Чому теплообмінники з PTFE викликають витік через байпас і як це виправити?

Витік через байпас — це не витік у зовнішнє середовище, а внутрішня рідина-з-оболонки-, яка тече навколо пучка труб, а не крізь нього. Цей внутрішній байпас є втратою поверхні теплопередачі та зниженням ефективності обмінника, але невидимий ззовні. Щоб діагностувати втрату продуктивності та спланувати успішний ремонт, важливо знати шляхи та причини проблем теплообмінника з PTFE через витік байпасу. У цій статті розглядаються поширені канали витоку, причини витоку та кроки ремонту для відновлення теплових характеристик.

Витік через байпас: що це таке і чому це важливо?
У кожухотрубному теплообміннику-і-теплообмінник-з боку кожуха має протікати через пучок труб, спрямовуючи перегородки. Витік через байпас відбувається, коли частина цієї рідини не торкається трубок, оскільки вона тече по коротшому шляху з меншим опором. Рідина виходить з теплообмінника з невеликою або нульовою зміною температури, що знижує загальну швидкість теплопередачі.

Витік через байпас шкідливий, особливо для PTFE теплообмінників, які вже мають нижчу теплопровідність, ніж металеві блоки. Байпасний потік на 20% може знизити ефективний коефіцієнт тепловіддачі на 25-35%, тому що байпасна рідина не бере участі в теплообміні. Проблема є внутрішньою, і її неможливо виявити шляхом зовнішнього візуального огляду або випробування тиском, лише шляхом моніторингу теплових характеристик або внутрішнього огляду.

Первинні шляхи витоку теплообмінника PTFE
Рідина-з боку оболонки може обходити пучок труб трьома різними способами.

1. Зазор-до-оболонки (кільцевий байпас)
Між крайніми трубками і внутрішньою стінкою оболонки завжди є простір. Цей кільцевий зазор необхідний для вставлення та видалення пучка труб. Цю щілину заповнюють у добре сконструйованому теплообміннику за допомогою ущільнювальних смуг (іноді їх називають перепускними ущільненнями) або фіктивних трубок, які обмежують потік. Ущільнювальні смуги часто являють собою плоскі сталеві стрижні або смужки з PTFE-заповненням, прикріплені до перегородок, виступаючи назовні та контактуючи зі стінкою корпусу.

Якщо ущільнювальні смуги відсутні, зношені або порвані, рідина з боку оболонки легко протікає через кільцевий зазор, не потрапляючи в пучок труб. Це головна об’їзна дорога.

2. Перегородка до корпусу
Перегородки не щільно прилягають до оболонки. Невеликий зазор (зазвичай 1–3 мм) забезпечується для складання та теплового розширення. Рідина може стікати по краях кожної перегородки, особливо верхньої та нижньої, де відбувається поріз перегородки. Витік в нових теплообмінниках невеликий (2-5% від загального потоку). Однак якщо перегородки пошкодяться, скручуються, піддаються корозії або ерозії, зазор збільшиться, а обхідний потік значно збільшиться.

Гідроудар (паровий молот), сторонні предмети, що транспортуються в рідині з боку корпусу, і корозія металевих перегородок можуть спричинити пошкодження перегородок теплообмінника з PTFE (труби з PTFE самі по собі не піддаються корозії, але металеві перегородки та опорні пластини можуть).

3. Відстань від труби до перегородки
Кожна перегородка має отвір, через який проходить PTFE трубка. Для забезпечення руху гнучкої трубки з ПТФЕ та запобігання з’єднанню під час теплового розширення необхідний простір від 0,2 до 0,5 мм. Через ці маленькі кільцеві отвори може виходити рідина. Трубка для перегородки витоку, як правило, незначний внесок у байпас у більшості конструкцій (зазвичай<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.

Причини теплообмінників з байпасом PTFE
Внутрішнє обстеження зазвичай виявляє одну або декілька з наступних станів:

Зношені або відсутні антипогодні зачистки
Ущільнювальні планки кріпляться до перегородок за допомогою шурупів, затискачів або зварюванням. З часом гвинти можуть ослабнути, затискачі можуть вийти з ладу, а самі смужки можуть піддатися корозії або зруйнуватися. У деяких відремонтованих-комплектах ущільнювальні смуги могли не бути повторно-встановлені після повторного-трубки. Регулярно виявляється, що ущільнювальні смуги присутні лише на кількох перегородках або зовсім відсутні.

Пошкоджені перегородки,
Перегородки можна зламати:

Паровий молот – повторювані ударні хвилі можуть зігнути або розбити металеві перегородки біля отворів труб.

Корозія - Сталеві перегородки можуть стоншуватися та втрачати форму під час корозійного використання (навіть із трубками з ПТФЕ).

Механічний удар - Перегородки можуть бути зігнуті під час вставлення або видалення пучка, якщо вони не вирівняні належним чином.

Більше не щільно прилягаючи до оболонки, зігнута перегородка створює значний зазор. У зламаної перегородки можуть бути відсутні деталі, які забезпечуватимуть потік.

Великий просвіт корпусу від оригінального дизайну
Деякі недорогі-теплообмінники з ПТФЕ сконструйовані з надмірно великими зазорами-до-оболонки для полегшення виробництва. Зазор може становити 10 мм і більше. Ущільнювальні смужки відсутні або занадто малі. У цих ситуаціях витік байпасу є конструктивною особливістю, і її неможливо повністю усунути без серйозної реконструкції.

Як діагностувати витік байпасу, не відкриваючи теплообмінник
Якщо підозрюється витік через байпас:

Швидкість теплопередачі, розрахована на основі температур на вході/виході та швидкості потоку, набагато нижча за проектну цифру, навіть якщо труби чисті та немає зовнішніх витоків.

Перепад тиску на стороні корпусу менший, ніж історичні показання за тієї самої витрати. Менший перепад тиску означає, що рідина тече через канал меншого опору (байпас).

Зміна температури рідини -на стороні кожуха (ΔT) не відповідає очікуванням, і температура на виході -на стороні труби так само відхиляється від цільової.

По-перше, життєво важливо виключити альтернативні пояснення низької продуктивності: забруднення, уловлювані не-конденсовані речовини або низькі витрати. Якщо вони зникають, то, ймовірно, витік байпасу.

Дії з усунення витоку байпаса
Належний ремонт залежить від тяжкості та доступності пучка труб.

1. Заміна ущільнювальних планок (найпоширеніший ремонт)
Для теплообмінників зі знімними пучками труб ущільнювальні стрічки можна вставляти або знімати під час планової зупинки. Процес такий:

Кришка оболонки знімається, а пучок труб витягується.

Дефлектори перевіряються. Очистіть сміття та корозію з канавок наявної ущільнювальної стрічки.

Нові ущільнювальні смуги (часто просочена PTFE тканина, металеві пружинні смуги або суцільні PTFE стрижні) відрізаються до необхідної довжини та встановлюються в прорізи на кожній перегородці. Смуги повинні виступати назовні, щоб контактувати з внутрішньою стінкою корпусу з невеликим натягом (стиснення 0,2–0,5 мм).

Смуги утримуються на місці за допомогою гвинтів або за допомогою оброблення країв перегородки (для металевих смуг). Деякі конструкції утримують смужки тиском оболонки на перегородку.

Зв'язка перевстановлюється і тестується обмінник.

Цей ремонт зазвичай відновлює 90-100% втраченої продуктивності, якщо перегородки не пошкоджені.

2. Ремонт або заміна перегородки
Ущільнювальні стрічки самі по собі не можуть виправити перегородки, які зігнуті, зламані або пошкоджені корозією. Пошкоджені перегородки слід виправити або замінити. Для теплообмінників з PTFE перегородки зазвичай виготовляються з металу (нержавіючої або вуглецевої сталі), який може бути:

Випрямлені - невеликі вигини можна розштовхувати в гідравлічному пресі.

Заварені - Тріщини заварені та відшліфовані. Слідкуйте за тим, щоб не спотворити перегородку.

Замінено – сильно пошкоджені перегородки вирізаються з пучка, а нові перегородки накручуються на PTFE трубки. Це трудомістка-операція, яка часто виконується під час повної заправки.

Після ремонту перегородки встановлюються нові ущільнювальні планки.

3. Коригування -бокового потоку (тимчасове пом’якшення)
У ситуаціях, коли негайний демонтаж неможливий, робочі налаштування можуть частково компенсувати витік байпасу. Збільшення швидкості потоку-з боку оболонки підвищує швидкість як через пучок труб, так і через байпасні зазори. Оскільки падіння тиску збільшується з квадратом швидкості, більша швидкість потоку може збільшити частку рідини, яка фактично перетинає труби. Однак це не усуває першопричину та збільшує енергію накачування. Це лише тимчасовий захід.

4. Редизайн для серйозних проблем з очищенням
В теплообмінниках із загалом зазором корпусу (погана початкова конструкція) можна спробувати модернізувати товщі ущільнювальні стрічки або встановити фіктивні трубки в міжтрубному просторі. Фіктивні трубки – це короткі відрізки трубок із ПТФЕ, які встановлюються в крайні отвори трубок, але закриваються на кінцях трубної решетки, щоб через них не текла рідина. Вони займають простір і блокують обхід. Цей підхід вимагає свердління додаткових отворів у перегородках і трубних решетках і зазвичай виконується спеціалізованою ремонтною майстернею.

Опис поперечної -схеми (текстове представлення)
У наведеному нижче описі показано обхідні шляхи в типовому теплообміннику з оболонкою-і-трубкою з PTFE у поперечному-розрізі:

Зовнішнє коло позначає внутрішню стінку оболонки.

Всередині круглий ряд маленьких кіл представляє трубки з ПТФЕ.

Проміжок між крайніми колами труби та внутрішньою стінкою оболонки є проміжком від пучка-до-оболонки (кільцевий обхідний шлях). У добре сконструйованому теплообміннику ущільнювальні смужки (зображені у вигляді маленьких прямокутників, прикріплених до перегородки) виступають у цей зазор, майже торкаючись стінки кожуха.

Перегородка показана як горизонтальна лінія, що перетинає внутрішню частину оболонки, з вирізами (вікно перегородки) угорі та внизу. Рідина, яка тече навколо країв перегородки-крізь перегородку-до-зазору оболонки-позначена стрілками, що проходять між наконечником перегородки та стінкою оболонки.

Маленькі стрілки між окремими трубками та перегородкою вказують на витік між-{1}}перегородками.

Ущільнювальні стрічки блокують кільцевий байпас. Якщо великі стрілки відсутні, вони вказують на безперешкодний потік через кільцевий зазор.

Запобігання витоку через байпас
Витік байпасу найкраще запобігати під час проектування та початкового складання:

Укажіть конструкцію TEMA класу R або B – ці стандарти визначають максимальні зазори та вимагають ущільнювальних смужок для діаметрів корпусу понад певного розміру.

Використовуйте подвійні ущільнювальні смуги – два ряди ущільнювальних смуг на перегородку забезпечують резервування.

Перевірте ущільнювальні смужки під час повторного встановлення трубок – будь-які відсутні або пошкоджені смужки замініть перед повторним складанням.

Уникайте гідроударів. Як зазначено у відповідних посібниках, паровий молот пошкоджує перегородки та послаблює кріплення ущільнювальної стрічки.

Періодична внутрішня перевірка (кожні 3–5 років) повинна включати перевірку герметичності ущільнювальних планок і стану перегородок. Якщо раніше виникла підозра на витік через байпас, випробування на перепад тиску за відомої витрати можна порівняти з базовими даними.

Висновок
Витік байпасу є проблемою конструкції та обслуговування, яка безшумно погіршує продуктивність PTFE теплообмінника. Основними шляхами є зазор від-до-оболонки (кільцевий байпас) і зазор-до-оболонки. Відсутні або зношені ущільнювальні стрічки та пошкоджені перегородки є найпоширенішими причинами. Внутрішня перевірка часто виявляє ці проблеми. Коригувальні дії включають заміну ущільнювальних смуг, ремонт або заміну пошкоджених перегородок і, як тимчасовий захід, збільшення потоку-збоку оболонки. Для серйозних проблем із зазором можуть знадобитися фіктивні труби або переробка. Проблема байпасного витоку PTFE теплообмінника може зменшити теплопередачу на 10–30%, але більшість випадків повністю виправляється під час запланованого відключення. Правильне виготовлення з відповідними ущільнювальними стрічками та періодичним внутрішнім оглядом зберігають теплову ефективність і продовжують термін служби.