Hoe kunt u stroming-geïnduceerde buistrillingen in een verticale PTFE-wisselaar detecteren en beperken?

Het geluid van de PTFE-buizen die tegen hun steunplaten dansen, is een diep resonerend gezoem afkomstig van een hoge verticale warmtewisselaar en een langzame toename van de druk aan de zijkant-van de schaal. De trilling is niet alleen maar lawaai, het is een lang, aanhoudend proces van piekeren en slijtage waardoor een buis kan snijden. Door stroming-geïnduceerde trillingen zijn een erkend mechanisch probleem bij een verticale PTFE-wisselaar. Met de juiste diagnose en gerichte mitigatie (dwz het toevoegen van tussenbuissteunen en het wijzigen van de positie van de spuitmond aan de zijkant van de schaal) kan het probleem echter worden verholpen voordat de buis kapot gaat.

Detectie van trillingen op een verticale PTFE-buiswisselaar
Het is essentieel dat detectie vroegtijdig plaatsvindt. De PTFE-buizen zijn flexibeler dan metalen buizen en hun natuurlijke frequentie is van nature laag. Uit het volgende blijkt dat er door stroming veroorzaakte trillingen aanwezig kunnen zijn:

Hoorbaar zoemend of laagfrequent gerommel dat varieert met de stroomsnelheid.

De drukval aan de schaal- neemt onverwachts toe (verstopping van de stroomkanalen door vuil of vervorming van de buis)

Visueel bewijs tijdens onderzoek - gepolijste gebieden, inkepingen of verdunningen op buizen bij gaten in de steunplaat; wit poeder (PTFE-slijtageresten) in de bodem van de schaal.

Meer buislekkage bij de buis-naar-verbindingen tussen buisplaten, veroorzaakt door cyclische buigbelastingen.

Als er trillingen worden vermoed, zal een eenvoudige stethoscoop of een versnellingsmetermeting op de schaal nabij het ingangsmondstuk de heersende frequentie identificeren. De eigenfrequentie van de langste niet-ondersteunde buisoverspanning moet worden berekend en vergeleken met de werveluitwerpingsfrequentie van de zijdelingse stroming in de schaal.

De fysica van trillingen veroorzaakt door stroming in een verticale schaal
De vloeistof aan de schaalzijde, vaak een corrosieve vloeistof of gas, komt via een inlaatmondstuk in een verticale PTFE-wisselaar terecht. Twee typische excitatiemethoden zijn:

Vortex-afscheiding - Terwijl de vloeistof langs elke PTFE-buis stroomt, worden stroomafwaarts afwisselende wervels gegenereerd, die variabele liftkrachten opleveren die loodrecht op de stromingsrichting staan. Resonantie treedt op wanneer de uitschakelfrequentie gelijk is aan de inherente frequentie van de buis, en er worden aanzienlijke amplitude-oscillaties geproduceerd.

Turbulente botsingen - Een inlaatmondstuk met een slechte hoek (bijvoorbeeld tangentiële of zijdelingse-invoer zonder diffusor) richt een straal met hoge snelheid rechtstreeks op de buizenbundel. De straal veroorzaakt willekeurige drukschommelingen die de buizen doen schudden, vooral in het niet-ondersteunde gebied bovenaan de inlaat.

Gravity wants to keep tubes vertical but a lengthy unsupported span of tubes (typically >1,5 tot 2 m) is behoorlijk kwetsbaar. Het risico is het grootst waar de snelheid aan de zijkant van de schaal het grootst is, net stroomafwaarts van het ingangsmondstuk.

Mitigatiestrategie: de buizen verstijven, de stroom kalmeren
De oplossing is om de buizen strakker te maken en de stroom te kalmeren. Twee belangrijke corrigerende activiteiten worden afzonderlijk of in combinatie uitgevoerd.

1. Installeer de tussenbuissteunplaten
Door de niet-ondersteunde lengte van PTFE-buizen te verkleinen, neemt de stijfheid toe en wordt de eigenfrequentie veel hoger dan de vortex-uitwerpfrequentie. Er worden extra steunplaten toegevoegd tussen de bestaande bovenste en onderste buizenplaten in een verticale warmtewisselaar.

Belangrijke ontwerpcriteria voor extra steunplaten:

Materiaal – PTFE-gecoate of met fluorpolymeer-beklede metalen platen, of massieve PTFE-platen van voldoende dikte om buigen te voorkomen.

Gatspeling - Gaten moeten 0,5-1,0 mm groter zijn dan de buitendiameter van de buis. Te strak: buis knelt, slijtage; te los: te veel zijwaartse beweging.

Uitlijning - Alle steunplaten moeten exact uitgelijnd zijn met de buizenplaten, zodat de buizen tijdens de montage niet worden gebogen. Laseruitlijning of nauwkeurige mallen worden geadviseerd.

Aantal en afstand – De maximale niet-ondersteunde overspanning moet worden verkleind tot een punt waar de eigenfrequentie van de buis boven de hoogste voorspelde vortex-uitscheidingsfrequentie ligt. Typische PTFE-buizen (6-12 mm buitendiameter) zijn veilig voor watersnelheden aan de schaalzijde tot 1,5 m/s, als de overspanning 300-500 mm bedraagt.

Het toevoegen van steunplaten aan een bestaande warmtewisselaar omvat het verwijderen van de buizenbundel, het boren of lassen van de montagestangen van de steunplaten en het vervolgens voorzichtig opnieuw-monteren. Het is een grote, eenvoudige retrofit.

2. Wijzig de richting van het mondstuk aan de zijkant van de schaal en zorg voor een botsingsplaat
Inlaat aan de zijkant-op de schaal is een veelvoorkomende oorzaak van trillingen. Een tangentieel mondstuk genereert een wervelende stroom die over de gehele lengte van de schaal loopt. Een slecht gepositioneerd radiaal mondstuk (bijvoorbeeld recht op de buizenbundel gericht) produceert een straal met hoge- snelheid die de bovenbuizen raakt.

Mitigerende maatregelen:

Wijzig het invoermondstuk van tangentieel naar radiaal, zodat de stroom evenwijdig aan de buizenplaten of aan de mantelwand wordt gericht, en niet aan de bundel.

Installeer een botsingsplaat (diffusor of stroomverdeler) onmiddellijk in de schaal tegenover het inlaatmondstuk. De plaat is een platte of gebogen metalen plaat, meestal bekleed met PTFE-, die de straal breekt en de stroom gelijkmatig verdeelt over de dwarsdoorsnede van de schaal-.

Plaats een geperforeerd schot bij of nabij de ingang om de snelheid te verlagen voordat deze in contact komt met de buizenbundel.

Deze aanpassingen verminderen de maximale snelheid en verwijderen de wervelcomponent, zodat zowel de amplitude van de schok als de vortex-afscheiding aanzienlijk worden verminderd.

Opmerkingen over technische nauwkeurigheid
De natuurlijke frequentie van de buis moet veel hoger worden gehouden dan de vortex-uitwerpfrequentie. Voor PTFE-buizen is de elasticiteitsmodulus laag (ongeveer 400-500 MPa), zodat zelfs gematigde overspanningen (1 meter) kunnen resoneren bij stroomsnelheden zo laag als 0,5-0,8 m/s. Het wordt aanbevolen om de berekening uit te voeren met de Euler-Bernoulli-liggervergelijking met vaste-vaste eindvoorwaarden.

De snelheid aan de schaalzijde nabij het ingangsmondstuk is het hoogst. Deze zone is de belangrijkste zone voor het triggeren van trillingen. Steunplaten moeten dus dichter bij elkaar in het bovenste deel van de wisselaar worden geplaatst en de ingangsdiffusor moet op de juiste manier worden gepland.

Bestaande eenheden Praktische veldinspectie
Bij oproep naar een locatie op een trillende verticale PTFE-wisselaar wordt het volgende gedaan:

Meet de trillingsamplitude en -frequentie op verschillende hoogtes met behulp van een versnellingsmeter.

Stel de kritische snelheid van het afstoten van de vortex zo in dat deze gelijk is aan de natuurlijke frequentie van de buis.

Als de wisselaar kan worden geopend, inspecteer dan de binnenbundel op slijtagesporen van de buizen en slijtage van de gaten in de steunplaten.

Stel een hermontage voor – voeg 2-3 tussenliggende steunplaten toe en als het mondstuk tangentieel is, voeg dan een botsingsplaat toe. Als alternatief kan een verplaatsing van het inlaatmondstuk aan de mantelzijde worden ontworpen.

Abstract
Door stroming gegenereerde trillingen in een verticale PTFE-wisselaar zijn een mechanisch probleem dat, bij voorkeur in de ontwerpfase, kan worden opgelost door te zorgen voor passende buisondersteuning en een goed-ontworpen omhulsel-zij-inlaat. De toevoeging van tussenliggende buissteunplaten en een stroming-diffusie-impingementplaat aan een bestaande trilmachine kan het gezoem tot zwijgen brengen en de buizen redden. Bij veel chemische en galvaniseringsactiviteiten zijn verticale retrofits van PTFE-wisselaars met succes gebruikt om buistrillingen te verminderen. Een rustige, kalme buizenbundel is gezond-en met goede techniek kan de stilte worden herwonnen.