Como projetar um trocador de PTFE para uma aplicação a bordo com inclinação e rolamento severos?

Um trocador de calor para operação contínua
Um trocador de calor em um navio nunca está parado. A embarcação está constantemente balançando, inclinando, guinando e balançando enquanto responde à carga das ondas e aos diferentes estados do mar. Esses movimentos colocam todos os equipamentos instalados em um ambiente de fadiga constante e multi{2}}direcional, e cada peça do equipamento se torna um teste de estresse dinâmico de longa-duração.

Um feixe de tubos horizontais normais e levemente apoiados seria rapidamente danificado sob tais condições por batidas repetitivas, vibração e desgaste do suporte. Portanto, um trocador de PTFE apropriado para operação marítima deve ser projetado como um sistema estruturalmente integrado, com seus componentes internos restritos e suas partes externas instaladas como uma única unidade mecânica rígida.

Um dispositivo de inclinação e rolamento de bordo com trocador de PTFE corretamente projetado deve ser considerado um navio dentro de um navio. Cada tubo e cada estrutura de suporte devem ser protegidos para carregamentos contínuos do tipo tempestade.

O trocador deve ser um bloco forte-contido, apoiado internamente como o casco de um navio, para resistir ao incessante terremoto-em câmera lenta do movimento do oceano.

Por que uma filosofia de projeto especial é necessária para o movimento a bordo
Condições de carregamento dinâmico multi{0}}axial
Ao contrário das instalações-terrestres, os sistemas marinhos estão sujeitos a padrões de movimento complicados, incluindo:

Rolar (rotação lateral-para{1}}lateral)

Rolar (rotação lateral)

Translação vertical (elevação)

Yaw (rotação em torno de um eixo horizontal)

Incidentes repentinos em ondas fortes

Estes movimentos são controlados pelos parâmetros de estabilidade da embarcação (por exemplo, altura metacêntrica). Eles determinam o período de rolagem e a aceleração angular. Grandes ângulos de rotação podem gerar grandes forças de inércia dentro dos gabinetes do equipamento.

Componentes de trocadores internos sem modificação específica de projeto podem estar sujeitos a:

Trastes e vibração do tubo

rachadura por fadiga do defletor

Extremidades do tirante soltas

Flexão da placa de suporte

Carregamento de impacto de tubos vizinhos

O design preferido é a configuração vertical em tubo-U
Estabilidade Gravidade-Movimento Assistido
Uma orientação vertical é especialmente desejada para aplicações a bordo. Neste arranjo, o fluxo do fluido para cima garante que o casco esteja sempre totalmente inundado e o efeito da gravidade ajudará a estabilizar a distribuição do fluido dentro do recipiente durante o movimento do recipiente.

As vantagens da orientação vertical incluem:

Redução dos efeitos de chapinha lateral

Estabilidade de fase aprimorada

Risco reduzido de geração de bolsas de vapor

Dispersão de calor mais consistente sob circunstâncias de inclinação

O pacote de tubos U-remove a tensão fixa do tubo
No serviço marítimo, é comum selecionar um pacote de tubo-U, pois ele permite:

Expansão térmica independente de tubos

Remoção da concentração de tensão fixa do tubo

cargas de fadiga térmica reduzidas

Melhor tolerância ao movimento estrutural

A conformidade mecânica do segmento de curvatura em U-flutuante é vantajosa durante a combinação de ciclos térmicos e mecânicos.

Reforço interno contra movimento do navio
O espaçamento próximo dos suportes dos tubos evita danos por vibração.
Sob circunstâncias de forte oscilação, o movimento do navio aumenta consideravelmente a probabilidade de interação entre tubos-com-tubos. Para compensar isto, as placas de suporte dos tubos devem estar mais espaçadas do que nos trocadores terrestres.

Efeitos de design importantes são:

Espaçamento menor entre tubos sem suporte

Frequência natural de vibração do tubo aumentada

Ocorrências de oscilação de menor amplitude

Carregamento transitório: prevenção de batidas no tubo

Os suportes estão suficientemente próximos para que os tubos funcionem como um feixe confinado e não como peças flexíveis independentes.

Sistemas robustos de defletores e tirantes
Defletores e tirantes devem ser projetados para ter forte resistência à fadiga causada pelo movimento cíclico do navio.

Requisitos de projeto:

Espessura estrutural aprimorada dos defletores

Conjuntos de tirantes de travamento

Dispositivos de travamento contra afrouxamento

Solda reforçada e ponto de fixação

Seleção de fixadores resistentes à vibração

Os equipamentos marítimos devem ser de alta integridade e sociedades de classificação como DNV, ABS e Lloyd's Register estabelecem critérios rigorosos. O micro-movimento pode fazer com que os fixadores se soltem e travamentos mecânicos ou sistemas de fios de segurança devem ser usados ​​para evitar isso.

Montagem Sísmica Equivalente para Serviços Marítimos
Carga Sísmica Contínua de Movimentos de Navios
A montagem de equipamentos a bordo é frequentemente considerada de forma comparável ao projeto sísmico de estruturas terrestres. A aceleração do rolamento e as cargas de impacto são forças inerciais iguais que devem ser transmitidas através da estrutura de suporte.

As crescentes considerações de design incluem:

Cargas de pico nos ângulos de rotação e inclinação

Aprimoramento de aceleração dinâmica

Carregamento por fadiga durante a vida útil de um navio

Carga de choque devido ao impacto das ondas

Construção de estrutura de base para serviços pesados
O trocador completo deve ser instalado em uma estrutura de suporte rígida-classificada como navio, projetada para distribuição de cargas na estrutura do navio.

As características comuns são:

Elementos estruturais-reforçados com reforço

Estruturas em aço, bases soldadas

Almofadas de montagem-antivibração.

Placas de base de distribuição de carga

Pontos de ligação estrutural-com a estrutura do casco

O objetivo é evitar concentrações locais de tensões e proporcionar uma transferência uniforme de carga para a grade estrutural da embarcação.

Fadiga da vida operacional marítima
Carga de fadiga-de longo prazo em movimento contínuo
Mesmo que as forças instantâneas estejam dentro dos limites aceitáveis, o carregamento cíclico durante milhares de horas pode causar danos por fadiga:

Suportes de tubo

Juntas soldadas

Conectores de suporte

Conjuntos-de tirante

Montagem de interfaces

A análise da fadiga está se tornando um aspecto fundamental do processo de projeto, em particular para embarcações que operam em condições marítimas extremas.

Ressonância: por que é importante evitar
As frequências inerentes às estruturas internas devem estar bem separadas das principais frequências de excitação do movimento do navio. As circunstâncias de ressonância podem realizar movimentos menores e amplificá-los em oscilações destrutivas.

As estratégias de design são:

Maior rigidez na estrutura

Períodos não reduzidos

Adição de interfaces de amortecimento

Otimização da distribuição em massa

Seleção de materiais e polímeros para sistemas de PTFE
A flexibilidade do PTFE auxilia no movimento marítimo
Os materiais de tubos de PTFE têm um benefício-incorporado em ambientes marítimos, pois são:

• Excelente resistência química

Flexibilidade sob cargas cíclicas

Resistência à corrosão atmosférica marinha

A baixa energia superficial reduz os riscos de incrustação

No entanto, o PTFE ainda precisa de restrição mecânica para evitar movimento excessivo sob cargas dinâmicas.

Efeito de acoplamento térmico-mecânico
A combinação da expansão térmica e do movimento do navio resulta em circunstâncias de carregamento complexas. A flexibilidade do tubo em U permite a expansão térmica e os suportes estruturais cuidam do movimento mecânico e, portanto, da estabilidade do sistema durante a operação.

Conformidade com Sociedades Classificadoras
Critérios de projeto marítimo exigidos
Os trocadores de PTFE para aplicações a bordo devem atender aos padrões da sociedade classificadora, que podem incluir:

Verificação de integridade estrutural (DNV, ABS, Lloyd's Register)

Aprovação de análises de vibração e fadiga

Qualificação de carga de choque

Requisitos para rastreabilidade de materiais

Padrões de soldagem e fabricação

Estes requisitos especificam que o equipamento pode suportar a vida operacional da embarcação em circunstâncias ambientais específicas.

Resumo
Um trocador de PTFE de bordo para inclinação e rolamento severos é basicamente uma máquina térmica resistente, montada verticalmente e reforçada internamente. A carga contínua de fadiga multi{1}}axial é gerenciada por uma estrutura de tubo em U-, suportes de tubos bem espaçados, sistemas de defletores reforçados e uma estrutura de montagem totalmente construída.

A técnica de projeto de rolamento inclinado a bordo do trocador de PTFE converte o trocador em um sistema estrutural único que pode lidar com o movimento contínuo, cargas ocasionais e desgaste vibracional de longo-prazo do ambiente marítimo.