Como escolher a espessura correta da parede do tubo para um trocador de PTFE em um serviço de alto vácuo?

Um condensador de casco e tubo de PTFE é usado para recuperar um solvente valioso sob vácuo profundo para reduzir seu ponto de ebulição. O lado da casca está virtualmente no vácuo. Os tubos finos e flexíveis de PTFE não apenas transportam a água de resfriamento, mas também resistem à força esmagadora da atmosfera externa que empurra para dentro. Um tubo normal-de parede fina, totalmente apropriado para pressão positiva, pode desmoronar abruptamente como um canudo, interrompendo o fluxo e prejudicando o desempenho térmico. A espessura da parede do tubo para serviço a vácuo não foi projetada para conter pressão, mas para evitar um colapso catastrófico. A escolha da espessura adequada da parede do tubo para o serviço de vácuo do trocador de PTFE depende da compreensão da física da flambagem, das compensações térmicas e das soluções de suporte.

A física do colapso sob pressão externa
Como um vácuo destrói um tubo
Quando um lado de um trocador de calor é evacuado (por exemplo, até 10 mbar abs ou menos), a pressão externa do ar (cerca de 1 bar ou 14,7 psi) atua uniformemente na parte externa de cada tubo. O interior do tubo pode estar à pressão atmosférica ou talvez ligeiramente superior. Esta carga externa causa uma tensão de compressão circular na parede do tubo. Um tubo de PTFE flexível de parede-fina (com um módulo de elasticidade comparativamente baixo de aproximadamente 0,5 GPa em comparação com 200 GPa para o aço) dobraria e colapsaria em uma forma oval ou achatada com uma pressão muito menor que a tensão de escoamento do material. O aspirador é uma mão gigante invisível apertando o tubo. A única coisa que impede o esmagamento é a espessura da parede.

Apoiando os tubos: o papel do espaçamento do defletor
O comprimento não suportado do tubo entre defletores ou espelhos tem uma grande influência na resistência ao colapso. Um tubo apoiado em intervalos de 200 mm resistirá muito melhor à pressão externa do que um tubo apoiado em intervalos de 500 mm. Para serviços de alto vácuo, o espaçamento dos defletores é frequentemente reduzido para 100–150 mm. Defletores mais próximos resultam em maior turbulência lateral do casco e melhor transmissão de calor, para compensar parcialmente o custo térmico da parede mais espessa. Entretanto, aumentar o número de defletores aumenta a queda de pressão no lado do casco, podendo exigir um diâmetro maior do casco para manter a área de fluxo.

Além disso, o projeto deve permitir vácuo no lado do tubo e pressão positiva no lado do casco. Na construção de cabeçote flutuante ou tubo em U, qualquer um dos lados pode ser evacuado e a parede do tubo deve ser forte o suficiente para evitar o colapso lateral sob vácuo. Nestas circunstâncias, a parede mais espessa é selecionada e o trocador é geralmente projetado com classificação de “vácuo total” em ambos os lados.

Diretrizes Práticas para Seleção
Processo passo a passo
Defina o nível de aspiração: Forneça a pressão absoluta no lado inferior (ou seja, . 10 mbar, 50 mbar). A pior situação é o vácuo total (0 milibar absoluto) e requer o design mais resistente.

• Escolha os tamanhos dos tubos: Escolha um diâmetro externo (DE) que seja um compromisso entre transferência de calor, incrustações e resistência mecânica. Os tamanhos normais são 6 mm ou 8 mm de diâmetro externo para serviço de aspirador. Diâmetros maiores (10 mm e superiores) não são praticáveis.

Use os dados de pressão de colapso do fabricante ou uma FEA para estimar a espessura de parede necessária. 6 mm de diâmetro externo é um ponto de partida cauteloso, 0,8 mm de espessura à temperatura ambiente. 1.0-1.2 mm pode ser necessário para maior temperatura ou maior diâmetro externo.

Defina o espaçamento do defletor: Vão sem suporte não superior a 150 mm. Para tubos longos (mais de 2 m) são utilizados suportes intermediários extras ou tirantes com espaçadores.

Avalie o desempenho térmico: Calcule o valor U com a espessura da parede selecionada. Se o valor U- for muito baixo (por exemplo, menos de 200 W/m2K), pense em aumentar a contagem ou o comprimento do tubo ou aceite um trocador maior.

Valide com o fabricante: Fornecedores comprovados de trocadores de PTFE possuem dados empíricos de colapso para as dimensões de seus tubos. É necessária uma garantia por escrito de que o equipamento funcionará sem colapso nas condições especificadas de vácuo e temperatura.

Exemplo de especificação de tubo de PTFE com diâmetro externo de 6 mm. Espessura da parede: 1,0 mm +/-0,05 mm Material do tubo: PTFE virgem. Extensão máxima não suportada de 120 mm Pressão de projeto lateral da carcaça: vácuo completo (0 mbar abs). Pressão de projeto lateral do tubo: 3 bar g. Temperatura máxima de trabalho: 90'C. O vácuo no lado do invólucro do trocador deve ser absoluto de 10 mbar com tubos à pressão atmosférica. Os tubos não devem estar visivelmente colapsados ​​ou ovais.'

Precisão Técnica: Cálculo da Pressão de Colapso
A falha de um tubo sob pressão externa é uma falha de flambagem, não uma falha de escoamento. A primeira aproximação é dada por fórmulas padrão para tubos-de paredes finas (por exemplo, a fórmula de Timoshenko para flambagem elástica). No entanto, o comportamento de deformação não-linear-de tensão e a fluência do PTFE precisam ser validados empiricamente. A maioria dos fabricantes de trocadores de PTFE testa tubos de amostra para pressão externa hidrostática. A pressão de colapso medida para um tubo de diâmetro externo de 6 mm com espessura de parede de 1,0 mm a 20 graus é geralmente de 1,2 a 1,5 bar, fornecendo um fator de segurança de 1,2 a 1,5 acima do vácuo completo. A 90 graus, a pressão de colapso pode ser tão baixa quanto 0,8-1,0 bar e, portanto, é necessária uma margem de segurança maior. Conseqüentemente, os suportes são mais espaçados ou as paredes são mais espessas para serviços de vácuo em temperaturas elevadas.

Conclusão: Vivendo no Aperto Invisível
A espessura da parede de um trocador de PTFE a vácuo deve resistir à força esmagadora da atmosfera. E um tubo mais grosso, mais rígido e bem suportado vence a luta. Os tubos são capazes de suportar vácuo total sem colapso devido a uma espessura mínima de parede de 0,8-1,0 mm e defletores bem espaçados (vão sem suporte de 150 mm). O valor U-é melhorado pela parede mais espessa, mas a alternativa-um tubo colapsado e entupido é inaceitável. A pressão silenciosa e invisível do ar externo é a força mais forte em um sistema de vácuo e uma espessura de parede do tubo adequadamente selecionada é a única defesa contra ela.