¿Cómo seleccionar el diseño correcto de junta de expansión para una carcasa de intercambiador de PTFE de placa de tubos fija?

Un intercambiador de calor de PTFE de placa de tubos fijo-es mecánicamente simple y frecuentemente atractivo desde el punto de vista económico, pero el diseño implica un conflicto térmico básico. Los tubos de PTFE se expanden fuertemente al aumentar la temperatura, pero la carcasa de acero que los rodea se expande muy poco. Si el movimiento es limitado, el desajuste puede causar una tensión axial tremenda. Alguna parte del intercambiador debe doblarse para absorber esta expansión diferencial. La respuesta es una junta de expansión de fuelle metálico soldada a la carcasa - un segmento flexible en forma de acordeón-que se expande y contrae a medida que el haz de tubos de PTFE respira térmicamente durante el funcionamiento.

El conjunto de fuelle es el componente mecánico más importante de todo el sistema de intercambiador para cualquier selección de intercambiador de PTFE con placa de tubos fijos con junta de expansión.

Por qué se necesitan juntas de expansión en los intercambiadores de PTFE
La extrema expansión térmica del PTFE
El coeficiente de expansión térmica del PTFE es mucho mayor que el del acero al carbono o el acero inoxidable. Los tubos de PTFE pueden expandirse varias veces la magnitud de la construcción de la carcasa que los rodea con cambios en la temperatura de operación.

Sin un sistema de compensación flexible, pueden surgir problemas importantes:

Distorsiones en la placa tubular.

ruptura del tubo

Fuerzas axiales excesivas

Rompiendo la cáscara

Fatiga de soldadura

Fallos de fuga

La junta de dilatación es la zona de movimientos controlados y no permite la concentración de las tensiones térmicas en el cuerpo del intercambiador.

El fuelle como límite de presión flexible
Los fuelles son los pulmones metálicos del intercambiador, que inhalan y exhalan con cada ciclo térmico, manteniendo al mismo tiempo la integridad de la barrera de presión. Siempre que haya una flexibilidad adecuada, el haz de tubos de PTFE puede expandirse y contraerse de forma natural sin-esforzar demasiado la carcasa.

Esta adaptabilidad debe diseñarse deliberadamente, en lugar de imitarse con equipos de tuberías genéricos.

Criterios clave de diseño para la elección de juntas de expansión
Recorrido completo en el eje.
El parámetro más crítico en el tamaño de las juntas de expansión es la capacidad de moverse axialmente. Los fuelles deben absorber de forma segura la expansión térmica total estimada debida a los tubos de PTFE en todo el rango de temperatura operativa.

Los cálculos de diseño típicos tienen en cuenta:

longitud del tubo

Coeficiente de expansión térmica del PTFE

Diferencias de temperatura de inicio

Contracción al apagar

Situación de alteración del proceso

Temperatura máxima de diseño (MDT)

Un recorrido demasiado corto puede estirar demasiado el fuelle o producir fallos por fatiga por compresión.

Por qué nos gustan los fuelles de una sola capa-de pared gruesa-
Requisitos de resistencia a la presión.
En el caso de los intercambiadores de PTFE de placa tubular fija-, los fuelles están sujetos a presión interna de la carcasa, pero también son capaces de moverse. Los fuelles delgados de múltiples capas, como los que se emplean a menudo en sistemas de tuberías de baja presión, pueden no ser lo suficientemente fuertes para este propósito.

Por este motivo, a menudo se adoptan diseños de fuelle-de una sola capa-de pared gruesa.

Los beneficios incluyen:

Mayor resistencia estructural

Mejor contención de la presión

Aumento del margen de corrosión

Mejor manejo de la resistencia a los daños

Menor susceptibilidad a la separación de capas

El conjunto de fuelle no es sólo un conector flexible. Es una sección de un recipiente a presión que está sometida simultáneamente a cargas de calor, presión y fatiga.

Selección de material de fuelle
Por qué el acero inoxidable 316L es tan común
El material más popular para los fuelles de la carcasa del intercambiador es el acero inoxidable 316L, ya que ofrece una combinación de:

Resistencia a la corrosión

habilidades de soldadura

Características de fatiga

Disponibilidad:

Flexibilidad mecánica

La resistencia a la corrosión atmosférica es entonces un factor crucial, ya que los fuelles normalmente se encuentran en el lado externo de la carcasa en lugar de estar en contacto directo con la química agresiva del proceso.

Peligros de corrosión externa
El ambiente de la planta donde se ubican los fuelles puede exponerlos a:

Vapores ácidos

Sal-mucha humedad

Lavar productos químicos

* Procedimiento de Derrames

Contaminación con cloruro

En particular, las trazas de cloruros son muy dañinas ya que pueden causar corrosión por tensión externa en los fuelles de acero inoxidable bajo tensión de tracción.

Por lo tanto, el proceso de selección de materiales debe considerar tanto el proceso de trabajo como la exposición ambiental alrededor de la instalación del intercambiador.

Diseño de vida de fatiga y convolución.
El papel de la geometría de convolución
Las circunvoluciones son las corrugaciones que se comprimen y se extienden con el movimiento del calor para crear flexibilidad en el fuelle.

El diseño estará compuesto por:

Número de convoluciones

altura de convolución

Forma de paso

Grosor de las paredes

Constante de resorte axial

Muy pocas convoluciones pueden causar demasiada rigidez y demasiadas convoluciones pueden causar menos capacidad de presión y resistencia a la fatiga.

Problemas de ciclos térmicos
Los intercambiadores que se someten a numerosos arranques-, apagados o condiciones de proceso por lotes están sujetos a ciclos de temperatura repetidos, lo que provoca tensiones cíclicas en el material del fuelle.

Para aplicaciones de ciclo alto-, se necesitan diseños de fuelles resistentes a la fatiga.

Otras medidas de ingeniería pueden incluir:

Forma optimizada de la convolución.

Áreas de concentración de estrés reducidas.

Control mejorado de la calidad de la soldadura.

Restricciones de movimiento

Secciones de collares reforzados.

La falla por fatiga generalmente ocurre progresivamente por el inicio de grietas en las raíces de convolución severamente estresadas.

Conformidad con las normas EJMA y ASME
Criterios de diseño de EJMA
Las juntas de dilatación en carcasas de intercambiadores de retención de presión se diseñarán de acuerdo con los criterios especificados por la Asociación de Fabricantes de Juntas de Expansión (EJMA).

El enfoque de EJMA proporciona sugerencias sobre:

Cálculo de tensiones

Análisis de fatiga

Clasificación de presión

Restricciones de movimiento

Predicción de la fuerza del resorte.

Predicción del ciclo de vida

ASME Apéndice 26
En aplicaciones de recipientes a presión, el Apéndice 26 de ASME también puede guiar el diseño de los fuelles y la evaluación de tensiones permitidas.

El uso de códigos de diseño establecidos ayuda a garantizar que la junta de expansión se considere un componente de presión completamente diseñado y no un elemento accesorio.

Protección de fuelles contra daños mecánicos
La importancia de los obenques externos
Los daños mecánicos externos a los fuelles causados ​​por herramientas, tránsito peatonal, caída de artículos o trabajos de mantenimiento pueden causar vulnerabilidad.

Por lo tanto, el grupo de fuelles debe equiparse con una cubierta protectora externa.

La mortaja protege contra:

Daños por impacto

Deformación accidental

Acumulación de escombros

Exposición al clima

Contacto de personal.

La protección física es vital para la confiabilidad a largo plazo, ya que pequeñas abolladuras o deformaciones pueden disminuir en gran medida la vida útil a la fatiga.

Por qué-las-juntas de expansión disponibles en el mercado no funcionan
Requisitos de ingeniería personalizados
Un intercambiador de PTFE de placa tubular-fija genera condiciones de carga muy especializadas de:

Alto desplazamiento térmico

Presión "

Carga cíclica

Exposición a ambientes corrosivos

Sacudida mecánica

Las juntas de expansión de tuberías disponibles-disponibles- rara vez son adecuadas en servicio porque no están diseñadas para cumplir con los requisitos combinados de movimiento y presión del servicio del intercambiador de PTFE.

En lugar de ello, cada conjunto de fuelle debe construirse para adaptarse a la geometría del intercambiador y a las condiciones de funcionamiento.

Resumen
La junta de expansión es un vínculo flexible ingenioso que supera el dilema básico del estrés térmico con un intercambiador de calor de PTFE de placa tubular fija-. El fuelle compensa de manera segura la gran diferencia de crecimiento de temperatura entre los tubos de PTFE y la carcasa de acero circundante y evita cargas mecánicas dañinas en el intercambiador mientras mantiene la integridad de la presión.

La elección de un intercambiador de PTFE de placa tubular fija con una junta de expansión del tamaño adecuado es el resultado de una cuidadosa consideración de la capacidad de recorrido axial, el espesor de la pared, la geometría de convolución, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión y el cumplimiento de los estándares de diseño EJMA o ASME. Igualmente cruciales para una vida útil-a largo plazo son la protección externa adecuada y la compatibilidad ambiental.

Una de las máquinas más confiables en la ingeniería de equipos térmicos suele ser aquella que está diseñada para adaptarse a su propio movimiento interno con gracia, en lugar de resistirlo rígidamente.