A descoberta do tubo deformado
Durante uma inspeção anual de rotina, o pessoal de manutenção retira um trocador de calor de PTFE de um banho de ácido concentrado a 150 graus. Vários tubos entre placas de suporte apresentam flacidez visível. Um tubo desenvolveu uma dobra perto de uma braçadeira de suporte. A bobina ainda aquece, mas a deformação é progressiva-a cada ano a curvatura aumenta.
O PTFE em temperatura elevada não é um material rígido. Ele amolece, rasteja sob carga sustentada e se expande significativamente. Sem espaçamento de suporte adequado, a combinação de peso próprio, expansão térmica e pressão de vapor produz deformação permanente. Os tubos deformados perdem o espaçamento projetado, criando restrições de fluxo e potenciais pontos de contato onde a vibração pode causar danos por atrito.
O mecanismo de fluência em temperatura elevada
A fluência é uma deformação-dependente do tempo sob carga constante. Para PTFE em temperaturas acima de 100 graus, a fluência se torna mensurável sob tensões bem abaixo do limite de escoamento de curto-prazo. Um tubo horizontal de PTFE apoiado apenas nas extremidades sofre tensão de flexão devido ao seu próprio peso. Ao longo de meses a 140 graus, esse estresse produz flacidez gradual.
A taxa de fluência aumenta exponencialmente com a temperatura. A 80 graus, a fluência é insignificante para tubos devidamente apoiados. A 120 graus, a fluência torna-se uma consideração de projeto. A 150 graus e acima, a fluência domina o projeto mecânico-o espaçamento do suporte deve ser próximo o suficiente para limitar a tensão de flexão a níveis que produzam fluência aceitável ao longo da vida útil do projeto.
A expansão térmica agrava o problema. O PTFE expande aproximadamente 0,12 mm por metro por grau Celsius, cerca de dez vezes mais que o aço. Um tubo de 2 metros aquecido de 25 a 140 graus cresce quase 28 mm. Se os apoios restringirem esta expansão, ocorre encurvadura por compressão. O tubo curva-se lateralmente entre os suportes, criando deformação lateral permanente.
Tabela 1: Espaçamento recomendado do suporte do tubo de PTFE versus temperatura (10 mm de diâmetro externo × 1 mm de parede, orientação horizontal)
| Temperatura operacional (graus) | Espaçamento máximo de suporte - ainda fluido (mm) | Espaçamento máximo de suporte - Banho agitado (mm) | Preocupação Primária |
|---|---|---|---|
| 60 | 600 | 500 | Gerenciamento de expansão térmica |
| 80 | 500 | 400 | Crescimento modesto, expansão |
| 100 | 400 | 300 | Creep se tornando significativo |
| 120 | 300 | 250 | A fluência domina o design |
| 140 | 250 | 200 | Risco de fluência e flambagem |
| 160 | 200 | 150 | Máximo cuidado necessário |
Espaçamentos calculados para limitar a deflexão-no meio do vão a menos de 3 mm e a tensão de flexão abaixo de 0,5 MPa em temperatura. Banhos agitados requerem espaçamento menor devido à carga hidrodinâmica proveniente do movimento da solução.
Princípios de design de suporte
As placas de suporte para tubos de PTFE devem permitir o movimento axial, evitando o deslocamento lateral. Guias ranhuradas fabricadas em PTFE sólido ou PVDF atendem a essa finalidade. O tubo desliza livremente através da fenda durante a expansão e contração térmica, mas as paredes da fenda evitam flacidez ou arqueamento lateral.
A ranhura deve ser ligeiramente superdimensionada-0,5 a 1,0 mm maior que o diâmetro externo do tubo para evitar emperramento e ao mesmo tempo manter o suporte lateral. Ranhuras apertadas restringem o movimento térmico, convertendo o suporte em uma restrição que induz à flambagem. Ranhuras excessivamente soltas permitem que o tubo vibre sob agitação, causando fadiga no ponto de contato do suporte.
As fixações finais requerem cuidados especiais. A conexão-do{2}}tubo ao coletor normalmente é uma conexão de compressão. O tubo deve estar livre para se expandir entre o coletor e o primeiro suporte. A distância da plataforma ao primeiro suporte deve ser metade do espaçamento normal do suporte para limitar a tensão de flexão durante a expansão.
Considerações sobre orientação vertical
Os tubos verticais apresentam deformação diferente dos tubos horizontais. O peso-próprio produz tensão de tração em vez de tensão de flexão. A fluência por tração causa alongamento e adelgaçamento da parede, em vez de flacidez. O espaçamento de suporte para tubos verticais aborda a resistência à flambagem e o controle de vibração, em vez da deflexão do próprio-peso.
Os tubos verticais de PTFE entre os coletores devem ser apoiados lateralmente em intervalos que não excedam o espaçamento para tubos horizontais na mesma temperatura. Os suportes evitam a flambagem de Euler sob cargas térmicas compressivas e limitam a amplitude de vibração do fluxo de fluido.
Resumo
A deformação do tubo do trocador de calor de PTFE em altas temperaturas resulta da fluência sob o{0}peso próprio e da flambagem devido à expansão térmica restrita. O espaçamento adequado dos suportes limita a tensão de flexão a níveis que produzem fluência aceitável durante a vida útil do equipamento.
O espaçamento do suporte diminui à medida que a temperatura operacional aumenta, de 600 mm a 60 graus para 200 mm a 160 graus para tubos com diâmetro externo de 10 mm. Os suportes de guia com fenda permitem o movimento térmico axial livre, evitando o deslocamento lateral. A distância do cabeçalho-até{8}}o primeiro-apoio requer espaçamento reduzido pela metade para gerenciar a tensão de expansão.
A análise de engenharia para espaçamento de suporte de tubo de PTFE em condições operacionais específicas está disponível mediante envio do diâmetro do tubo, espessura da parede, orientação, temperatura operacional, intensidade de agitação do fluido e requisitos de vida útil do projeto.
