La vibration qui va et vient
Les opérateurs signalent qu'un échangeur de chaleur en PTFE dans une cuve de nickelage agitée vibre visiblement-mais uniquement lorsque l'agitateur fonctionne à certaines vitesses. A 45 RPM, les tubes sont immobiles. À 60 tr/min, une oscillation à basse fréquence- se développe dans les rangées de tubes externes. A 80 RPM, la vibration disparaît à nouveau. La vibration est intermittente non pas parce qu'elle est aléatoire, mais parce qu'elle dépend de la vitesse de l'agitateur correspondant à une condition spécifique pour l'évacuation du vortex depuis les pales de la turbine.
La vibration est plus qu'une curiosité. Les vibrations induites par l'écoulement soumettent les tubes en PTFE à des contraintes de flexion cycliques au niveau des plaques de support. Au fil de milliers de cycles, le stress accumule les dommages dus à la fatigue. Les tubes qui vibrent à une amplitude visible peuvent tomber en panne prématurément aux points de contact du support.
Le diagnostic de la source de vibration et l'adéquation de sa fréquence à la fréquence naturelle du tube permettent de trouver une solution ciblée -en modifiant légèrement la vitesse de l'agitateur, en modifiant la roue ou en ajoutant un déflecteur de débit-qui élimine la résonance sans modifications majeures de l'équipement.
Le mécanisme de perte de vortex
Une turbine d’agitateur crée un champ d’écoulement avec des fluctuations périodiques de vitesse. Lorsque chaque pale de roue passe un point donné, elle génère une impulsion de pression. La fréquence de ces impulsions est la fréquence de passage des pales : BPF=(RPM / 60) × nombre de pales. Une turbine à 4-pales à 60 tr/min produit une fréquence de passage des pales de 4 Hz.
En plus de la fréquence de passage des pales, la turbine élimine les tourbillons de ses extrémités. La fréquence de déversement des vortex est proportionnelle à la vitesse de pointe de la pale divisée par la largeur de la pale. Pour un agitateur typique, la fréquence de rejet du vortex est de 5 à 20 Hz, en fonction du diamètre et de la vitesse de la roue.
Si la fréquence de passage des pales-ou la fréquence de perte du vortex correspond à la fréquence naturelle d'un tube en PTFE dans l'échangeur de chaleur adjacent, une résonance se produit. Le tube oscille à sa fréquence naturelle avec une amplitude déterminée par l'apport d'énergie du flux. L'oscillation est plus prononcée dans les tubes les plus proches de la roue et diminue avec la distance.
| Paramètre de vibration | Valeur pour l'exemple de diagnostic |
|---|---|
| Type d'agitateur | Turbine à 4-pales inclinées |
| Diamètre de la roue | 0.8 m |
| Plage de vitesse de l'agitateur | 40-120 tr/min |
| Lame-plage de fréquences de passage | 2,7-8,0 Hz |
| Gamme de fréquences de perte de vortex | 6-18 Hz |
| Fréquence naturelle du tube PTFE (OD 10 mm, paroi 1 mm, portée 400 mm) | ~4,5 Hz |
| Condition de résonance | La fréquence de passage de la lame-à ~68 rpm correspond à 4,5 Hz |
| Vitesse de vibration observée | 60-75 tr/min |
La méthode de mesure diagnostique
La procédure de diagnostic mesure la fréquence de vibration réelle des tubes PTFE et la compare aux fréquences d'excitation calculées de l'agitateur. Un accéléromètre fixé à un tube représentatif (avec le réservoir vidé jusqu'au niveau de mesure ou à l'aide d'un accéléromètre étanche) enregistre le spectre de vibration pendant le fonctionnement de l'agitateur à différentes vitesses.
Le spectre de vibration montre un pic à la fréquence naturelle du tube en cas de résonance. L'amplitude maximale est la plus élevée à la vitesse de l'agitateur qui fait correspondre la fréquence d'excitation à la fréquence naturelle. Un tracé en cascade-spectres de vibration empilés verticalement pour chaque vitesse d'agitateur-révèle la condition de résonance sous la forme d'un pic qui monte et descend à mesure que la vitesse traverse la plage critique.
Si la mesure par accéléromètre n'est pas réalisable, une approche plus simple utilise un stroboscope. Le stroboscope est dirigé vers les tubes vibrants et ajusté jusqu'à ce que le mouvement apparent se fige. La fréquence du flash à laquelle se produit le gel est égale à la fréquence de vibration. Ceci est comparé aux fréquences calculées de passage des pales et de perte de vortex pour identifier la source d'excitation.
Stratégies d'atténuation
Une fois la source d'excitation et la condition de résonance identifiées, plusieurs options d'atténuation sont disponibles. Changer la vitesse de l'agitateur pour éviter la plage critique est la solution la plus simple et souvent la plus pratique-passer de 68 rpm à 55 rpm ou 80 rpm, par exemple. Le processus doit tolérer la modification de l'intensité du mélange.
L'ajout d'un déflecteur de flux ou d'une chicane entre la roue et l'échangeur de chaleur perturbe le dégagement organisé du vortex avant qu'il n'atteigne les tubes. Une simple plaque perforée ou une grille à barres, positionnée à 150-300 mm de la turbine, brise la structure d'écoulement périodique.
La modification de l'espacement des supports de tube modifie la fréquence propre du tube, l'éloignant de la fréquence d'excitation. La réduction de l'envergure de 400 mm à 300 mm augmente la fréquence naturelle d'environ 75 %, bien au-dessus de la plage de fréquences de passage de la lame-.
Résumé
Les vibrations intermittentes du tube dans un échangeur de chaleur en PTFE à proximité d'un agitateur sont causées par le délestage du vortex ou la fréquence de passage des pales-qui correspond à la fréquence naturelle du tube. Le diagnostic utilise la mesure d'un accéléromètre ou l'observation au stroboscope pour confirmer la condition de résonance et identifier la vitesse critique de l'agitateur. Les options d'atténuation incluent l'ajustement de la vitesse, l'installation d'un déflecteur de flux ou la réduction de l'espacement des supports. La gestion des vibrations évite-les dommages dus à la fatigue à long terme sur les tubes en PTFE.
Une assistance technique pour le diagnostic et l'atténuation des vibrations dans des installations spécifiques d'échangeurs de chaleur en PTFE est disponible sur présentation des spécifications de l'agitateur, de la géométrie de la roue, des dimensions des tubes et de l'espacement des supports, ainsi que des plages de vitesses de vibration observées.
