Por que os trocadores de calor de PTFE desenvolvem vazamento de bypass e como isso é corrigido?

O vazamento de desvio não é um vazamento para o ambiente externo, mas um fluido interno-cortado-do invólucro-que flui ao redor do feixe de tubos em vez de através dele. Este desvio interno representa uma perda de superfície de transferência de calor e uma redução na eficácia do trocador, mas não é visível do lado de fora. É importante conhecer as rotas e causas dos problemas do trocador de calor de PTFE com vazamento de bypass para diagnosticar a perda de desempenho e planejar reparos bem-sucedidos. Este artigo discute os canais de vazamento comuns, as causas do vazamento e as etapas de reparo para restaurar o desempenho térmico.

Vazamento de bypass: o que é e por que é importante?
Em um trocador de calor-e-tubo, o fluido lateral-do casco deve fluir através do feixe de tubos, direcionado por defletores. O vazamento no bypass ocorre quando parte desse fluido não toca os tubos, porque flui por um caminho mais curto e de menor resistência. O fluido sai do trocador com uma mudança de temperatura pequena ou nula, o que diminui a taxa geral de transferência de calor.

O vazamento no bypass é prejudicial, especialmente para trocadores de calor de PTFE que já possuem condutividade térmica mais baixa do que unidades metálicas. O fluxo de desvio de 20% pode reduzir o coeficiente efetivo de transferência de calor em 25–35% porque o fluido desviado não participa da troca de calor. O problema é interno e não pode ser detectado por inspeção visual externa ou teste de pressão, apenas por monitoramento de desempenho térmico ou exame interno.

Caminhos de vazamento de desvio primário do trocador de calor PTFE
O fluido-do lado da carcaça pode desviar do feixe de tubos de três maneiras diferentes.

1. Pacote-para-Liberação de Shell (Desvio Anular)
Sempre há um espaço entre os tubos externos e a parede interna da casca. Esta folga anular é necessária para inserir e remover o feixe de tubos. Esta lacuna é preenchida em um trocador bem construído com tiras de vedação (às vezes chamadas de vedações de bypass) ou tubos falsos que restringem o fluxo. As tiras de vedação geralmente são barras planas de aço ou tiras preenchidas com PTFE-afixadas nos defletores, projetando-se para fora e entrando em contato com a parede do casco.

Quando as tiras de vedação estão faltando, desgastadas ou rasgadas, o fluido no lado da carcaça flui facilmente através da abertura anular sem entrar no feixe de tubos. Esta é a principal estrada de desvio.

2. Folga entre o defletor e o casco
Os defletores não se ajustam perfeitamente à carcaça. É fornecida uma pequena folga (geralmente 1–3 mm) para permitir a montagem e a expansão térmica. O fluido pode escorrer pelas bordas de cada defletor, especialmente na parte superior e inferior onde ocorre o corte do defletor. O vazamento em trocadores novos é modesto (2-5% do fluxo total). Se, no entanto, os defletores forem danificados, torcidos, corroídos ou erodidos, a folga aumentará e o fluxo de desvio aumentará consideravelmente.

Golpe de aríete (golpe a vapor), itens estranhos transportados no fluido lateral do casco e corrosão dos componentes metálicos dos defletores podem causar danos aos defletores do trocador de calor de PTFE (os próprios tubos de PTFE não corroem, mas os defletores metálicos e as placas de suporte podem).

3. Distância do tubo ao defletor
Cada defletor possui um orifício através do qual flui um tubo de PTFE. Para permitir o movimento do tubo flexível de PTFE e evitar emperramento durante a expansão térmica, é necessário um espaço de 0,2 a 0,5 mm. Esses pequenos orifícios anulares podem permitir que o fluido escape. O vazamento do tubo para o defletor geralmente é um contribuinte menor para o desvio na maioria dos projetos (geralmente<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.

Razões para trocadores de calor com vazamento de desvio de PTFE
O exame interno geralmente revela uma ou mais das seguintes condições:

Proteção contra intempéries gasta ou faltando
As tiras de vedação são fixadas aos defletores com parafusos, clipes ou soldagem. Os parafusos podem se soltar com o tempo, os clipes podem falhar ou as próprias tiras podem corroer ou degradar. Em determinados pacotes-reparados em campo, as tiras de vedação podem não ter sido re-instaladas após a re-tubulação. É uma descoberta regular que as tiras de vedação estão presentes apenas em alguns defletores ou estão completamente ausentes.

Defletores danificados,
Os defletores podem ser quebrados por:

Martelo a vapor – Ondas de choque repetidas podem entortar ou quebrar defletores de metal próximos às aberturas do tubo.

Corrosão - Os defletores de aço podem ficar mais finos e perder a forma em uso corrosivo (mesmo com tubos de PTFE) .

Impacto mecânico - Os defletores podem ser dobrados durante a inserção ou remoção do pacote se não estiverem alinhados corretamente.

Não mais se ajustando perfeitamente à carcaça, um defletor dobrado cria uma folga considerável. Um defletor quebrado pode ter peças faltando que permitirão o fluxo.

Grande folga do projeto original
Alguns dos-trocadores de calor de PTFE de baixo custo são construídos com folgas excessivas-para{2}}o invólucro para facilitar a fabricação. Pode haver uma folga de 10 mm ou mais. As tiras de vedação estão faltando ou são muito pequenas. Nessas situações, o vazamento de bypass é uma característica do projeto e não pode ser completamente eliminado sem uma grande reformulação.

Como diagnosticar vazamento no bypass sem abrir o trocador
Se houver suspeita de vazamento no bypass:

A taxa de transferência de calor, calculada a partir das temperaturas de entrada/saída e taxas de fluxo, é muito inferior ao valor do projeto, mesmo que os tubos estejam limpos e não haja vazamentos externos.

A queda de pressão no lado do casco é menor que as leituras históricas na mesma vazão. Menos queda de pressão significa que o fluido está fluindo através de um canal de menor resistência (bypass).

A mudança de temperatura do fluido do lado-da carcaça (ΔT) não é a esperada e a temperatura de saída do lado-do tubo está igualmente fora do alvo.

Primeiro, é vital descartar explicações alternativas para o baixo desempenho: incrustações, não-condensáveis ​​presos ou taxas de fluxo mais baixas. Se eles desaparecerem, provavelmente é um vazamento de desvio.

Ignorar ações corretivas de vazamento
O reparo adequado depende da gravidade e da acessibilidade do feixe tubular.

1. Substituição das tiras de vedação (correção mais comum)
Para trocadores com feixes de tubos removíveis, as tiras de vedação podem ser inseridas ou removidas durante uma parada planejada. O processo é:

A tampa do invólucro é removida e o feixe de tubos retirado.

Os defletores são inspecionados. Limpe detritos e corrosão das ranhuras da tira de vedação existente.

Novas tiras de vedação (geralmente tecido impregnado de PTFE, tiras de mola metálicas ou barras sólidas de PTFE) são cortadas no comprimento necessário e encaixadas nas ranhuras de cada defletor. As tiras devem se projetar para entrar em contato com a parede interna da carcaça com um pequeno ajuste de interferência (compressão de 0,2–0,5 mm).

As tiras são fixadas por meio de parafusos ou martelando as bordas do defletor (para tiras de metal). Alguns designs seguram as tiras pela pressão da carcaça contra o defletor.

O pacote é reinstalado e o trocador é testado.

Este reparo normalmente recupera 90-100% do desempenho perdido se os defletores não estiverem danificados.

2. Reparo ou substituição do defletor
As tiras de vedação por si só não conseguem consertar defletores dobrados, fraturados ou corroídos. Os defletores danificados devem ser consertados ou substituídos. Para trocadores de calor de PTFE, os defletores são geralmente feitos de metal (aço inoxidável ou aço carbono) que podem ser:

Endireitado - Pequenas curvas podem ser planas em uma prensa hidráulica.

Soldadas - As rachaduras são soldadas e retificadas suavemente. Tome-se cuidado para não distorcer o defletor.

Substituído – Os defletores gravemente danificados são cortados do conjunto e novos defletores são rosqueados nos tubos de PTFE. Esta é uma operação-de mão-de-obra intensiva, geralmente realizada durante uma nova tubulação completa.

Após o reparo do defletor, novas tiras de vedação são instaladas.

3. Ajuste-de fluxo lateral do casco (mitigação temporária)
Para situações onde a desmontagem imediata não é possível, os ajustes operacionais podem compensar parcialmente o vazamento do bypass. Aumentar a taxa de fluxo-do lado do casco aumenta a velocidade através do feixe de tubos e das lacunas de desvio. Como a queda de pressão aumenta com o quadrado da velocidade, uma vazão mais alta pode melhorar a proporção de fluido que realmente atravessa os tubos. No entanto, isto não corrige a causa raiz e aumenta a energia de bombeamento. É considerada apenas uma medida temporária.

4. Redesenho para problemas graves de liberação
Em trocadores com folga de carcaça inerentemente superdimensionada (projeto original ruim), pode-se tentar o retrofit com tiras de vedação mais espessas ou a instalação de tubos falsos no espaço anular. Tubos falsos são tubos curtos de PTFE colocados nos orifícios mais externos do tubo, mas são vedados nas extremidades do espelho para que nenhum fluido flua através deles. Eles ocupam espaço e bloqueiam o desvio. Esta abordagem requer a perfuração de furos adicionais nos defletores e nos espelhos e geralmente é feita por uma oficina especializada.

Descrição-do diagrama transversal (representação de texto)
A descrição a seguir ilustra os caminhos de desvio em um trocador de calor de casco-e-tubo de PTFE típico, conforme visto em uma seção transversal-:

O círculo externo representa a parede interna da casca.

No interior, um conjunto circular de pequenos círculos representa os tubos de PTFE.

A lacuna entre os círculos mais externos do tubo e a parede interna do invólucro é a folga do feixe-para-o invólucro (caminho de desvio anular). Em um-trocador bem projetado, tiras de vedação (representadas como pequenos retângulos presos ao defletor) se projetam nessa lacuna, quase tocando a parede do casco.

Um defletor é mostrado como uma linha horizontal cruzando o interior do casco, com recortes (a janela do defletor) na parte superior e inferior. O fluido que flui ao redor das bordas do defletor-através do defletor-até a-folga do casco-é mostrado como setas passando entre a ponta do defletor e a parede do casco.

Setas pequenas entre tubos individuais e o defletor representam vazamento de tubo-para{1}}defletor.

As tiras de vedação bloqueiam o desvio anular. Quando ausentes, setas grandes indicam fluxo desobstruído através da lacuna anular.

Prevenção de vazamento de bypass
O vazamento no bypass é melhor evitado durante o projeto e a montagem inicial:

Especifique a construção TEMA classe R ou B – Esses padrões definem folgas máximas e exigem tiras de vedação para diâmetros de casco acima de um determinado tamanho.

Use tiras de vedação duplas – Duas fileiras de tiras de vedação por defletor fornecem redundância.

Inspecione as tiras de vedação durante a remontagem – Quaisquer tiras faltantes ou danificadas são substituídas antes da remontagem.

Evite o golpe de aríete – Conforme discutido nos guias relacionados, o golpe de aríete danifica os defletores e afrouxa as fixações das tiras de vedação.

Uma inspeção interna periódica (a cada 3–5 anos) deve incluir a verificação do aperto das tiras de vedação e da condição dos defletores. Se houver suspeita de vazamento de bypass anteriormente, um teste de queda de pressão a uma vazão conhecida pode ser comparado aos dados de linha de base.

Conclusão
O vazamento no bypass é um problema de projeto e manutenção que degrada silenciosamente o desempenho do trocador de calor de PTFE. Os caminhos principais são a liberação do pacote-para{2}}o shell (desvio anular) e o defletor-para-a liberação do shell. Tiras de vedação ausentes ou desgastadas e defletores danificados são as causas mais comuns. A inspeção interna muitas vezes revela esses problemas. As ações corretivas incluem a substituição das tiras de vedação, o reparo ou a substituição de defletores danificados e, como medida temporária, o aumento do fluxo lateral-da carcaça. Para problemas graves de folga, podem ser necessários tubos falsos ou reprojeto. Um problema de vazamento no trocador de calor de PTFE pode reduzir a transferência de calor em 10–30%, mas a maioria dos casos é totalmente corrigível durante uma interrupção planejada. A fabricação adequada com tiras de vedação adequadas e inspeção interna periódica preservam a eficiência térmica e prolongam a vida útil.