Perché gli scambiatori di calore in PTFE sviluppano perdite di bypass e come vengono corrette?

La perdita di bypass non è una perdita verso l'ambiente esterno, ma un fluido lato interno-cut-shell-che scorre attorno al fascio tubiero anziché attraverso di esso. Questo bypass interno comporta una perdita di superficie di scambio termico e una riduzione dell'efficacia dello scambiatore ma non è visibile dall'esterno. È importante conoscere le vie e le cause dei problemi dello scambiatore di calore PTFE con perdite di bypass per diagnosticare la perdita di prestazioni e pianificare riparazioni efficaci. Questo articolo illustra i canali di perdita comuni, le cause delle perdite e le fasi di riparazione per ripristinare le prestazioni termiche.

Perdite di bypass: cos'è e perché è importante?
In uno scambiatore di calore a fascio tubiero--, si suppone che il fluido lato mantello- scorra attraverso il fascio tubiero, diretto da deflettori. Le perdite di bypass si verificano quando parte del fluido non tocca i tubi, perché scorre lungo un percorso più breve e con una resistenza inferiore. Il fluido esce dallo scambiatore con una variazione di temperatura piccola o nulla, che diminuisce la velocità di trasferimento del calore complessiva.

Le perdite del bypass sono dannose, soprattutto per gli scambiatori di calore in PTFE che hanno già una conduttività termica inferiore rispetto alle unità metalliche. Un flusso di bypass del 20% può ridurre il coefficiente di scambio termico effettivo del 25–35% poiché il fluido bypassato non prende parte allo scambio di calore. Il problema è interno e non può essere individuato mediante un'ispezione visiva esterna o un test della pressione, ma solo mediante il monitoraggio delle prestazioni termiche o un esame interno.

Percorsi di dispersione del bypass primario dello scambiatore di calore in PTFE
Il fluido lato guscio- può bypassare il fascio tubiero in tre modi diversi.

1. Spazio dal fascio-al-shell (bypass anulare)
C'è sempre uno spazio tra i tubi più esterni e la parete interna del guscio. Questo spazio anulare è necessario per l'inserimento e la rimozione del fascio tubiero. Questo spazio viene riempito in uno scambiatore ben costruito con strisce di tenuta (a volte chiamate guarnizioni di bypass) o tubi fittizi che limitano il flusso. Le strisce di tenuta sono spesso barre piatte di acciaio o strisce riempite di PTFE- fissate ai deflettori, che sporgono verso l'esterno e entrano in contatto con la parete del guscio.

Quando le strisce di tenuta sono mancanti, usurate o strappate, il fluido lato mantello scorre facilmente attraverso l'intercapedine anulare senza entrare nel fascio tubiero. Questa è la tangenziale principale.

2. Distanza tra il deflettore e il guscio
I deflettori non si adattano perfettamente al guscio. Viene fornito un piccolo spazio (solitamente 1–3 mm) per consentire il montaggio e l'espansione termica. Il fluido potrebbe fuoriuscire dai bordi di ciascun deflettore, in particolare dalla parte superiore e inferiore dove si verifica il taglio del deflettore. Le perdite negli scambiatori nuovi sono modeste (2-5% della portata totale). Se, tuttavia, i deflettori vengono danneggiati, attorcigliati, corrosi o erosi, il gioco aumenterà e il flusso di bypass aumenterà considerevolmente.

Il colpo d'ariete (colpo di vapore), i corpi estranei trasportati nel fluido lato mantello e la corrosione dei componenti metallici del deflettore possono causare danni ai deflettori dello scambiatore di calore in PTFE (i tubi in PTFE non si corrodono, ma i deflettori metallici e le piastre di supporto sì).

3. Distanza dal tubo al deflettore
Ciascun deflettore ha un foro attraverso il quale scorre un tubo in PTFE. Per consentire il movimento del tubo flessibile in PTFE ed evitare che si inceppi durante l'espansione termica è necessario uno spazio compreso tra 0,2 e 0,5 mm. Questi piccoli fori anulari possono consentire la fuoriuscita del fluido. Le perdite dal tubo al deflettore sono generalmente un contributo minore al bypass nella maggior parte dei progetti (di solito<5% of total bypass) due of the pressure drop across each baffle forcing flow down the many tube holes. However, the cumulative effect can be significant in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.

Ragioni per gli scambiatori di calore con perdite di bypass in PTFE
L’esame interno di solito rivela una o più delle seguenti condizioni:

Guarnizioni usurate o mancanti
Le strisce di tenuta vengono fissate ai deflettori con viti, clip o saldature. Le viti possono allentarsi nel tempo, i fermagli possono guastarsi o le strisce stesse possono corrodersi o deteriorarsi. In alcuni gruppi-riparati sul campo, le strisce di tenuta potrebbero non essere state reinstallate-dopo la ri-tubazione. Si scopre regolarmente che le strisce di tenuta sono presenti solo su alcuni deflettori o sono completamente assenti.

Deflettori danneggiati,
I deflettori possono essere rotti da:

Martello a vapore: onde d'urto ripetute possono piegare o frantumare i deflettori metallici vicino alle aperture del tubo.

Corrosione - I deflettori in acciaio possono assottigliarsi e perdere forma in caso di utilizzo corrosivo (anche con tubi in PTFE).

Impatto meccanico - I deflettori potrebbero piegarsi durante l'inserimento o la rimozione del fascio se non allineati correttamente.

Non adattandosi più perfettamente al guscio, un deflettore piegato crea uno spazio considerevole. Un deflettore rotto potrebbe avere parti mancanti che consentiranno il flusso.

Ampia distanza dal guscio rispetto al design originale
Alcuni degli scambiatori di calore in PTFE a basso costo-sono costruiti con spazi eccessivi tra fascio-e-involucro per facilitarne la produzione. Può esserci uno spazio di 10 mm o più. Le strisce di tenuta mancano o sono troppo piccole. In queste situazioni, le perdite del bypass rappresentano una caratteristica di progettazione e non possono essere completamente eliminate senza una riprogettazione importante.

Come diagnosticare una perdita di bypass senza aprire lo scambiatore
Se si sospetta una perdita del bypass:

La velocità di trasferimento del calore, calcolata dalle temperature di ingresso/uscita e dalle portate, è molto inferiore al valore di progetto, anche se i tubi sono puliti e non ci sono perdite esterne.

La caduta di pressione sul lato mantello è inferiore alle letture storiche alla stessa portata. Una minore caduta di pressione significa che il fluido scorre attraverso un canale con minore resistenza (bypass).

La variazione di temperatura del fluido lato-del guscio (ΔT) non è quella prevista e la temperatura di uscita del lato-tubo è analogamente fuori target.

Innanzitutto, è fondamentale escludere spiegazioni alternative per le scarse prestazioni: incrostazioni, intrappolamenti di non-condensabili o velocità di flusso inferiori. Se scompaiono, probabilmente si tratta di una perdita del bypass.

Azioni correttive per bypassare le perdite
La corretta riparazione dipende dalla gravità e dall'accessibilità del fascio tubiero.

1. Sostituzione delle strisce di tenuta (soluzione più comune)
Per gli scambiatori con fasci tubieri estraibili è possibile inserire o togliere le guarnizioni durante lo spegnimento programmato. Il processo è:

Il coperchio del guscio viene rimosso ed il fascio tubiero estratto.

I deflettori vengono ispezionati. Pulire i detriti e la corrosione dalle scanalature della striscia di tenuta esistente.

Nuove strisce di tenuta (spesso tessuto impregnato di PTFE, strisce di molle metalliche o barre solide di PTFE) vengono tagliate alla lunghezza richiesta e inserite nelle fessure su ciascun deflettore. Le strisce devono sporgere per entrare in contatto con la parete interna del guscio con una piccola interferenza (compressione di 0,2–0,5 mm).

Le strisce vengono fissate in posizione mediante viti o pallinando i bordi del deflettore (per strisce metalliche). Alcuni modelli trattengono le strisce grazie alla pressione del guscio contro il deflettore.

Si reinstalla il fascio e si testa lo scambiatore.

Questa riparazione normalmente recupera il 90-100% delle prestazioni perse se i deflettori non sono danneggiati.

2. Riparazione o sostituzione del deflettore
Le strisce di tenuta da sole non possono riparare i deflettori piegati, fratturati o corrosi. I deflettori danneggiati devono essere riparati o sostituiti. Per gli scambiatori di calore in PTFE i diaframmi sono generalmente realizzati in metallo (acciaio inox o acciaio al carbonio) che può essere:

Raddrizzato: le piccole pieghe possono essere appiattite in una pressa idraulica.

Saldato - Le crepe vengono saldate e levigate. Fare attenzione a non distorcere il deflettore.

Sostituito – I deflettori gravemente danneggiati vengono tagliati dal fascio e nuovi deflettori vengono avvitati sui tubi in PTFE. Si tratta di un'operazione-intensa in termini di manodopera, spesso eseguita durante un ritubamento completo.

Dopo la riparazione del deflettore vengono installate nuove strisce di tenuta.

3. Shell-Regolazione del flusso laterale (mitigazione temporanea)
Per le situazioni in cui non è possibile lo smontaggio immediato, le regolazioni operative possono parzialmente compensare le perdite del bypass. L'aumento della portata del lato mantello- aumenta la velocità sia attraverso il fascio tubiero che attraverso gli spazi di bypass. Poiché la caduta di pressione aumenta con il quadrato della velocità, una portata maggiore può migliorare la proporzione del fluido che attraversa effettivamente i tubi. Tuttavia, ciò non risolve la causa principale e aumenta l’energia di pompaggio. È considerata solo una misura temporanea.

4. Riprogettazione per gravi problemi di liquidazione
Negli scambiatori con gioco del mantello intrinsecamente sovradimensionato (design originale scadente), si può tentare l'aggiornamento con strisce di tenuta più spesse o l'installazione di tubi fittizi nello spazio anulare. I tubi fittizi sono brevi tratti di tubo in PTFE posizionati nei fori più esterni del tubo ma sigillati alle estremità della piastra tubiera in modo che nessun fluido possa fluire attraverso di essi. Occupano spazio e bloccano il bypass. Questo approccio richiede la realizzazione di fori aggiuntivi nei deflettori e nelle piastre tubiere e viene solitamente eseguito da un'officina specializzata.

Descrizione del diagramma in sezione-trasversale (rappresentazione del testo)
La seguente descrizione illustra i percorsi di bypass in un tipico scambiatore di calore a guscio-e-tubo in PTFE visto in una sezione trasversale-:

Il cerchio esterno rappresenta la parete interna del guscio.

All'interno, una serie circolare di piccoli cerchi rappresenta i tubi in PTFE.

Lo spazio tra i cerchi del tubo più esterni e la parete interna del guscio è la distanza tra il fascio-e-il guscio (percorso di bypass anulare). In uno scambiatore ben-progettato, le strisce di tenuta (rappresentate come piccoli rettangoli attaccati al deflettore) sporgono in questo spazio, quasi toccando la parete dell'involucro.

Un deflettore è rappresentato come una linea orizzontale che attraversa l'interno del guscio, con ritagli (la finestra del deflettore) in alto e in basso. Il fluido che scorre attorno ai bordi del deflettore-attraverso il deflettore-fino alla-distanza dal guscio-viene mostrato come frecce che passano tra la punta del deflettore e la parete del guscio.

Piccole frecce tra i singoli tubi e il deflettore rappresentano le perdite dal tubo-al-deflettore.

Le strisce di tenuta bloccano il bypass anulare. Quando mancano, le frecce grandi indicano il flusso non ostruito attraverso lo spazio anulare.

Prevenzione delle perdite di bypass
È meglio prevenire le perdite del bypass durante la progettazione e l'assemblaggio iniziale:

Specificare la costruzione TEMA di classe R o B: questi standard definiscono gli spazi massimi e richiedono strisce di tenuta per diametri del guscio superiori a una certa dimensione.

Utilizzare doppie strisce di tenuta: due file di strisce di tenuta per deflettore forniscono ridondanza.

Ispezionare le strisce di tenuta durante il ritubamento: eventuali strisce mancanti o danneggiate vengono sostituite prima del riassemblaggio.

Evitare il colpo d'ariete: come discusso nelle guide correlate, il colpo d'ariete danneggia i deflettori e allenta gli attacchi delle strisce di tenuta.

Un'ispezione interna periodica (ogni 3-5 anni) dovrebbe includere il controllo della tenuta delle strisce di tenuta e delle condizioni dei deflettori. Se si sospetta in anticipo una perdita del bypass, è possibile confrontare un test di caduta di pressione a una portata nota con i dati di riferimento.

Conclusione
Le perdite del bypass sono un problema di progettazione e manutenzione che degrada silenziosamente le prestazioni dello scambiatore di calore in PTFE. I percorsi principali sono il passaggio dal fascio-al-shell (bypass anulare) e il passaggio dal deflettore-al-shell. Le cause più comuni sono le strisce di tenuta mancanti o usurate e i deflettori danneggiati. L'ispezione interna spesso rivela questi problemi. Le azioni correttive includono la sostituzione delle strisce di tenuta, la riparazione o la sostituzione dei deflettori danneggiati e, come misura temporanea, l'aumento del flusso laterale del guscio-. Per gravi problemi di spazio, potrebbero essere necessari tubi fittizi o una riprogettazione. Un problema dello scambiatore di calore in PTFE con perdite di bypass può ridurre il trasferimento di calore del 10–30%, ma nella maggior parte dei casi è completamente correggibile durante un'interruzione pianificata. Una corretta fabbricazione con adeguate strisce di tenuta e un'ispezione interna periodica preservano l'efficienza termica e prolungano la durata.