Come progettare uno scambiatore in PTFE per un'applicazione a bordo di una nave con forti beccheggi e rotolamenti?

Uno scambiatore di calore per il funzionamento continuo
Uno scambiatore di calore su una nave non è mai fermo. La nave rolla, beccheggia, imbarda e si solleva costantemente in quanto risponde al carico delle onde e ai diversi stati del mare. Questi movimenti pongono tutte le apparecchiature installate in un ambiente di fatica costante e multi-direzionale e ogni parte dell'apparecchiatura al suo interno diventa una prova di stress dinamico di lunga-durata.

Un normale fascio tubiero orizzontale leggermente supportato verrebbe rapidamente danneggiato in tali condizioni da colpi ripetuti, vibrazioni e sfregamento del supporto. Pertanto uno scambiatore in PTFE adatto al funzionamento marino deve essere progettato come un sistema strutturalmente integrato con i suoi componenti interni vincolati e le sue parti esterne installate come un'unica unità meccanica rigida.

Un dispositivo di beccheggio e rollio a bordo dello scambiatore in PTFE correttamente progettato deve essere considerato una nave all'interno di una nave. Ogni tubo e ogni struttura di supporto devono essere protetti per il carico continuo di tipo temporalesco.

Lo scambiatore deve essere un blocco robusto e autonomo, rinforzato all'interno come lo scafo di una nave, per resistere all'incessante e lento terremoto del movimento dell'oceano.

Perché è necessaria una filosofia di progettazione speciale per il movimento a bordo della nave
Condizioni di carico dinamico multi-assiale
A differenza delle installazioni terrestri-, i sistemi marini sono soggetti a complicati schemi di movimento, tra cui:

Rotolamento (rotazione da lato-a-lato)

Roll (rotazione laterale)

Traslazione verticale (sollevamento)

Imbardata (rotazione attorno ad un asse orizzontale)

Incidenti improvvisi di onde forti

Questi movimenti sono controllati dai parametri di stabilità del vaso (es. altezza metacentrica). Questi determinano il periodo di rollio e l'accelerazione angolare. Angoli di rollio ampi possono generare grandi forze inerziali all'interno degli involucri dell'apparecchiatura.

I componenti degli scambiatori interni senza specifica modifica progettuale possono essere soggetti a:

Sfregamenti e vibrazioni del tubo

rottura per fatica del deflettore

Estremità dei tiranti allentate

Piegatura della piastra di supporto

Carico d'urto dei tubi adiacenti

Il design preferito è la configurazione con tubo a U-verticale
Stabilità Gravità-Movimento assistito
Un orientamento verticale è particolarmente desiderato per le applicazioni a bordo di navi. In questa disposizione il flusso del fluido verso l'alto garantisce che il guscio sia sempre completamente allagato e l'effetto della gravità aiuterà a stabilizzare la distribuzione del fluido all'interno del vaso durante il movimento del vaso.

I vantaggi dell'orientamento verticale includono:

Riduzione degli effetti di sloshing laterale

Stabilità di fase migliorata

Rischio ridotto di generazione di sacche di vapore

Dispersione del calore più uniforme in circostanze di inclinazione

Il fascio di tubi a U- rimuove lo stress fisso sulla piastra tubiera
Nel servizio marittimo, è comune selezionare un fascio di tubi a U- poiché consente:

Dilatazione termica indipendente dei tubi

Rimozione della concentrazione fissa dello stress sulla piastra tubiera

ridotti carichi di fatica termica

Migliore tolleranza ai movimenti strutturali

La conformità meccanica del segmento della curva a U-flottante è vantaggiosa durante i cicli termici e meccanici combinati.

Rinforzo interno contro il movimento della nave
La distanza ravvicinata dei supporti dei tubi previene i danni dovuti alle vibrazioni.
In circostanze di forte rollio, il movimento della nave aumenta considerevolmente la probabilità di interazione tra tubi-tra-. Per compensare ciò, le piastre di supporto dei tubi devono essere distanziate più ravvicinate rispetto agli scambiatori a terra.

Importanti effetti di progettazione sono:

Distanza tra i tubi ridotta senza supporto

Aumentata la frequenza naturale della vibrazione del tubo

Occorrenze di rollio di oscillazione di ampiezza inferiore

Carico transitorio: prevenzione dello schiaffo del tubo

I supporti sono sufficientemente vicini da far sì che i tubi agiscano come un fascio confinato anziché come parti flessibili indipendenti.

Robusti sistemi di deflettori e tiranti
I deflettori e i tiranti devono essere progettati per avere una forte resistenza alla fatica derivante dal movimento ciclico della nave.

Requisiti di progettazione:

Maggiore spessore strutturale dei deflettori

Set tiranti di bloccaggio

Dispositivi di bloccaggio contro l'allentamento

Saldatura rinforzata e punto di attacco

Selezione di elementi di fissaggio resistenti alle vibrazioni

L'equipaggiamento marittimo deve essere di elevata integrità e le società di classificazione come DNV, ABS e Lloyd's Register stabiliscono criteri severi. I micro-movimenti possono causare l'allentamento degli elementi di fissaggio e per evitare ciò è necessario utilizzare sistemi di bloccaggio meccanico o cavi di sicurezza.

Montaggio sismico equivalente per il servizio marittimo
Carico sismico continuo dei movimenti della nave
Il montaggio delle apparecchiature di bordo è spesso considerato paragonabile alla progettazione sismica delle strutture terrestri. L'accelerazione del rollio e i carichi d'urto sono forze inerziali uguali che devono essere trasmesse attraverso la struttura di supporto.

Le crescenti considerazioni sulla progettazione includono:

Carichi di punta sugli angoli di rollio e di beccheggio

Miglioramento dell'accelerazione dinamica

Carico a fatica durante la vita utile di una nave

Carico d'urto dovuto all'impatto delle onde

Costruzione del telaio di base per carichi pesanti
Lo scambiatore completo dovrà essere installato su un telaio di supporto rigido, di classe navale-, progettato per la distribuzione dei carichi nella struttura della nave.

Le caratteristiche comuni sono:

Elementi strutturali rinforzati con tassello-

Telai, acciaio, basi saldate

Cuscinetti di montaggio antivibranti-.

Piastre di base per la distribuzione del carico

Punti di collegamento-strutturale alla struttura dello scafo

L'obiettivo è prevenire concentrazioni di tensioni locali e fornire un trasferimento uniforme del carico nella griglia strutturale della nave.

Fatica della vita operativa marina
Carico di fatica a lungo termine-in movimento continuo
Anche se le forze istantanee rientrano nei limiti accettabili, il carico ciclico per migliaia di ore può causare danni da fatica:

Supporti per tubi

Giunti saldati

Connettori staffa

Gruppi di tiranti-

Montaggio interfacce

L'analisi della vita a fatica sta diventando un aspetto chiave del processo di progettazione, in particolare per le navi che operano in condizioni marine estreme.

Risonanza: perché è importante evitarla
Le frequenze inerenti alle strutture interne dovrebbero essere ben separate dalle principali frequenze eccitanti del movimento della nave. Le circostanze di risonanza possono prendere movimenti minori e amplificarli in oscillazioni distruttive.

Le strategie di progettazione sono:

Maggiore rigidità della struttura

Periodi non ridotti

Aggiunta di interfacce di smorzamento

Ottimizzazione della distribuzione di massa

Selezione di materiali e polimeri per sistemi PTFE
La flessibilità del PTFE aiuta il movimento marino
I materiali dei tubi in PTFE presentano un vantaggio-intrinseco negli ambienti marittimi in quanto sono:

• Eccellente resistenza chimica

Flessibilità sotto carichi ciclici

Resistenza alla corrosione atmosferica marina

La bassa energia superficiale riduce i rischi di incrostazione

Il PTFE necessita comunque di vincoli meccanici per evitare movimenti eccessivi sotto carichi dinamici.

Effetto di accoppiamento termico-meccanico
La combinazione dell'espansione termica e del movimento della nave determina circostanze di carico complesse. La flessibilità del tubo a U-consente l'espansione termica e i supporti strutturali si prendono cura del movimento meccanico e quindi della stabilità del sistema durante il funzionamento.

Conformità alle società di classificazione
Criteri di progettazione navale richiesti
Gli scambiatori in PTFE per applicazioni a bordo devono soddisfare gli standard della società di classificazione che possono includere:

Verifica dell'integrità strutturale (DNV, ABS, Lloyd's Register)

Approvazione dell'analisi delle vibrazioni e della fatica

Qualificazione del carico d'urto

Requisiti per la tracciabilità dei materiali

Standard di saldatura e fabbricazione

Questi requisiti specificano che le apparecchiature possono durare per tutta la vita operativa della nave in circostanze ambientali specificate.

Riepilogo
Uno scambiatore in PTFE di bordo per forti beccheggi e rotolamenti è fondamentalmente una macchina termica robusta, montata verticalmente e rinforzata internamente. Il carico di fatica multi-assiale continuo è gestito da una struttura con tubi a U-, supporti dei tubi ravvicinati, sistemi di deflettori rinforzati e un telaio di montaggio accuratamente costruito.

La tecnica di progettazione del beccheggio e rotolamento dello scambiatore in PTFE a bordo della nave converte lo scambiatore in un unico sistema strutturale in grado di gestire il movimento continuo, i carichi che sbattono occasionalmente e l'usura vibrazionale a lungo-termine dell'ambiente marittimo.