Per què els intercanviadors de calor de PTFE desenvolupen fuites de bypass i com es corregeix?

La fuita de derivació no és una fuita cap a l'entorn exterior, sinó un fluid intern-tallat-coquilla-que flueix al voltant del feix de tubs en lloc d'atravessar-lo. Aquest bypass intern suposa una pèrdua de superfície de transferència de calor i una reducció de l'eficàcia de l'intercanviador, però no és visible des de l'exterior. És important conèixer les rutes i les causes dels problemes de l'intercanviador de calor de PTFE amb fuites de bypass per diagnosticar la pèrdua de rendiment i planificar reparacions amb èxit. Aquest article analitza els canals de fuites habituals, les causes de les fuites i els passos de reparació per restaurar el rendiment tèrmic.

Fuga de derivació: què és i per què importa?
En un intercanviador de calor-i-tubs, se suposa que el fluid-del costat de la closca flueix a través del feix de tubs, dirigit per deflectors. Les fuites de bypass es produeixen quan part d'aquest fluid no toca els tubs, perquè flueix per un camí de resistència més curt i inferior. El fluid surt de l'intercanviador amb un canvi de temperatura petit o nul, que disminueix la velocitat global de transferència de calor.

Les fuites de bypass són perjudicials, especialment per als intercanviadors de calor de PTFE que ja tenen menor conductivitat tèrmica que les unitats metàl·liques. El flux de derivació del 20% pot reduir el coeficient de transferència de calor efectiu en un 25-35% perquè el fluid de derivació no participa en l'intercanvi de calor. El problema és intern i no es pot trobar mitjançant una inspecció visual externa o proves de pressió, només mitjançant un control del rendiment tèrmic o un examen intern.

Rutes de fuites de derivació primària de l'intercanviador de calor de PTFE
El fluid del costat-de la closca pot evitar el feix de tubs de tres maneres diferents.

1. Empaqueta-a-Autorització de Shell (bypass anular)
Sempre hi ha un espai entre els tubs més exteriors i la paret interior de la closca. Aquest buit anular és necessari per inserir i treure el feix de tubs. Aquest buit s'omple en un intercanviador ben construït amb tires de segellat (de vegades anomenades segells de derivació) o tubs simulats que restringeixen el flux. Les tires de segellat solen ser barres d'acer planes o tires farcides de PTFE-adherides als deflectors, que surten cap a l'exterior i entren en contacte amb la paret de la closca.

Quan falten tires de segellat, es desgasten o es trenquen, el fluid del costat de la carcassa flueix fàcilment a través de l'espai anular sense entrar al feix de tubs. Aquesta és la carretera de circumval·lació principal.

2. Espai lliure entre el deflector i la closca
Els deflectors no encaixen bé a la closca. Es proporciona una mica d'espai lliure (normalment 1-3 mm) per permetre el muntatge i l'expansió tèrmica. El fluid pot passar per les vores de cada deflector, especialment la part superior i inferior on es produeix el tall del deflector. La fuita en els nous intercanviadors és modesta (2-5% del cabal total). Tanmateix, si els deflectors es fan malbé, es retorcen, es corroeixen o s'erosionen, augmentarà l'espai lliure i el flux de derivació augmentarà considerablement.

El cop d'ariet (martell de vapor), els objectes estrangers transportats al fluid lateral de la carcassa i la corrosió dels components del deflector metàl·lic poden causar danys als deflectors de l'intercanviador de calor de PTFE (els tubs de PTFE no es corroeixen, però sí que els deflectors metàl·lics i les plaques de suport sí).

3. Distància del tub al deflector
Cada deflector té un forat pel qual flueix un tub de PTFE. Per permetre el moviment del tub flexible de PTFE i evitar la unió durant l'expansió tèrmica, cal un espai de 0,2 a 0,5 mm. Aquests petits forats anulars poden permetre que el fluid escapi. La fuita del tub a deflector és generalment un contribuent menor a la derivació en la majoria de dissenys (normalment<5% of total bypass) due of the pressure drop across each baffle forcing flow down the many tube holes. However, the cumulative effect can be significant in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.

Raons dels intercanviadors de calor de fuites de derivació de PTFE
L'examen intern generalment revela una o més de les condicions següents:

Burlet de temps desgastat o desaparegut
Les tires de segellat es subjecten als deflectors amb cargols, clips o soldadura. Els cargols es poden afluixar amb el temps, els clips poden fallar o les tires es poden corroir o degradar. En determinats paquets-reparats de camp, és possible que les tires de segellat no s'hagin tornat a instal·lar després d'un re-tub. És un descobriment habitual que les tires de segellat només estan presents en alguns dels deflectors o estan completament absents.

Deflectors danyats,
Els deflectors es poden trencar per:

Martell de vapor: les ones de xoc repetides poden doblegar o trencar els deflectors metàl·lics prop de les obertures del tub.

Corrosió - Els deflectors d'acer poden aprimar-se i perdre forma en ús corrosiu (fins i tot amb tubs de PTFE).

Impacte mecànic - Els deflectors es podrien doblegar durant la inserció o l'eliminació del paquet si no s'alineen correctament.

Ja no s'ajusta perfectament a la closca, un deflector doblegat crea un espai lliure considerable. Un deflector trencat pot tenir parts que falten que permetin el flux.

Gran despatx de la carcassa del disseny original
Alguns dels-intercanviadors de calor de PTFE de baix cost estan construïts amb un volum excessiu d'espai-a-per facilitar la fabricació. Pot haver-hi un espai de 10 mm o més. Falten tires de segellat o són massa petites. En aquestes situacions, les fuites de derivació són una característica del disseny i no es poden eliminar completament sense un redisseny important.

Com diagnosticar les fuites de bypass sense obrir l'intercanviador
Si se sospita que hi ha fuites de derivació:

La velocitat de transferència de calor, calculada a partir de les temperatures d'entrada/sortida i els cabals, és molt inferior a la xifra de disseny, tot i que els tubs estan nets i no hi ha fuites exteriors.

La caiguda de pressió del costat de la carcassa és menor que les lectures històriques amb el mateix cabal. Menys caiguda de pressió significa que el fluid flueix per un canal de menys resistència (bypass).

El canvi de temperatura del fluid del costat-de la closca (ΔT) no és l'esperat i la temperatura de sortida del costat-del tub està igualment fora de l'objectiu.

En primer lloc, és vital descartar explicacions alternatives per a un rendiment deficient: contaminació, elements no-condensables atrapats o cabals més baixos. Si desapareixen, probablement és una fuga de derivació.

Bypass accions correctores de fuites
La reparació adequada depèn de la gravetat i l'accessibilitat del feix de tubs.

1. Substitució de les tires de segellat (la solució més comuna)
Per als intercanviadors amb feixos de tubs extraïbles, es poden inserir o treure tires de segellat durant una parada planificada. El procés és:

S'elimina la coberta de la closca i s'extreu el feix de tubs.

S'inspeccionen els deflectors. Netegeu els residus i la corrosió de les ranures de la cinta de segellat existent.

Les noves tires de segellat (sovint teixit impregnat de PTFE, tires de molla metàl·liques o barres de PTFE sòlides) es tallen a la longitud necessària i s'ajusten a les ranures de cada deflector. Les tires s'han de projectar per entrar en contacte amb la paret interior de la carcassa amb un petit ajust d'interferència (compressió de 0,2 a 0,5 mm).

Les tires es mantenen en el seu lloc mitjançant cargols o per punxar les vores del deflector (per a tires metàl·liques). Alguns dissenys subjecten les tires per la pressió de la closca contra el deflector.

Es torna a instal·lar el paquet i es prova l'intercanviador.

Aquesta reparació normalment recupera el 90-100% del rendiment perdut si els deflectors no estan danyats.

2. Reparació o substitució del deflector
Les tires de segellat per si soles no poden arreglar els deflectors que estan doblegats, fracturats o corroïts. Els deflectors danyats s'han de reparar o substituir. Per als intercanviadors de calor de PTFE, els deflectors generalment estan fets de metall (acer inoxidable o acer al carboni) que poden ser:

Redreçat: els petits revolts es poden empènyer plans en una premsa hidràulica.

Soldats - Les esquerdes es solden i es polissen. Es té cura de no distorsionar el deflector.

Substituït: els deflectors molt danyats es tallen del paquet i els nous deflectors s'enrosquen als tubs de PTFE. Aquesta és una operació-intensiva de mà d'obra, que sovint es realitza durant una retubació completa.

Després de la reparació del deflector, s'instal·len noves tires de segellat.

3. Shell-Ajust de cabal lateral (mitigació temporal)
Per a situacions en què el desmuntatge immediat no és possible, els ajustos operatius poden compensar parcialment les fuites del bypass. Augmentar el cabal-del costat de la closca augmenta la velocitat tant a través del feix de tubs com dels buits de derivació. Com que la caiguda de pressió augmenta amb el quadrat de la velocitat, un cabal més alt pot millorar la proporció de fluid que realment travessa els tubs. Tanmateix, això no arregla la causa principal i augmenta l'energia de bombeig. Només es considera una mesura temporal.

4. Redisseny per a problemes d'autorització greus
En els intercanviadors amb un espai lliure de la carcassa inherentment sobredimensionat (disseny original deficient), es pot intentar la readaptació amb tires de segellat més gruixudes o la instal·lació de tubs ficticis a l'espai anular. Els tubs simulats són tubs de PTFE curts que es col·loquen als forats del tub més exteriors, però estan segellats als extrems de la làmina de tubs perquè no hi passi cap fluid. Ocupen espai i bloquegen el bypass. Aquest enfocament requereix perforar forats addicionals als deflectors i les làmines de tubs i normalment el fa un taller de reparació especialitzat.

Descripció del diagrama de-secció transversal (representació de text)
La descripció següent il·lustra els camins de derivació en un intercanviador de calor-i-de tubs típics de PTFE tal com es veu en una secció transversal-:

El cercle exterior representa la paret interior de la closca.

A l'interior, una matriu circular de petits cercles representa els tubs de PTFE.

L'espai entre els cercles del tub més exteriors i la paret interior de la closca és l'espai lliure entre el paquet-a-(camí de derivació anular). En un intercanviador-ben dissenyat, les tires de segellat (representades com a petits rectangles units al deflector) sobresurten dins d'aquest buit, gairebé tocant la paret de la closca.

Un deflector es mostra com una línia horitzontal que creua l'interior de la carcassa, amb retalls (la finestra del deflector) a la part superior i inferior. El fluid que flueix al voltant de les vores del deflector-a través del deflector-a-l'espai lliure de la closca-es mostra com a fletxes que passen entre la punta del deflector i la paret de la carcassa.

Les fletxes petites entre els tubs individuals i el deflector representen les fuites del tub-a-deflector.

Les tires de segellat bloquegen el bypass anular. Quan falten, les fletxes grans indiquen un flux sense obstruccions a través del buit anular.

Prevenció de fuites de bypass
Les fuites de derivació es poden prevenir millor durant el disseny i el muntatge inicial:

Especifiqueu la construcció de classe R o B de TEMA: aquestes normes defineixen els espais lliures màxims i requereixen tires de segellat per a diàmetres de closca superiors a una mida determinada.

Utilitzeu tires de segellat dobles: dues files de tires de segellat per deflector proporcionen redundància.

Inspeccioneu les tires de segellat durant el retub: les tires que falten o es reemplacen es substitueixen abans del muntatge.

Eviteu el cop d'ariet: tal com s'explica a les guies relacionades, el martell de vapor danya els deflectors i afluixa els accessoris de la cinta de segellat.

Una inspecció interna periòdica (cada 3-5 anys) hauria d'incloure la comprovació de l'estanquitat de les tires de segellat i de l'estat dels deflectors. Si es sospita que hi ha una fuga de derivació abans, es pot comparar una prova de caiguda de pressió a un cabal conegut amb les dades de referència.

Conclusió
Les fuites de bypass són un problema de disseny i manteniment que degrada silenciosament el rendiment de l'intercanviador de calor de PTFE. Els camins principals són l'espai lliure del paquet-a-la carcassa (bypass anular) i l'espai lliure de-a-deflector. La falta de tires de segellat o desgastats i els deflectors danyats són les causes més freqüents. La inspecció interna sovint revela aquests problemes. Les accions correctives inclouen substituir les tires de segellat, reparar o substituir els deflectors danyats i, com a mesura temporal, augmentar el flux-lateral de la closca. Per a problemes greus d'autorització, és possible que siguin necessaris tubs ficticis o un redisseny. Un problema d'intercanviador de calor de PTFE amb fuites de derivació pot reduir la transferència de calor entre un 10 i un 30%, però la majoria dels casos es poden corregir completament durant una interrupció planificada. La fabricació adequada amb tires de segellat adequades i la inspecció interna periòdica preserva l'eficiència tèrmica i allarga la vida útil.