S'utilitza un condensador de carcassa i tub de PTFE per recuperar un dissolvent valuós sota un buit profund, reduint el seu punt d'ebullició. El costat de la closca està sota un buit gairebé perfecte. Els tubs de PTFE prims i flexibles no només porten l'aigua de refrigeració; estan resistint la força de trituració de l'atmosfera externa empenyent cap a dins. Un tub estàndard de parets primes, perfectament adequat per a la pressió positiva, pot col·lapsar-se sobtadament com una palleta, bloquejant el flux i destruint el rendiment tèrmic. El gruix de la paret del tub per a un servei de buit no està seleccionat per a la contenció de la pressió; es selecciona per evitar un col·lapse catastròfic. Escollint el correctegruix de paret del tub intercanviador de PTFE servei de buitrequereix la comprensió de la mecànica de pandeig, les compensacions tèrmiques i les estratègies de suport.

La física del col·lapse de la pressió externa

Com un buit aixafa un tub

Quan s'evacua el costat de la carcassa d'un intercanviador de calor (per exemple, a 10 mbar absoluts o inferior), la pressió atmosfèrica externa (aproximadament 1 bar o 14,7 psi) actua uniformement a l'exterior de cada tub. L'interior del tub pot estar a pressió atmosfèrica o fins i tot lleugerament superior. Aquesta pressió externa crea una tensió del cèrcol de compressió a la paret del tub. Un tub flexible de parets primes fet de PTFE, que té un mòdul elàstic relativament baix (uns 0,5 GPa en comparació amb els 200 GPa per a l'acer), pot trencar-se i col·lapsar-se en una forma ovalada o aplanada a una pressió molt per sota de la tensió de fluència del material. El buit és una mà invisible i gegant que estreny el tub, i el gruix de la paret és l'únic que impedeix que s'aixafi.

Suport als tubs: el paper de l'espaiat de deflectors

La longitud no suportada del tub entre deflectors o làmines de tub té una forta influència en la resistència al col·lapse. Un tub suportat a intervals de 200 mm resistirà la pressió externa molt millor que un suportat a intervals de 500 mm. Per al servei d'alt buit, l'espai entre els deflectors sovint es redueix a 100-150 mm. Els deflectors més propers també augmenten la turbulència del costat de la closca i milloren la transferència de calor, compensant parcialment la penalització tèrmica de la paret més gruixuda. Tanmateix, els deflectors més propers augmenten la caiguda de pressió al costat de la carcassa i poden requerir un diàmetre de carcassa més gran per mantenir l'àrea de flux.

El disseny també ha de considerar la possibilitat de buit al costat del tub amb pressió positiva al costat de la carcassa. En un disseny de capçal flotant o tub en U, qualsevol costat es pot evacuar i la paret del tub ha de resistir l'enfonsament des de qualsevol costat que estigui sota buit. En aquests casos, s'especifica la paret més gruixuda i l'intercanviador sovint es dissenya com una qualificació de "buit total" a ambdós costats.

Pautes pràctiques de selecció

Procediment pas a pas

Definir el nivell de buit: Expresseu la pressió absoluta al costat de baixa pressió (p. ex., 10 mbar, 50 mbar). El buit total (0 mbar absolut) és el pitjor dels casos i requereix el disseny més robust.

Seleccioneu les dimensions del tub: Trieu un diàmetre exterior (OD) que equilibri la transferència de calor, la contaminació i la resistència mecànica. Per al servei al buit, és habitual un OD de 6 mm o 8 mm; els diàmetres més grans (10 mm o més) esdevenen poc pràctics.

Estimar el gruix de paret necessariutilitzant gràfics de pressió de col·lapse del fabricant o FEA. Un gruix de 0,8 mm és un punt de partida conservador per a 6 mm de DO a temperatura ambient. Per a temperatures més altes o OD més gran, és possible que es requereixin 1,0-1,2 mm.

Dissenyeu l'espai entre els deflectors: Establiu l'envergadura sense suport a Menor o igual a 150 mm. Per a tubs llargs (més de 2 m), s'utilitzen suports intermedis addicionals o tirants amb separadors.

Comproveu el rendiment tèrmic: Calculeu el valor U amb el gruix de paret escollit. Si el valor U és massa baix (p. ex., per sota de 200 W/m²·K), considereu augmentar el recompte o la longitud del tub, o accepteu un intercanviador més gran.

Valida amb el fabricant: Els proveïdors d'intercanviadors de PTFE establerts tenen dades empíriques de col·lapse per a les dimensions dels seus tubs. Es demana una garantia per escrit de funcionament sense col·lapses en condicions especificades de buit i temperatura.

Especificació d'exemple

"Diàmetre exterior del tub de PTFE: 6 mm. Gruix de la paret: 1,0 mm ± 0,05 mm. Material del tub: PTFE verge. Envergadura màxima sense suport: 120 mm. Pressió de disseny del costat de la carcassa: buit total (0 mbar absoluts). Pressió de disseny del costat del tub: manòmetre de 3 bar. Temperatura màxima de funcionament: 90 graus. El buit de la carcassa s'ha de provar amb un intercanvi de buit de 1 mbar. absolut amb tubs a pressió atmosfèrica al costat del tub; no es permet cap col·lapse ni ovalitat visible".

Precisió tècnica: Càlcul de pressió de col·lapse

El col·lapse d'un tub sota pressió externa és un fenomen de pandeig, no una fallada de rendiment. Les fórmules estàndard per a tubs de parets primes (per exemple, la fórmula de Timoshenko per al pandeig elàstic) donen una primera aproximació, però el comportament de tensió i deformació no lineal del PTFE requereix una validació empírica. La majoria dels fabricants d'intercanviadors de PTFE realitzen proves de pressió externa hidrostàtica en tubs de mostra. Per a un tub de 6 mm OD amb 1,0 mm de gruix de paret a 20 graus, la pressió de col·lapse mesurada normalment és d'1,2-1,5 bar, proporcionant un factor de seguretat d'1,2-1,5 sobre el buit total. A 90 graus, la pressió de col·lapse pot baixar a 0,8-1,0 bar, de manera que es requereix un marge de seguretat més elevat. Per tant, s'utilitzen parets més gruixudes o suports més propers per al servei de buit a temperatura elevada.

Conclusió: Resistir la pressió invisible

La selecció del gruix de la paret per a un intercanviador de PTFE al buit és una batalla contra la força de trituració de l'atmosfera, guanyada per un tub més gruixut, més rígid i ben suportat. Un gruix de paret mínim de 0,8 a 1,0 mm, combinat amb deflectors molt espaiats (envergadura sense suport inferior o igual a 150 mm), garanteix que els tubs resisteixen l'enfonsament en buit total. Tot i que la paret més gruixuda redueix el valor U, l'alternativa-un tub col·lapsat i bloquejat- és inacceptable. La força més poderosa en un sistema de buit és la pressió silenciosa i invisible de l'aire exterior, i un gruix de paret del tub adequadament especificat és l'única defensa contra això.