Проблема вибрации
Трубки теплообменника из ПТФЭ являются гибкими. Их низкий модуль упругости (0,5 ГПа по сравнению с . 200 ГПа для стали) означает, что они больше прогибаются при заданной нагрузке и имеют более низкие собственные частоты, чем металлические трубы тех же размеров. Более низкие собственные частоты приближают их к частотам возбуждения, обычным для технологических резервуаров: -частоты прохождения лопаток мешалки- (2-10 Гц), частоты прохождения лопаток насоса (20–100 Гц) и турбулентности потока (широкополосные).
Если собственная частота лампы совпадает с частотой возбуждения, возникает резонанс. Трубка вибрирует с большой амплитудой, затрагивая соседние трубки или изнашиваясь в точках контакта опорной пластины. Вибрация ускоряет усталостное повреждение и может привести к преждевременному выходу трубы из строя.
Количество опорных пластин,-которое определяет длину неопорного пролета между опорами-, является основной проектной переменной, контролирующей собственную частоту трубы. Большее количество опор означает более короткие пролеты, более высокие собственные частоты и меньший риск резонанса.
Расчет собственной частоты
Собственная частота трубы с одним -пролетом между двумя опорами равна: f_n=(π / 2L²) × √(EI / м), где L — длина пролета между опорами, E — модуль изгиба ПТФЭ при рабочей температуре, I — момент инерции площади поперечного- сечения трубы, а m — масса на единицу длины трубы (включая содержащийся в ней пар/конденсат).
Частота обратно пропорциональна квадрату длины пролета. Уменьшение длины пролета вдвое (удвоение количества опор) увеличивает собственную частоту в четыре раза. Эта сильная зависимость делает расстояние между опорами наиболее эффективным инструментом проектирования для контроля вибрации.
Для трубки из ПТФЭ диаметром 10 мм × стенка 1 мм при угле 80 градусов (E ≈ 300 МПа) собственная частота для различных длин пролета равна:
| Длина пролета (мм) | Количество опор (труба 3 м) | Собственная частота (Гц) |
|---|---|---|
| 1,500 | 1 (только торцевые опоры) | 2.5 |
| 750 | 3 | 10 |
| 500 | 5 | 22.5 |
| 375 | 7 | 40 |
| 300 | 9 | 62.5 |
| 250 | 11 | 90 |
Критерий предотвращения резонанса
Чтобы избежать резонанса, собственная частота лампы должна быть как минимум на 20 % выше самой высокой ожидаемой частоты возбуждения или как минимум на 20 % ниже самой низкой ожидаемой частоты возбуждения. Для типичного резервуара с мешалкой с частотой прохождения лопасти мешалки -3-8 Гц и частотой прохождения лопаток насоса 40–60 Гц собственная частота трубки должна быть либо ниже 2,4 Гц (непрактично для большинства пролетов), либо выше 72 Гц.
Для достижения собственной частоты выше 72 Гц требуется длина пролета примерно 280 мм или меньше,-что соответствует 10 опорным пластинам для 3-метровой трубы. Это консервативная конструкция, обеспечивающая устойчивость ко всем типичным источникам возбуждения.
Если частоты мешалки и насоса хорошо-определены и контролируются, менее консервативная конструкция может быть приемлемой. Пролет 375 мм (7 опор, собственная частота 40 Гц) достаточен, если мешалка работает ниже 32 Гц, а насос ниже 32 Гц (нетипично для насосов).
Практический предел поддержки
Каждая опорная пластина увеличивает стоимость, занимает объем резервуара и увеличивает перепад давления на стороне корпуса. Существует практическое ограничение на количество опор. В большинстве случаев 5–9 опорных пластин для 3-метровой трубы (пролет 300–500 мм) обеспечивают достаточную виброустойчивость без чрезмерных затрат. Точное количество определяется конкретной средой возбуждения.
Краткое содержание
The number of support plates determines the tube natural frequency, which must be separated from the excitation frequencies to avoid destructive resonance. A span length of 280mm or less (natural frequency >72 Гц) обеспечивает устойчивость к большинству промышленных источников возбуждения. Количество опорных пластин является критическим параметром конструкции, определяющим надежность теплообменника из ПТФЭ в системах с перемешиванием или насосами.
Техническая поддержка для анализа вибрации пучка труб из ПТФЭ доступна при предоставлении размеров труб, длины труб, характеристик мешалки и насоса, а также рабочей температуры.
