Como a queda de pressão em um trocador de PTFE muda com o tempo devido à fluência?

Um trocador de calor que tenha fornecido de forma confiável a mesma queda de pressão durante vários anos pode eventualmente começar a exibir leituras diferenciais ligeiramente mais altas. Os tubos frequentemente não estão obstruídos por sujeira ou contaminados quimicamente. Em vez disso, a forma dos próprios tubos de PTFE mudou suavemente ao longo do tempo. O furo do tubo próximo à junta do espelho do tubo se contrai gradualmente como uma válvula de{3}fechamento lento porque o PTFE é um material viscoelástico e se arrasta sob estresse mecânico prolongado.

Esta ligeira alteração dimensional raramente é espetacular, mas pode causar implicações hidráulicas detectáveis ​​durante longos intervalos de manutenção. Em trocadores de calor de tubos de PTFE empregados em processos químicos corrosivos, o fenômeno é uma parte previsível do envelhecimento mecânico-de longo prazo, e não um modo de falha imprevisto.

O projeto confiável do trocador e da bomba requer uma compreensão da conexão entre o desempenho do sistema hidráulico e a mudança na queda de pressão do trocador de PTFE com o tempo.

Compreendendo a fluência de PTFE
O PTFE reage de maneira diferente dos metais sob carga sustentada. O material deforma-se gradualmente ao longo do tempo, em vez de permanecer dimensionalmente estável sob tensão contínua.

Esse hábito é conhecido como rastejamento.

O que causa fluência?
A fluência ocorre quando as cadeias poliméricas se reorganizam gradualmente sob tensão ou tensão mecânica prolongada. Ao contrário da deformação elástica, que desaparece instantaneamente quando a força é removida, a fluência se desenvolve de forma constante ao longo de milhares de horas de funcionamento.

Em trocadores de calor de PTFE, as maiores tensões de compressão sustentadas são frequentemente encontradas onde os tubos passam através do conjunto do espelho.

Os tubos estão em movimento-lento.

Anéis, anéis de compressão ou sistemas de gaxetas exercem pressão constante nesses pontos para formar uma vedação impenetrável entre o tubo e o espelho. Com o tempo, o material da parede de PTFE flui lentamente sob esta carga.

Como a restrição do furo do tubo se desenvolve
Deformação localizada no tubo
A área ao redor da junta comprimida é onde o processo de fluência está mais concentrado.

Uma pequena seção da parede do tubo extrusa progressivamente para dentro da corrente de fluxo à medida que o PTFE se deforma. Isto reduz o diâmetro interno efetivo do tubo no ponto de junção.

Mesmo uma ligeira diminuição do diâmetro aumenta a resistência ao fluxo, mesmo que a alteração dimensional seja frequentemente mínima.

A restrição se comporta de forma semelhante a um ponto de estrangulamento instalado permanentemente dentro de cada tubo.

Consequências hidráulicas-de longo prazo
A queda de pressão-do lado do tubo aumenta gradualmente à medida que o diâmetro interno diminui.

Este aumento é geralmente:

Lento

Permanente

Previsível

Irrecuperável

Ao contrário da incrustação causada por depósitos ou incrustações, a limitação não pode ser removida mecanicamente ou quimicamente, uma vez que se origina da deformação física do material.

O fenômeno é irreversível.

Por que o impacto é normalmente mínimo
Na maioria dos-trocadores de PTFE bem projetados, o aumento na queda de pressão permanece relativamente mínimo.

Os aumentos típicos-de longo prazo podem chegar a apenas uma pequena porcentagem ao longo de vários anos de operação. No entanto, em algumas circunstâncias, o efeito é mais aparente:

Comprimentos de tubo longos

Altas velocidades de fluxo

Diâmetros de tubo pequenos

Altas temperaturas operacionais

Sistemas-de alta pressão

Tensões de compressão em tubos apertados

Mesmo pequenas reduções de diâmetro nestes sistemas podem resultar em penalidades hidráulicas quantificáveis.

Por causa disso, em vez de ser tratado como um problema operacional imprevisto, a mudança na queda de pressão do trocador de PTFE com o aumento do tempo é frequentemente levada em consideração desde o estágio inicial do projeto hidráulico.

A influência da temperatura na taxa de fluência
Temperatura mais alta acelera a deformação
O comportamento de fluência do PTFE é muito influenciado por:

grau de estresse

A temperatura

Tempo sob carga

O processo de fluência é acelerado pelo aumento significativo da mobilidade molecular em altas temperaturas.

A 100 graus, a fluência progride substancialmente mais rápido do que à temperatura ambiente.

Esta dependência da temperatura é especialmente relevante em trocadores de processamento químico que lidam com ácidos, álcalis ou fluxos de solventes aquecidos.

Um sistema que funciona continuamente em temperatura elevada pode sofrer a maior parte de suas alterações dimensionais de longo-prazo durante os primeiros anos de serviço.

Saturação e redução de estresse
O efeito de fluência não continua se expandindo eternamente na mesma proporção.

À medida que o PTFE se deforma, as tensões internas relaxam progressivamente. A mudança dimensional diminui gradualmente ao longo do tempo como resultado da diminuição da tensão, o que reduz a taxa de fluência.

Eventualmente, o sistema se aproxima de uma situação quase{0}}estável, onde deformações adicionais se tornam insignificantes.

Este fenômeno é geralmente definido como saturação de fluência.

Considerações sobre projeto hidráulico
Permitindo Margem no Dimensionamento da Bomba
Os aumentos de pressão-relacionados à fluência normalmente podem ser resolvidos durante o projeto inicial do sistema, já que são previsíveis.

Ao escolher bombas de circulação para sistemas trocadores de PTFE, um pequeno buffer de pressão extra é frequentemente levado em consideração.

Esta tolerância de projeto ajuda a garantir que as taxas de fluxo especificadas permaneçam possíveis mesmo após anos de operação.

Sem essa lacuna, a resistência hidráulica pode aumentar progressivamente e causar redução-do fluxo a longo prazo.

Monitorando Tendências de Pressão
O monitoramento de pressão diferencial em todo o trocador fornece informações vitais sobre o desempenho-do sistema a longo prazo.

Um aumento constante e estável ao longo de vários anos pode sugerir restrição natural-relacionada à fluência, em vez de contaminação ou incrustação.

A análise de tendências ajuda a distinguir entre:

Envelhecimento mecânico gradual

Eventos repentinos de incrustação

Deterioração da bomba

Condições de obstrução parcial

Compreender esta distinção elimina operações desnecessárias de limpeza ou desmontagem.

Reduzindo a fluência na junta do tubo
Aumentando a área de rolamento
A tensão aplicada ao PTFE pode ser minimizada distribuindo a força de compressão sobre uma superfície de contato maior.

Anilhas com regiões de rolamento maiores diminuem a tensão de compressão localizada e reduzem a tendência de fluxo de material para dentro.

A taxa de fluência é diretamente diminuída por menos estresse.

Usando sistemas de vedação-com mola
As soluções de vedação-com mola ou compatíveis ajudam a manter a força de vedação e ao mesmo tempo limitam a compressão rígida excessiva.

Em comparação com soluções de fixação completamente rígidas, estes sistemas são mais capazes de lidar com mudanças dimensionais progressivas.

Os benefícios consistem em:

Diminuição da concentração de estresse localizado

Maior estabilidade da vedação

Menor deformação-do furo a longo prazo

Melhor adaptação da ciclagem térmica

A constrição-do tubo a longo prazo normalmente é menos severa com métodos de vedação mais suaves.

Comparando PTFE com tubos trocadores metálicos
Os tubos trocadores metálicos normalmente apresentam baixa fluência em temperaturas de processos químicos convencionais. O PTFE se comporta de maneira diferente devido à sua estrutura polimérica.

No entanto, o PTFE oferece vantagens que os metais não conseguem igualar facilmente:

Inércia química superior

Resistência a ácidos agressivos

Superfícies não{0}}contaminantes

Excelente resistência à corrosão

A desvantagem-é que o PTFE contém um perfil de envelhecimento mecânico mais complexo.

Os projetistas devem considerar a compatibilidade química e o comportamento mecânico-de longo prazo simultaneamente.

Implicações operacionais ao longo de décadas de serviço
Trocadores de PTFE bem{0}}projetados muitas vezes permanecem operando por décadas em situações severamente corrosivas, quando os sistemas metálicos quebrariam em breve.

Raramente o lento aumento da pressão provocado pela fluência é uma restrição desastrosa. Em vez disso, funciona como uma mudança gradual e controlável no desempenho hidráulico ao longo do tempo.

Muito depois de ocorrer a estabilização da fluência, o trocador em muitos sistemas ainda satisfaz os requisitos do processo.

A condição fundamental é simplesmente que o projeto original do sistema preveja as consequências.

Para concluir
Durante longos períodos de trabalho, a fluência do PTFE, um processo de envelhecimento mecânico reconhecido e controlável, pode aumentar progressivamente a perda de pressão do trocador. A compressão sustentada na junta do espelho deforma lentamente a parede do tubo de PTFE para dentro, diminuindo ligeiramente o diâmetro do furo do tubo e gerando um aumento permanente na resistência hidráulica.

Embora o efeito geralmente seja mínimo, a relação entre a mudança na queda de pressão do trocador de PTFE e a fluência temporal deve ser considerada durante o projeto hidráulico inicial, especialmente em aplicações de alta-temperatura ou de tubos-longos. O dimensionamento adequado da bomba, ponteiras com maior área de-rolamento e sistemas de vedação-acionados por mola ajudam a minimizar alterações de desempenho a longo-prazo e a manter as taxas de fluxo do projeto ao longo de décadas de serviço.

Mesmo o material quimicamente mais inerte tem, em última análise, uma narrativa de vida mecânica influenciada pelo estresse, pela temperatura e pelo tempo.