Die Schwingung, die kommt und geht
Betreiber berichten, dass ein PTFE-Wärmetauscher in einem gerührten Vernickelungstank sichtbar vibriert-aber nur, wenn das Rührwerk mit bestimmten Geschwindigkeiten läuft. Bei 45 U/min stehen die Röhren still. Bei 60 U/min entsteht in den äußeren Rohrreihen eine niederfrequente Schwingung. Bei 80 U/min verschwindet die Vibration wieder. Die Vibration ist intermittierend, nicht weil sie zufällig ist, sondern weil sie von der Drehzahl des Rührwerks abhängt, die einer bestimmten Bedingung für die Wirbelablösung von den Laufradschaufeln entspricht.
Die Vibration ist mehr als eine Kuriosität. Durch die durch Strömung-induzierte Vibration werden die PTFE-Schläuche an den Stützplatten einer zyklischen Biegespannung ausgesetzt. Über Tausende von Zyklen akkumuliert die Belastung Ermüdungsschäden. Rohre, die mit sichtbarer Amplitude schwingen, können an den Stützkontaktpunkten vorzeitig ausfallen.
Die Diagnose der Vibrationsquelle und ihrer Frequenzanpassung an die Eigenfrequenz des Rohrs ermöglicht eine zielgerichtete Lösung, -die die Rührwerksgeschwindigkeit leicht ändert, das Laufrad modifiziert oder einen Strömungsablenker hinzufügt-, der die Resonanz ohne größere Änderungen an der Ausrüstung eliminiert.
Der Wirbelablösungsmechanismus
Ein Rührflügelrad erzeugt ein Strömungsfeld mit periodischen Geschwindigkeitsschwankungen. Wenn jede Laufradschaufel einen bestimmten Punkt passiert, erzeugt sie einen Druckimpuls. Die Frequenz dieser Impulse ist die Rotorblattdurchlauffrequenz: BPF=(RPM / 60) × Anzahl der Rotorblätter. Ein Laufrad mit 4-Blättern erzeugt bei 60 U/min eine Flügeldurchlauffrequenz von 4 Hz.
Zusätzlich zur Schaufeldurchlauffrequenz wirft das Laufrad Wirbel von seinen Schaufelspitzen ab. Die Wirbelablösungsfrequenz ist proportional zur Blattspitzengeschwindigkeit dividiert durch die Blattbreite. Bei einem typischen Rührwerk beträgt die Wirbelablösungsfrequenz 5–20 Hz, abhängig vom Laufraddurchmesser und der Drehzahl.
Wenn entweder die Schaufeldurchlauffrequenz oder die Wirbelablösungsfrequenz mit der Eigenfrequenz eines PTFE-Rohrs im angrenzenden Wärmetauscher übereinstimmt, tritt Resonanz auf. Das Rohr schwingt mit seiner Eigenfrequenz, wobei die Amplitude durch den Energieeintrag der Strömung bestimmt wird. Die Schwingung ist in den Rohren, die dem Laufrad am nächsten sind, am stärksten ausgeprägt und nimmt mit der Entfernung ab.
| Vibrationsparameter | Wert für Diagnosebeispiel |
|---|---|
| Rührwerkstyp | 4-Blattturbine mit geneigten Schaufelblättern |
| Laufraddurchmesser | 0.8 m |
| Drehzahlbereich des Rührwerks | 40-120 U/min |
| Blade-Durchgangsfrequenzbereich | 2,7–8,0 Hz |
| Frequenzbereich der Wirbelablösung | 6-18 Hz |
| Eigenfrequenz des PTFE-Schlauchs (10 mm Außendurchmesser, 1 mm Wand, 400 mm Spannweite) | ~4,5 Hz |
| Resonanzzustand | Die Klingendurchlauffrequenz bei ~68 U/min entspricht 4,5 Hz |
| Beobachtete Vibrationsgeschwindigkeit | 60-75 U/min |
Die diagnostische Messmethode
Das Diagnoseverfahren misst die tatsächliche Vibrationsfrequenz der PTFE-Schläuche und vergleicht sie mit den berechneten Anregungsfrequenzen des Rührwerks. Ein Beschleunigungsmesser, der an einem repräsentativen Rohr angebracht ist (bei entleertem Tank bis zum Messniveau oder unter Verwendung eines wasserdichten Beschleunigungsmessers), zeichnet das Vibrationsspektrum während des Rührwerksbetriebs bei verschiedenen Geschwindigkeiten auf.
Das Schwingungsspektrum zeigt bei Resonanz eine Spitze bei der Eigenfrequenz der Röhre. Die Spitzenamplitude ist bei der Rührgeschwindigkeit am höchsten, bei der die Erregerfrequenz an die Eigenfrequenz angepasst ist. Ein Wasserfalldiagramm-vertikal gestapelte Vibrationsspektren für jede Rührwerksgeschwindigkeit-zeigt den Resonanzzustand als einen Peak, der ansteigt und abfällt, wenn die Geschwindigkeit den kritischen Bereich durchläuft.
Wenn eine Messung mit einem Beschleunigungsmesser nicht möglich ist, besteht ein einfacherer Ansatz darin, ein Stroboskop zu verwenden. Das Stroboskop wird auf die vibrierenden Röhren gerichtet und so lange verstellt, bis die scheinbare Bewegung einfriert. Die Blitzfrequenz, bei der das Gefrieren auftritt, entspricht der Vibrationsfrequenz. Dies wird mit den berechneten Schaufeldurchlauf- und Wirbelablösungsfrequenzen verglichen, um die Anregungsquelle zu identifizieren.
Minderungsstrategien
Sobald die Anregungsquelle und der Resonanzzustand identifiziert sind, stehen mehrere Abhilfemaßnahmen zur Verfügung. Die Änderung der Rührwerksgeschwindigkeit, um den kritischen Bereich zu vermeiden, ist die einfachste und oft praktischste Lösung. -Zum Beispiel die Umstellung von 68 U/min auf 55 U/min oder 80 U/min. Der Prozess muss die veränderte Mischintensität tolerieren.
Durch den Einbau eines Strömungsabweisers oder einer Leitwand zwischen dem Laufrad und dem Wärmetauscher wird die organisierte Wirbelablösung unterbrochen, bevor sie die Rohre erreicht. Ein einfaches perforiertes Platten- oder Stabgitter, das 150–300 mm vom Laufrad entfernt positioniert ist, unterbricht die periodische Strömungsstruktur.
Durch Ändern des Abstands der Rohrhalterungen wird die Eigenfrequenz des Rohrs verändert und von der Erregerfrequenz entfernt. Durch die Reduzierung der Spannweite von 400 mm auf 300 mm erhöht sich die Eigenfrequenz um ca. 75 % und liegt deutlich über dem Blattdurchgangsfrequenzbereich.
Zusammenfassung
Intermittierende Rohrvibrationen in einem PTFE-Wärmetauscher in der Nähe eines Rührwerks werden durch Wirbelablösung oder durch die Bewegung der Schaufel-frequenz verursacht, die der Eigenfrequenz des Rohrs entspricht. Die Diagnose erfolgt mittels Beschleunigungsmessermessung oder Stroboskopbeobachtung, um den Resonanzzustand zu bestätigen und die kritische Rührwerksgeschwindigkeit zu ermitteln. Zu den Abhilfemaßnahmen gehören die Geschwindigkeitsanpassung, die Installation von Strömungsablenkern oder die Reduzierung des Stützabstands. Durch die Beseitigung der Vibration werden langfristige Ermüdungsschäden an den PTFE-Schläuchen verhindert.
Technische Unterstützung für die Vibrationsdiagnose und -minderung in bestimmten PTFE-Wärmetauscherinstallationen ist nach Vorlage der Rührwerksspezifikationen, der Laufradgeometrie, der Rohrabmessungen und der Stützabstände sowie der beobachteten Vibrationsgeschwindigkeitsbereiche verfügbar.
