Come selezionare il design corretto del giunto di dilatazione per un guscio scambiatore in PTFE della piastra tubiera fissa?

Uno scambiatore di calore a piastra tubiera in PTFE fisso- è meccanicamente semplice e spesso economicamente interessante, ma il design comporta un conflitto termico di base. I tubi in PTFE si espandono fortemente all'aumentare della temperatura, ma il guscio di acciaio circostante si espande molto poco. Se il movimento è limitato, il disadattamento può causare un tremendo stress assiale. Alcune parti dello scambiatore devono piegarsi per assorbire questa dilatazione differenziale. La risposta è un giunto di dilatazione a soffietto metallico saldato nel guscio - un segmento flessibile, a fisarmonica-che si espande e si contrae mentre il fascio di tubi in PTFE respira termicamente durante il funzionamento.

Il gruppo del soffietto è il singolo componente meccanico più importante dell'intero sistema di scambiatori per qualsiasi selezione di scambiatori in PTFE con piastra tubiera fissa e giunto di dilatazione.

Perché sono necessari giunti di dilatazione sugli scambiatori in PTFE
Estrema dilatazione termica del PTFE
Il coefficiente di dilatazione termica del PTFE è molto più elevato rispetto all'acciaio al carbonio o all'acciaio inossidabile. I tubi in PTFE possono espandersi di parecchie volte rispetto alla struttura del guscio che li circonda con i cambiamenti della temperatura di funzionamento.

Senza un sistema di compensazione flessibile, potrebbero sorgere problemi significativi:

Distorsioni nella piastra tubiera

Rottura del tubo

Forze assiali eccessive

Rompere il guscio

Fatica della saldatura

Guasti dovuti a perdite

Il giunto di dilatazione è la zona dei movimenti controllati e non consente la concentrazione degli stress termici nel corpo scambiatore.

Il soffietto come confine di pressione flessibile
I soffietti sono i polmoni metallici dello scambiatore, inspirano ed espirano ad ogni ciclo termico, pur mantenendo l'integrità della barriera di pressione. Finché esiste la flessibilità adeguata, il fascio tubiero in PTFE può espandersi e contrarsi naturalmente senza-sollecitare eccessivamente il guscio.

Questa adattabilità deve essere progettata deliberatamente, piuttosto che imitata con tubazioni generiche.

Criteri chiave di progettazione per la scelta dei giunti di dilatazione
Corsa completa sull'asse
Il parametro più critico nel dimensionamento del giunto di dilatazione è la capacità di movimento assiale. Il soffietto deve sopportare in modo sicuro l'espansione termica totale stimata dovuta ai tubi in PTFE nell'intero intervallo di temperature operative.

I calcoli di progettazione tipici tengono conto di:

Lunghezza del tubo

Coefficiente di dilatazione termica del PTFE

Differenze di temperatura all'avvio

Contrazione allo spegnimento

Situazione sconvolta del processo

Temperatura massima di progetto (MDT)

Un viaggio troppo breve potrebbe allungare eccessivamente il soffietto o provocare guasti a causa della fatica da compressione.

Perché ci piacciono i soffietti-a parete singola-spessa
Requisiti di resistenza alla pressione
Per gli scambiatori a piastra tubiera in PTFE fissa-, i soffietti sono soggetti alla pressione del guscio interno ma sono anche in grado di muoversi. I soffietti sottili e multistrato-, spesso utilizzati nei sistemi di tubazioni a bassa pressione, potrebbero non essere sufficientemente robusti per questo scopo.

Per questo motivo spesso vengono adottati soffietti-a strato singolo-a parete spessa.

I vantaggi includono:

Maggiore resistenza strutturale

Migliore contenimento della pressione

Maggiore tolleranza alla corrosione

Migliore gestione della resistenza ai danni

Minore suscettibilità alla separazione degli strati

Il gruppo a soffietto non è solo un connettore flessibile. È una sezione di un recipiente a pressione che è contemporaneamente soggetta a carichi di calore, pressione e fatica.

Selezione del materiale del soffietto
Perché l'acciaio inossidabile 316L è così comune
Il materiale più popolare per i soffietti del guscio dello scambiatore è l'acciaio inossidabile 316L poiché offre un mix di:

Resistenza alla corrosione

Abilità di saldatura

Caratteristiche di fatica

Disponibilità:

Piegabilità meccanica

La resistenza alla corrosione atmosferica è quindi un fattore cruciale poiché i soffietti si trovano normalmente sul lato del guscio esterno anziché a diretto contatto con i prodotti chimici aggressivi del processo.

Pericoli di corrosione esterna
L’ambiente dell’impianto in cui sono ubicati i soffietti può esporli a:

Fumi acidi

Sale-forte umidità

Lavare i prodotti chimici

* Procedura in caso di fuoriuscite

Contaminazione da cloruro

In particolare i cloruri in tracce sono molto dannosi in quanto possono causare rotture da tensocorrosione esterna dei soffietti in acciaio inossidabile sotto sforzo di trazione.

Il processo di selezione dei materiali deve quindi considerare sia il processo di lavoro che l'esposizione ambientale attorno all'installazione dello scambiatore.

Progettazione della vita a fatica e della convoluzione
Il ruolo della geometria della convoluzione
Le convoluzioni sono le ondulazioni che si comprimono e si estendono con il movimento del calore per creare la flessibilità del soffietto.

La progettazione dovrà consistere di:

Numero di convoluzioni

Altezza di convoluzione

Forma del passo

Spessore delle pareti

Costante assiale della molla

Troppe poche spire possono causare troppa rigidità e troppe spire possono causare una minore capacità di pressione e resistenza alla fatica.

Problemi di ciclismo termico
Gli scambiatori sottoposti a numerosi avviamenti-, arresti o condizioni di processo batch sono soggetti a ripetuti cicli di temperatura che causano sollecitazioni cicliche al materiale del soffietto.

Per le applicazioni-a cicli elevati, sono necessari design a soffietto resistenti alla fatica.

Altre misure ingegneristiche possono includere:

Forma ottimizzata della convoluzione

Aree di concentrazione dello stress ridotte

Migliore controllo della qualità della saldatura

Restrizioni al movimento

Sezioni di collari rinforzati

La rottura per fatica di solito avviene progressivamente con l'innesco di cricche nelle radici della convoluzione fortemente sollecitate.

Conformità agli standard EJMA e ASME
Criteri di progettazione EJMA
I giunti di dilatazione nei gusci degli scambiatori di mantenimento della pressione devono essere progettati in conformità con i criteri specificati dalla Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA).

L’approccio EJMA fornisce suggerimenti riguardanti:

Calcolo dello stress

Analisi della fatica

Valutazione della pressione

Restrizioni al movimento

Previsione della forza della molla

Previsione del ciclo di vita

ASME Appendice 26
Nelle applicazioni per recipienti a pressione, l'Appendice 26 ASME può anche guidare la progettazione del soffietto e consentire la valutazione delle sollecitazioni.

L'uso di codici di progettazione consolidati aiuta a garantire che il giunto di dilatazione sia considerato un componente di pressione completamente progettato e non un elemento accessorio.

Protezione dei soffietti da danni meccanici
Il significato delle protezioni esterne
Danni meccanici esterni alle spire del soffietto dovuti a utensili, traffico pedonale, caduta di oggetti o lavori di manutenzione potrebbero causare vulnerabilità.

Pertanto il gruppo a soffietto dovrà essere dotato di un carter protettivo esterno.

La copertura protegge da:

Danni da impatto

Deformazione accidentale

Accumulo di detriti

Esposizione agli agenti atmosferici

Contatto del personale.

La protezione fisica è vitale per l'affidabilità a lungo termine poiché piccole ammaccature o deformazioni possono ridurre notevolmente la durata a fatica.

Perché-i-giunti di dilatazione sugli scaffali non funzionano
Requisiti ingegneristici personalizzati
Uno scambiatore fisso-a piastra tubiera in PTFE porta a condizioni di carico molto specializzate di:

Elevato sfasamento termico

Pressione »

Caricamento ciclico

Esposizione ad ambienti corrosivi

Agitazione meccanica

I giunti di dilatazione per tubazioni-pro-di serie raramente sono adeguati durante il servizio perché non sono destinati a soddisfare i requisiti combinati di movimento e pressione del servizio dello scambiatore in PTFE.

Invece, ciascun gruppo a soffietto dovrebbe essere costruito per adattarsi alla geometria dello scambiatore e alle condizioni operative.

Riepilogo
Il giunto di dilatazione è il collegamento flessibile costruito in modo ingegnoso che supera il dilemma di base dello stress termico con uno scambiatore di calore in PTFE a piastra tubiera fissa-. Il soffietto compensa in modo sicuro la grande differenza di aumento della temperatura tra i tubi in PTFE e il guscio in acciaio circostante e previene un carico meccanico dannoso sullo scambiatore mantenendo l'integrità della pressione.

La scelta di uno scambiatore in PTFE a piastra tubiera fissa con un giunto di dilatazione adeguatamente dimensionato è il risultato di un'attenta considerazione della capacità di corsa assiale, dello spessore delle pareti, della geometria della convoluzione, della resistenza alla fatica, alla resistenza alla corrosione e al rispetto degli standard di progettazione EJMA o ASME. Altrettanto cruciali per una durata di servizio a lungo-termine sono un'adeguata protezione esterna e la compatibilità ambientale.

Una delle macchine più affidabili nell'ingegneria delle apparecchiature termiche è spesso quella destinata ad accogliere il proprio movimento interno con grazia, anziché resistervi rigidamente.