El descubrimiento del tubo deformado
Durante una inspección anual de rutina, el personal de mantenimiento retira un intercambiador de calor de PTFE de un baño de ácido concentrado a 150 grados. Varios tubos entre placas de soporte muestran hundimientos visibles. Un tubo se ha doblado cerca de una abrazadera de soporte. La bobina todavía se calienta, pero la deformación es progresiva-cada año aumenta el hundimiento.
El PTFE a temperatura elevada no es un material rígido. Se ablanda, se arrastra bajo una carga sostenida y se expande significativamente. Sin un espacio adecuado entre los soportes, la combinación de peso propio-, expansión térmica y presión de vapor produce una deformación permanente. Los tubos deformados pierden su espacio diseñado, lo que crea restricciones de flujo y posibles puntos de contacto donde la vibración puede causar daños por fricción.
El mecanismo de fluencia a temperatura elevada
La fluencia es una deformación dependiente del tiempo-bajo carga constante. Para el PTFE a temperaturas superiores a 100 grados, la fluencia se puede medir bajo tensiones muy por debajo del límite elástico a corto-plazo. Un tubo horizontal de PTFE sostenido sólo por sus extremos experimenta tensión de flexión debido a su propio peso. Durante meses a 140 grados, este estrés produce una flacidez gradual.
La velocidad de fluencia aumenta exponencialmente con la temperatura. A 80 grados, la fluencia es insignificante para tubos con soporte adecuado. A 120 grados, la fluencia se convierte en una consideración de diseño. A 150 grados y más, la fluencia domina el diseño mecánico.-El espaciamiento de los soportes debe ser lo suficientemente cercano para limitar la tensión de flexión a niveles que produzcan una fluencia aceptable durante la vida útil del diseño.
La expansión térmica agrava el problema. El PTFE se expande aproximadamente 0,12 mm por metro por grado Celsius, aproximadamente diez veces más que el acero. Un tubo de 2 metros calentado de 25 grados a 140 grados crece casi 28 mm. Si los apoyos restringen esta expansión, se produce pandeo por compresión. El tubo se curva lateralmente entre los soportes, creando una deformación lateral permanente.
Tabla 1: Espaciado recomendado del soporte del tubo de PTFE frente a la temperatura (10 mm de diámetro exterior × 1 mm de pared, orientación horizontal)
| Temperatura de funcionamiento (grados) | Espaciado máximo de soporte - todavía fluido (mm) | Espaciado máximo entre soportes - Baño agitado (mm) | Preocupación principal |
|---|---|---|---|
| 60 | 600 | 500 | Gestión de la expansión térmica. |
| 80 | 500 | 400 | Modesta expansión y avance |
| 100 | 400 | 300 | El avance se vuelve significativo |
| 120 | 300 | 250 | La fluencia domina el diseño |
| 140 | 250 | 200 | Riesgo de fluencia y pandeo |
| 160 | 200 | 150 | Se requiere máxima precaución |
Separaciones calculadas para limitar la deflexión media-del tramo a menos de 3 mm y la tensión de flexión por debajo de 0,5 MPa a temperatura. Los baños agitados requieren un espaciamiento más reducido debido a la carga hidrodinámica del movimiento de la solución.
Principios de diseño de soporte
Las placas de soporte para tubos de PTFE deben permitir el movimiento axial evitando al mismo tiempo el desplazamiento lateral. Para ello sirven guías ranuradas de PTFE o PVDF macizo. El tubo se desliza libremente a través de la ranura durante la expansión y contracción térmica, pero las paredes de la ranura evitan que se doble o se doble lateralmente.
La ranura debe ser ligeramente sobredimensionada-0,5 a 1,0 mm más grande que el diámetro exterior del tubo, para evitar que se atasque mientras se mantiene el soporte lateral. Las ranuras estrechas restringen el movimiento térmico, convirtiendo el soporte en una restricción que induce al pandeo. Las ranuras demasiado flojas permiten que el tubo vibre cuando se agita, lo que provoca fatiga en el punto de contacto del soporte.
Las fijaciones finales requieren un cuidado especial. La conexión del tubo-al-colector suele ser un accesorio de compresión. El tubo debe poder expandirse libremente entre el cabezal y el primer soporte. La distancia desde el cabezal hasta el primer soporte debe ser la mitad del espacio normal entre soportes para limitar la tensión de flexión durante la expansión.
Consideraciones de orientación vertical
Los tubos verticales experimentan fluencia de manera diferente que los tubos horizontales. El propio-peso produce tensión de tracción en lugar de tensión de flexión. La fluencia por tracción provoca alargamiento y adelgazamiento de la pared en lugar de hundimiento. El espaciado de soporte para tubos verticales aborda la resistencia al pandeo y el control de la vibración en lugar de la deflexión del peso propio.
Los tubos verticales de PTFE entre cabezales deben apoyarse lateralmente a intervalos que no excedan el espacio para tubos horizontales a la misma temperatura. Los soportes evitan el pandeo de Euler bajo cargas térmicas de compresión y limitan la amplitud de vibración del flujo de fluido.
Resumen
La deformación del tubo del intercambiador de calor de PTFE a altas temperaturas se debe a la fluencia bajo el peso propio- y al pandeo debido a la expansión térmica limitada. El espaciado adecuado de los soportes limita la tensión de flexión a niveles que produzcan una fluencia aceptable durante la vida útil del equipo.
El espacio entre soportes disminuye a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento, de 600 mm a 60 grados a 200 mm a 160 grados para tubos de 10 mm de diámetro exterior. Los soportes de guía ranurados permiten el movimiento térmico axial libre al tiempo que evitan el desplazamiento lateral. La distancia del encabezado-al-primer-soporte requiere reducir a la mitad el espacio para controlar la tensión de expansión.
El análisis de ingeniería para el espaciado de los soportes de los tubos de PTFE en condiciones operativas específicas está disponible previa presentación del diámetro del tubo, el espesor de la pared, la orientación, la temperatura de funcionamiento, la intensidad de la agitación del fluido y los requisitos de vida útil del diseño.
