In che modo il numero di Reynolds del guscio-laterale influenza l'insorgenza della vibrazione del tubo-indotta dal flusso in uno scambiatore in PTFE?

I tubi in PTFE in uno scambiatore di calore sono silenziosi e stabili a basse portate sul lato mantello. Tuttavia, l'aumento della velocità laterale del guscio-può superare una soglia idraulica nascosta. La velocità del fluido, l'intensità della turbolenza, la flessibilità dei tubi e la spaziatura dei supporti si combinano in modo critico per consentire al liquido che scorre di stimolare dinamicamente il fascio tubiero in modo inaspettato. Il risultato è una vibrazione indotta dal flusso-, quando i tubi precedentemente statici iniziano a oscillare, oscillare e in alcuni casi a sbattere con un suono udibile contro i loro supporti.

Pertanto, il collegamento tra il numero di Reynolds del lato mantello e la vibrazione del tubo è una delle interazioni meccaniche-idrauliche più essenziali nella progettazione degli scambiatori di calore in fluoropolimero e anche le prestazioni dello scambiatore in PTFE sono correlate a questo.

Cos'è il numero di Reynolds nel flusso laterale della shell?
Il numero di Reynolds è un numero adimensionale che descrive la natura del flusso di fluido. Si tratta di un mix degli impatti di:

Velocità del fluido

Densità del fluido

Viscosità dei liquidi

Caratteristica del diametro idraulico

Nel flusso dello scambiatore lato mantello-, il numero di Reynolds viene utilizzato per indicare se il flusso del fluido è generalmente regolare, laminare o energico e turbolento.

Numero di Reynolds più alto, energia più turbolenta
Per una particolare geometria del fascio tubiero, un aumento del numero di Reynolds del lato mantello- spesso implica:

Maggiore velocità del flusso incrociato

Turbolenza di maggiore intensità

Forze di pressione oscillanti maggiori

Maggiore potere di distacco dei vortici

Al di sotto di un certo livello di soglia, le forze fluttuanti sono troppo piccole per spostare il fascio tubiero in modo significativo. Il sistema è ancora meccanicamente smorzato e stabile.

Tuttavia, una volta superato il punto critico, l'energia del flusso potrebbe iniziare ad accoppiarsi fortemente con le frequenze intrinseche di vibrazione dei tubi.

Perché i tubi in PTFE sono sensibili alle vibrazioni
Sebbene il PTFE abbia un'elevata resistenza chimica e immunità alla corrosione, è meccanicamente molto meno rigido dei materiali dei tubi metallici.

I tubi in PTFE vengono confrontati con i tubi in acciaio inossidabile o in titanio:

Modulo di Young ridotto

Maggiore flessibilità

Frequenze naturali abbassate

Maggiore deflessione sotto carico

Di conseguenza, il numero di Reynolds essenziale per l'inizio della vibrazione viene solitamente raggiunto a velocità laterali del guscio- inferiori rispetto a scambiatori metallici comparabili.

Ciò rende la considerazione delle vibrazioni particolarmente cruciale nella progettazione degli scambiatori in fluoropolimero.

Meccanismo di vibrazione del tubo indotto dal flusso
Il fluido turbolento sul lato del guscio- che scorre attraverso il fascio tubiero induce campi di pressione variabili attorno a ciascuno dei tubi.

Oscillazione e distacco dei vortici
I vortici alternati dietro i tubi forniscono sollecitazioni laterali cicliche. A basse portate queste forze sono deboli e in gran parte innocue.

All’aumentare del numero di Reynolds:

Il livello di turbolenza aumenta

La variazione di pressione sta diventando più pronunciata

Forze oscillanti più coerenti Forze oscillanti più coerenti

Il movimento del tubo inizia a migliorare

Se la frequenza di stimolazione è vicina alla frequenza naturale del tubo si possono verificare fenomeni di risonanza.

Quindi l'ampiezza della vibrazione può aumentare rapidamente e non gradualmente.

Instabilità fluida-elastica: la soglia critica
La velocità critica per l'instabilità elastica del fluido- è uno dei controlli di progettazione più significativi nella progettazione degli scambiatori.

Perché il rischio sta aumentando
Il passaggio all’instabilità non è una linea retta. Al di sotto dello stato critico del flusso, i processi di smorzamento sono dominanti e sopprimono il movimento del tubo. Al di sopra di questo, il fluido stesso inizia a fornire energia al ciclo di oscillazione ad una velocità più rapida di quella che la struttura può dissiparla.

Quindi anche piccoli aumenti della velocità del flusso possono causare ampiezze di vibrazione sproporzionatamente enormi.

Il tubo stesso funge da macchina per prove di fatica, allungandosi ripetutamente a cicli elevati fino a quando non si verificano usura, crepe o danni al supporto.

Effetti tipici di vibrazioni eccessive
Le vibrazioni indotte dal flusso-se non gestite comporteranno:

Fatica nella parete del tubo

Supporta l'usura

Usura abrasiva

Collisione tra tubi-tra-tubi

Guasti dovuti a perdite

Danni al fascio - catastrofici

Il materiale relativamente morbido degli scambiatori in PTFE può essere particolarmente soggetto a usura oscillatoria a lungo-termine nei siti di supporto.

Analisi delle vibrazioni del tubo nel lato mantello dello scambiatore in PTFE in base al numero di Reynolds
Nella progettazione dello scambiatore, il calcolo combinato idraulico e meccanico viene utilizzato per valutare la relazione tra il numero di Reynolds del lato mantello, la vibrazione del tubo e la stabilità dello scambiatore in PTFE.

Parametri che influenzano la soglia critica
Diversi aspetti influenzano l’emergere dell’instabilità.

Influenza delle variabili di progettazione sulle vibrazioni
Velocità del lato guscioForza di eccitazione aumentata
Lunghezza della campata del tubo Campate più lunghe riducono la rigidità
Diametro del tubo Variazioni della frequenza naturale
Densità del fluido Migliore carico dinamico
Spaziatura dei tubiGestione della resistenza alle vibrazioni
Rigidità della parete (PTFE)Influisce sul comportamento alla deflessione
L'interazione di questi componenti è più complicata di una semplice stima-pratica-e richiede un'attenta ricerca ingegneristica.

L'importanza della spaziatura del supporto del tubo
Uno degli strumenti più efficaci per prevenire problemi di vibrazione negli scambiatori in PTFE è la spaziatura dei supporti dei tubi.

Più breve è l'intervallo, maggiore è la frequenza naturale.
Meccanicamente il tubo si comporta come una trave flessibile. La frequenza intrinseca di vibrazione della campata è fortemente influenzata dalla sua lunghezza non supportata.

Aggiunta di ulteriori supporti:

Diminuzione della lunghezza non supportata

La rigidità del tubo è stata aumentata con successo

L'ampiezza della deflessione diminuisce

La frequenza naturale aumenta molto

È importante che la relazione della frequenza naturale sia sensibile alla lunghezza dell'intervallo. Quando la campata non supportata viene ridotta, la frequenza naturale aumenta all’incirca quanto il quadrato dell’impatto di riduzione, quindi la spaziatura dei supporti è una contromisura eccezionalmente potente.

Ciò sposta la frequenza di risonanza del tubo a un livello più alto rispetto alla regione principale di eccitazione turbolenta creata dal flusso lato shell-.

Pratica industriale e linee guida TEMA
L'analisi delle vibrazioni indotte dal flusso è un'attività di routine nella progettazione di scambiatori di calore a fascio tubiero-e-secondo i principi TEMA.

Considerazioni sulla progettazione di TEMA
All’interno del quadro della Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA), le seguenti tecniche di valutazione sono:

Velocità del flusso trasversale

Sensibilità alle vibrazioni 1.

Frequenze naturali di un tubo

Limiti di instabilità elastica dei fluidi

Risposta al distacco dei vortici

Gli stessi concetti di base relativi alle vibrazioni si applicano agli scambiatori in PTFE, tuttavia è necessario tenere conto di ulteriori aspetti specifici del materiale-.

Devono garantire che le condizioni operative di flusso siano lontane dalle regioni critiche di instabilità per il range operativo stimato dello scambiatore.

Ulteriori approcci progettuali per ridurre le vibrazioni
Oltre alla spaziatura dei supporti, esistono numerosi altri approcci spesso utilizzati per limitare il rischio di vibrazioni.

Velocità laterale del guscio ridotta
La diminuzione della velocità laterale del guscio- diminuisce direttamente le forze di eccitazione turbolente e diminuisce il numero di Reynolds.

Ottimizzazione della geometria del deflettore
La spaziatura del deflettore e la geometria del taglio possono influenzare:

Distribuzione del flusso: diagonale

Intensità della turbolenza

Picchi di velocità localizzati

Viene utilizzato un attento bilanciamento idraulico per evitare aree concentrate di eccitazione.

Disposizione a fascio di tubi
La generazione del vortice e l'interazione della scia sono diverse nelle disposizioni a passo triangolare e quadrato. Pertanto, la suscettibilità alle vibrazioni dipende dalla scelta della forma del fascio.

Smorzamento strutturale migliorato
In alcuni progetti di scambiatori vengono forniti elementi di smorzamento aggiuntivi per contribuire a dissipare l'energia oscillatoria prima che vengano soddisfatti i criteri di risonanza.

Gli scambiatori in PTFE richiedono un attento bilanciamento
Gli scambiatori in PTFE sono comunemente selezionati per la loro capacità di gestire condizioni chimiche ostili alle quali i sistemi metallici non sono adatti.

Ma la stessa flessibilità che consente ai tubi in PTFE di assorbire lo stress termico li rende meccanicamente più sensibili alle forze del flusso turbolento.

Di conseguenza, l’ottimizzazione della progettazione deve bilanciare:

Resistenza alla corrosione

Efficienza della trasmissione del calore

Perdita di pressione

Stabilità meccanica

Limiti di velocità del flusso

Velocità laterali aggressive del guscio possono migliorare le prestazioni termiche ma allo stesso tempo aumentare il rischio di vibrazioni.

Riepilogo
Una parte fondamentale della progettazione degli scambiatori di calore in PTFE è la previsione dell'inizio delle vibrazioni generate dal flusso. L'energia del flusso turbolento cresce in modo significativo con l'aumento del numero di Reynolds del lato del guscio. E infine raggiunge un livello in cui le forze fluttuanti del fluido potrebbero eccitare le frequenze intrinseche del fascio tubiero flessibile in PTFE.

L'interazione tra il numero di Reynolds del lato mantello, la vibrazione del tubo e le prestazioni dello scambiatore in PTFE è determinata dalla rigidità del tubo, dall'ampiezza del supporto, dalla velocità del flusso trasversale-e dalla dinamica dei fluidi. Calcoli di progettazione accurati, incluso l'esame della velocità di instabilità elastica del fluido-secondo gli standard TEMA, aiutano a garantire che lo scambiatore funzioni al di sotto di limiti di vibrazione non sicuri.

I supporti delle valvole ravvicinati sono ancora una delle contromisure più efficaci tra tutte quelle disponibili, poiché aumentano drasticamente la frequenza naturale delle valvole e riducono l'ampiezza di deflessione. Con la giusta progettazione idraulica e meccanica, uno scambiatore in PTFE può essere molto silenzioso e affidabile per molti anni.

Il flusso silenzioso è generalmente l'indicatore più evidente del fatto che un fascio tubiero funziona in modo sicuro entro i limiti di progettazione nei sistemi di trattamento termico.