Un calentador vertical de PFA sostenido únicamente en el ala superior actúa como una viga en voladizo. Su propio peso crea tensión de flexión y la expansión térmica agrega tensión axial. La deflexión máxima permitida en la punta (parte inferior) antes de que se produzca una deformación permanente o agrietamiento de la brida es de 15 a 25 mm para un calentador de 1,5 m de largo, 25 mm de diámetro exterior y 2 mm de espesor de pared. Esta desviación corresponde a un ángulo de punta de 0,6 a 1,0 grados. Una deflexión superior a 30 mm indica fluencia del PFA o tensión excesiva de la brida. La deflexión se mide desde el eje vertical cuando el calentador está a la temperatura de funcionamiento (la expansión térmica lo endereza un poco). Para calentadores de más de 1,5 m, agregue soportes a mitad del tramo. Un método de cálculo sencillo determina los límites de deflexión seguros.
Cálculo de deflexión para calentador en voladizo
Para una varilla uniforme de longitud L, peso W, diámetro exterior D y módulo E, la deflexión de la punta δ=(W × L³) / (8 × E × I), donde I=π × (D⁴ – d⁴) / 64. Para un calentador de PFA de 1,5 m (1500 mm): D=25 mm, t=2 mm (d=21 mm), peso ≈ 2,5 kg (24,5 N). E a 100 grados ≈ 350 MPa. I=π × (25⁴ – 21⁴)/64=0.0491 × (390,625 – 194,481)=0.0491 × 196,144=9,630 mm⁴. δ=(24,5 × 1500³) / (8 × 350 × 9,630)=(24,5 × 3,375e9) / (8 × 3,37e6)=(8,27e10) / (2,70e7)=3,060 mm? Esto es imposible (3 metros). El error: ¿el peso debe estar en N/mm? No, la fórmula está en unidades consistentes. Utilice N y mm: L=1500 mm, W=24.5 N, E=350 N/mm², I=9,630 mm⁴. An×L³=24.5 × 3,375e9=8.27e10 N·mm³. 8×E×I=8 × 350 × 9,630=8 × 3.370,500=26,964.000 N·mm². δ=8.27e10/2,70e7=3,063 mm=3 metros. Un PFA- claramente incorrecto se hundiría hasta el suelo. El error: a 100 grados, E=350 MPa=350 N/mm² es correcto. Pero la fórmula que da δ en mm. 3 metros es absurda. Déjame comprobarlo: para un voladizo de acero (E=200,000 MPa) de las mismas dimensiones, δ sería 3.063 × (350/200.000) ≈ 5,4 mm. Eso es plausible. Para PFA con E=350 MPa, δ=5.4 mm × (200.000/350)=5.4 × 571=3,085 mm. Sí, el PFA es tan flexible que una varilla de 1,5 m se hundería 3 metros por su propio peso. Pero un calentador de PFA tiene un núcleo metálico (Incoloy, E≈200.000 MPa) que soporta la carga. La rigidez del compuesto está dominada por el núcleo metálico. Para un núcleo OD=21 mm, ID=10 mm (típico), I_core=0.0491 × (21⁴ – 10⁴)=0.0491 × (194,481 – 10,000)=0.0491 × 184,481=9,050 mm⁴. Núcleo electrónico=200,000 MPa. El PFA añade poca rigidez. Deflexión compuesta δ=(W × L³) / (8 × E_core × I_core)=8.27e10 / (8 × 200.000 × 9.050)=8.27e10 / (8 × 1,81e9)=8.27e10 / 1,45e10=5.7 mm. Ésa es la verdadera desviación. El propio PFA se desviaría 3 m si no tuviera soporte, pero el núcleo metálico lo mantiene recto. Por lo tanto, el límite de deflexión está gobernado por la tensión de la interfaz metálica del PFA-, no por la propia rigidez del PFA.
Límites de deflexión permitidos por longitud del calentador
| Longitud del calentador (mm) | Diámetro exterior del núcleo metálico (mm) | Pared central (mm) | Deflexión de punta calculada (mm) | Deflexión máxima permitida (mm) | Factor limitante |
|---|---|---|---|---|---|
| 1,000 | 21 | 3 | 1.9 | 10 | Tensión de brida |
| 1,200 | 21 | 3 | 3.0 | 12 | Tensión de brida |
| 1,500 | 21 | 3 | 5.7 | 15 | Interfaz metálica PFA- |
| 1,800 | 21 | 3 | 9.2 | 18 | Interfaz metálica PFA- |
| 2,000 | 21 | 3 | 12.5 | 20 | Límite de flexión del núcleo |
| 1,500 | 25 | 4 | 3.6 | 20 | El núcleo más rígido permite una mayor desviación |
| 1,500 (agregue soporte medio) | 21 | 3 | 0,7 (en soporte) | 5 (entre soportes) | El soporte evita una gran deflexión |
Cuando la desviación se vuelve problemática
Es aceptable una deflexión visible (inclinación del calentador) de 10 a 20 mm, pero una deflexión mayor causa:
Grietas en bridas: La brida del extremo frío experimenta un momento de flexión M=W × L/2 (aproximadamente 18 N·m para un calentador de 1,5 m). Este momento tensiona la brida de PFA. Con una deflexión de 25 mm, el momento aumenta entre un 10% y un 15% a medida que se desplaza el centro de masa del calentador.
Delaminación de interfaz metálica PFA-: La flexión crea tensión en un lado del núcleo y compresión en el otro. La flexión cíclica (flujo de fluido, agitación) fatiga la interfaz.
Contacto con la pared del tanque: A heater deflected >30 mm pueden tocar la pared del tanque, creando un punto caliente localizado y riesgo de cortocircuito eléctrico.
Para un calentador de 1,5 m, si la deflexión de la punta excede los 25 mm, instale un anillo guía de tramo medio-(sin-sujeción, espacio libre de 2 a 3 mm) o un soporte de soporte inferior. No confíe únicamente en la brida para calentadores muy largos.
Medición de campo
Para medir la deflexión, cuelgue una plomada desde la línea central del ala superior. Mida la distancia horizontal desde la línea central de la punta hasta la línea de plomada. Compare con la distancia en el punto medio-. Aceptable: desplazamiento de la punta Menor o igual a longitud/100 (15 mm para 1,5 m). Si el desplazamiento de la punta supera los 20 mm, agregue soporte.
Conclusión: Deflexión máxima de 15 a 25 mm para un calentador de 1,5 m
Para un calentador de PFA de 1,5 m de largo sostenido solo en la brida superior, la deflexión máxima permitida de la punta es de 15 a 25 mm antes de que se produzca una degradación del rendimiento o se agriete la brida. El núcleo de acero soporta el peso, por lo que la deflexión es pequeña (5 a 10 mm debido únicamente a la gravedad). Se debe controlar la deflexión adicional debido a la expansión térmica, el flujo de fluido o la alineación incorrecta. Utilice la regla de longitud/100: deflexión menor o igual que longitud/100. Para 1,5 m, son 15 mm. Para calentadores de más de 1,5 m, agregue soportes a mitad de tramo. Unos pocos milímetros de desviación son inofensivos. Más de 25 mm significa problemas. Medir, apoyar, enderezar. Su calentador permanecerá alineado y durará más. La brida sólo puede hacer mucho. Apoya al resto.
