La vibración que va y viene
Los operadores informan que un intercambiador de calor de PTFE en un tanque de niquelado agitado vibra visiblemente-pero solo cuando el agitador funciona a ciertas velocidades. A 45 RPM, los tubos están quietos. A 60 RPM, se desarrolla una oscilación de baja-frecuencia en las filas de tubos exteriores. A 80 RPM la vibración vuelve a desaparecer. La vibración es intermitente no porque sea aleatoria, sino porque depende de que la velocidad del agitador coincida con una condición específica para la formación de vórtices de las palas del impulsor.
La vibración es más que una curiosidad. La vibración inducida por el flujo- somete los tubos de PTFE a tensiones de flexión cíclica en las placas de soporte. A lo largo de miles de ciclos, el estrés acumula daños por fatiga. Los tubos que vibran con una amplitud visible pueden fallar prematuramente en los puntos de contacto de los soportes.
Diagnosticar la fuente de vibración y su coincidencia de frecuencia con la frecuencia natural del tubo permite una solución específica:-cambiar ligeramente la velocidad del agitador, modificar el impulsor o agregar un deflector de flujo-que elimina la resonancia sin cambios importantes en el equipo.
El mecanismo de desprendimiento de vórtices
Un impulsor agitador crea un campo de flujo con fluctuaciones periódicas de velocidad. Cuando cada pala del impulsor pasa por un punto determinado, genera un pulso de presión. La frecuencia de estos pulsos es la frecuencia de paso de las aspas-: BPF=(RPM/60) × número de aspas. Un impulsor de 4-palas a 60 RPM produce una frecuencia de paso de palas de 4 Hz.
Además de la frecuencia de paso de las aspas-, el impulsor genera vórtices desde las puntas de sus aspas. La frecuencia de generación de vórtices es proporcional a la velocidad de la punta de la pala dividida por el ancho de la pala. Para un agitador típico, la frecuencia de generación de vórtices es de 5 a 20 Hz, dependiendo del diámetro y la velocidad del impulsor.
Si la frecuencia de paso de las aspas-o la frecuencia de generación de vórtices coincide con la frecuencia natural de un tubo de PTFE en el intercambiador de calor adyacente, se produce resonancia. El tubo oscila a su frecuencia natural con una amplitud determinada por la entrada de energía del flujo. La oscilación es más pronunciada en los tubos más cercanos al impulsor y disminuye con la distancia.
| Parámetro de vibración | Valor para el ejemplo de diagnóstico |
|---|---|
| Tipo de agitador | Turbina de 4-palas de palas inclinadas |
| Diámetro del impulsor | 0.8 m |
| Rango de velocidad del agitador | 40-120 RPM |
| Blade-rango de frecuencia de paso | 2,7-8,0 Hz |
| Rango de frecuencia de desprendimiento de vórtices | 6-18Hz |
| Frecuencia natural del tubo de PTFE (10 mm de diámetro exterior, 1 mm de pared, 400 mm de luz) | ~4,5Hz |
| Condición de resonancia | La frecuencia de paso de la hoja-a ~68 RPM coincide con 4,5 Hz. |
| Velocidad de vibración observada | 60-75 RPM |
El método de medición diagnóstica
El procedimiento de diagnóstico mide la frecuencia de vibración real de los tubos de PTFE y la compara con las frecuencias de excitación del agitador calculadas. Un acelerómetro conectado a un tubo representativo (con el tanque drenado hasta el nivel de medición o usando un acelerómetro impermeable) registra el espectro de vibración durante el funcionamiento del agitador a varias velocidades.
El espectro de vibración muestra un pico en la frecuencia natural del tubo si se produce resonancia. La amplitud máxima es mayor a la velocidad del agitador que hace coincidir la frecuencia de excitación con la frecuencia natural. Un gráfico en cascada-espectros de vibración apilados verticalmente para cada velocidad del agitador-revela la condición de resonancia como un pico que sube y baja a medida que la velocidad pasa por el rango crítico.
Si la medición con acelerómetro no es factible, un método más simple utiliza un estroboscopio. El estroboscopio se dirige a los tubos vibratorios y se ajusta hasta que se congela el movimiento aparente. La frecuencia del destello a la que se produce la congelación es igual a la frecuencia de vibración. Esto se compara con las frecuencias calculadas de paso de las aspas y de generación de vórtices para identificar la fuente de excitación.
Estrategias de mitigación
Una vez que se identifican la fuente de excitación y la condición resonante, hay varias opciones de mitigación disponibles. Cambiar la velocidad del agitador para evitar el rango crítico es la solución más sencilla y, a menudo, más práctica-cambiar de 68 RPM a 55 RPM u 80 RPM, por ejemplo. El proceso debe tolerar el cambio en la intensidad de la mezcla.
Agregar un deflector de flujo o un deflector entre el impulsor y el intercambiador de calor interrumpe el desprendimiento organizado del vórtice antes de que llegue a los tubos. Una simple placa perforada o rejilla de barras, colocada a 150-300 mm del impulsor, rompe la estructura del flujo periódico.
La modificación del espaciado de los soportes de los tubos cambia la frecuencia natural del tubo, alejándolo de la frecuencia de excitación. Reducir el alcance de 400 mm a 300 mm aumenta la frecuencia natural en aproximadamente un 75 %, muy por encima del rango de frecuencia de paso de la hoja-.
Resumen
La vibración intermitente del tubo en un intercambiador de calor de PTFE cerca de un agitador es causada por el desprendimiento de vórtices o la frecuencia de paso de las palas-que coincide con la frecuencia natural del tubo. El diagnóstico utiliza la medición con acelerómetro o la observación estroboscópica para confirmar la condición de resonancia e identificar la velocidad crítica del agitador. Las opciones de mitigación incluyen ajuste de velocidad, instalación de deflector de flujo o reducción del espacio entre soportes. Abordar la vibración evita-daños por fatiga a largo plazo en los tubos de PTFE.
El soporte de ingeniería para el diagnóstico y la mitigación de vibraciones en instalaciones específicas de intercambiadores de calor de PTFE está disponible previa presentación de las especificaciones del agitador, la geometría del impulsor, las dimensiones de los tubos y el espaciado de los soportes, y los rangos de velocidad de vibración observados.
