a menudo un líquido o gas corrosivo, ingresa a un intercambiador vertical de PTFE a través de una boquilla de entrada. Dos métodos de excitación típicos son

Desprendimiento de vórtices - A medida que el fluido pasa por cada tubo de PTFE, se generan vórtices alternativos aguas abajo, lo que proporciona fuerzas de elevación variables perpendiculares a la dirección del flujo. La resonancia ocurre cuando la frecuencia de desprendimiento es igual a la frecuencia inherente del tubo y se producen oscilaciones de amplitud significativas.

Golpes turbulentos - Una boquilla de entrada mal angulada (por ejemplo, entrada tangencial o lateral-sin difusor) dirige un chorro de alta velocidad directamente al haz de tubos. El chorro provoca fluctuaciones aleatorias de presión que sacuden los tubos, especialmente en la zona sin soporte en la parte superior de la entrada.

Gravity wants to keep tubes vertical but a lengthy unsupported span of tubes (typically >1,5 a 2 m) es bastante vulnerable. El riesgo es mayor donde la velocidad lateral de la carcasa es mayor, justo aguas abajo de la boquilla de entrada.

Estrategia de mitigación: endurecer los tubos, calmar el flujo
La solución es apretar los tubos y calmar el flujo. Dos actividades correctivas principales se llevan a cabo solas o en combinación.

1. Instale las placas de soporte del tubo intermedio
Al reducir la longitud sin soporte de los tubos de PTFE, la rigidez aumenta y la frecuencia natural se vuelve mucho más alta que la frecuencia de generación de vórtices. Se agregan placas de soporte adicionales entre las placas de tubos superior e inferior existentes en un intercambiador vertical.

Criterios de diseño importantes para placas de soporte adicionales:

Material: placas de metal recubiertas de PTFE-o de fluoropolímero-, o placas sólidas de PTFE de suficiente espesor para evitar que se doblen.

Espacio libre entre los orificios - Los orificios deben ser entre 0,5 y 1,0 mm más grandes que el diámetro exterior del tubo. Demasiado apretado: el tubo está comprimido, desgastado; demasiado flojo: demasiado movimiento lateral.

Alineación - Todas las placas de soporte deben estar exactamente alineadas con las placas de tubos para que los tubos no se doblen durante el montaje. Se recomienda alineación láser o plantillas precisas.

Número y espaciado: el tramo máximo sin soporte debe reducirse hasta un punto en el que la frecuencia natural del tubo esté por encima de la frecuencia más alta prevista de generación de vórtices. Los tubos de PTFE típicos (6-12 mm de diámetro exterior) son seguros para velocidades del agua en el lado del casco de hasta 1,5 m/s, si los tramos son de 300 a 500 mm.

Agregar placas de soporte a un intercambiador existente implica retirar el haz de tubos, perforar o soldar las varillas de montaje de la placa de soporte y luego volver a ensamblar con cuidado. Es una modernización grande y simple.

2. Cambie la orientación de la boquilla del lado de la carcasa y proporcione una placa de impacto.
La entrada lateral-de la carcasa es una causa común de vibración. Una boquilla tangencial genera un flujo giratorio que recorre toda la longitud del casco. Una boquilla radial mal colocada (por ejemplo, dirigida directamente al haz de tubos) produce un chorro de alta-velocidad que golpea los tubos superiores.

Medidas de mitigación:

Cambie la boquilla de entrada de tangencial a radial para que el flujo se dirija paralelo a las placas tubulares o a la pared de la carcasa, no al haz.

Instale una placa de impacto (difusor o distribuidor de flujo) inmediatamente en la carcasa opuesta a la boquilla de entrada. La placa es una lámina metálica plana o curva, generalmente revestida de PTFE-, que rompe el chorro y distribuye el flujo uniformemente sobre la sección transversal-de la carcasa.

Coloque un deflector perforado en la entrada o cerca de ella para reducir la velocidad antes de que entre en contacto con el haz de tubos.

Estas modificaciones reducen la velocidad máxima y eliminan el componente de remolino de modo que tanto las amplitudes de sacudidas como de desprendimiento de vórtices se reducen considerablemente.

Notas sobre precisión técnica
La frecuencia natural del tubo debe mantenerse mucho más alta que la frecuencia de generación de vórtices. Para los tubos de PTFE, el módulo de elasticidad es bajo (aproximadamente 400-500 MPa), de modo que incluso tramos moderados (1 metro) pueden resonar a velocidades de flujo tan bajas como 0,5-0,8 m/s. Se recomienda realizar el cálculo con la ecuación de viga de Euler-Bernoulli con condiciones de extremo fijo-fijo.

La velocidad en el lado de la carcasa cerca de la boquilla de entrada es la más alta. Esta zona es la zona clave para el desencadenamiento de la vibración. Por ello las placas de soporte deben ubicarse más juntas en la parte superior del intercambiador y el difusor de entrada debe planificarse adecuadamente.

Unidades Existentes Inspección Práctica de Campo
Cuando se llama a una ubicación en un intercambiador de PTFE vertical vibratorio, se hace lo siguiente:

Mida la amplitud y frecuencia de la vibración a varias elevaciones utilizando un acelerómetro.

Establezca la velocidad crítica de la formación de vórtices para que sea igual a la frecuencia natural del tubo.

Si el intercambiador se puede abrir, inspeccione el paquete interior en busca de marcas de rozamiento de los tubos y desgaste del orificio de la placa de soporte.

Proponga un reajuste: agregue 2-3 placas de soporte intermedias y si la boquilla es tangencial agregue una placa de impacto. Alternativamente, se puede diseñar una reubicación de la boquilla de entrada del lado de la carcasa.

Abstracto
La vibración generada por el flujo en un intercambiador vertical de PTFE es un problema mecánico que se puede resolver, preferiblemente en la etapa de diseño, proporcionando un soporte de tubo adecuado y una entrada lateral de carcasa-bien diseñada-. La adición de placas de soporte de tubos intermedias y una placa de impacto-difusora de flujo a una máquina vibratoria existente puede silenciar el zumbido y salvar los tubos. En muchas operaciones químicas y de revestimiento, las modificaciones verticales del intercambiador de PTFE se han utilizado con éxito para mitigar la vibración de los tubos. Un haz de tubos silencioso y tranquilo es saludable-y con una buena ingeniería se puede recuperar la quietud.