El problema de la instalación remota
Las limitaciones de espacio a veces obligan a que la instalación del intercambiador de calor de PTFE se aleje del tanque de proceso. El intercambiador se encuentra en un entrepiso, en una habitación contigua o fuera del edificio. Las tuberías de interconexión transportan el fluido de proceso calentado desde el intercambiador al tanque y devuelve el fluido enfriado para recalentarlo.
Cada metro de tubería de interconexión pierde calor al entorno circundante. La solución calentada que sale del intercambiador de PTFE a 65 grados puede llegar al tanque a 58 grados. La caída de temperatura representa una pérdida de capacidad de calefacción. El intercambiador debe trabajar más para compensar, aumentando el consumo de vapor y potencialmente excediendo su función de diseño.
La pregunta para el ingeniero de diseño: ¿cuánta capacidad se pierde y a qué longitud de tubería la instalación remota resulta antieconómica?
El mecanismo de pérdida de calor
La pérdida de calor por las tuberías interconectadas sigue la ley de enfriamiento de Newton. La tasa de pérdida de calor depende de la diferencia de temperatura entre el fluido y el aire ambiente, el área de la superficie de la tubería y el coeficiente general de transferencia de calor del fluido al ambiente.
Las tuberías metálicas sin aislamiento pierden calor rápidamente. Una tubería de 50 mm de diámetro que transporta solución a una temperatura ambiente de 65 grados a 20 grados pierde aproximadamente 150-250 W por metro lineal. En un recorrido de 20 metros, la pérdida es de 3 a 5 kW. Para un sistema de calefacción de 30 kW, esto representa una reducción de capacidad del 10 al 17 %.
Las tuberías aisladas reducen significativamente las pérdidas. Un aislamiento de lana mineral o espuma de 25-50 mm de espesor, debidamente especificado, reduce la pérdida de calor a 20-40 W por metro. El mismo tramo de 20 metros pierde sólo entre 0,4 y 0,8 kW, un manejable entre el 1 y el 3% de la capacidad del sistema.
Tabla 1: Pérdida de calor de las tuberías de interconexión (tubería de 50 mm, fluido a 65 grados, ambiente a 20 grados)
| Condición de aislamiento | Pérdida de calor por metro (W/m) | Pérdida de recorrido de 10 m (kW) | Pérdida de recorrido de 20 m (kW) | Pérdida de capacidad efectiva (sistema de 30 kW) |
|---|---|---|---|---|
| Tubería de acero sin aislamiento | 200 | 2.0 | 4.0 | 13% |
| Tubería de PTFE sin aislamiento | 160 | 1.6 | 3.2 | 11% |
| Aislamiento de lana mineral de 25 mm. | 35 | 0.35 | 0.7 | 2.3% |
| Aislamiento de lana mineral de 50 mm. | 18 | 0.18 | 0.36 | 1.2% |
| Tubería pre-aislada (-rellena de espuma) | 12 | 0.12 | 0.24 | 0.8% |
Los valores de pérdida de calor son aproximados para tuberías horizontales en aire en calma. Las pérdidas reales dependen de la velocidad del viento, los soportes de las tuberías y la integridad del aislamiento.
Consideraciones sobre tuberías de PTFE
Las tuberías de interconexión de PTFE tienen una conductividad térmica más baja que el metal, lo que proporciona un aislamiento inherente modesto. La pérdida de calor de una tubería de PTFE sin aislamiento es aproximadamente un 20% menor que la de una tubería de acero equivalente. Esta pequeña ventaja no elimina la necesidad de aislamiento en tramos más largos.
Las tuberías de PTFE tienen un alto coeficiente de expansión térmica. Los tramos largos y rectos requieren bucles de expansión o fuelles para evitar tensiones excesivas en los puntos fijos. Los alojamientos de expansión deben integrarse con el sistema de aislamiento para evitar la creación de secciones sin aislamiento en las juntas de expansión.
El espacio entre soportes para tuberías de PTFE es menor que para el acero debido a su menor rigidez. Los soportes crean puentes térmicos a través del aislamiento. Cada soporte debe incluir una almohadilla aislante entre la tubería y la abrazadera del soporte para minimizar la pérdida de calor localizada.
Directrices de diseño para instalaciones remotas
Primero minimice la longitud de la tubería. Ubique el intercambiador de calor de PTFE tan cerca del tanque como lo permitan las limitaciones físicas. Cada metro ahorrado reduce la pérdida de calor y el costo de capital para tuberías y aislamiento.
Aísle completamente. Todas las tuberías calientes de interconexión, incluidos accesorios, bridas y válvulas, deben estar aisladas. Las almohadillas aislantes removibles permiten el acceso a la brida y a la válvula sin pérdida permanente de calor.
Dimensione el intercambiador con la pérdida de calor calculada incluida en el trabajo de diseño. Una carga de proceso de 30 kW con una pérdida de tubería de 2 kW requiere un intercambiador de 32 kW, no de 30 kW. El costo incremental es pequeño en comparación con el descubrimiento de bajo rendimiento después de la instalación.
Considere el caudal de recirculación bombeado. Los caudales más altos aumentan ligeramente la pérdida de calor por metro, pero reducen la caída de temperatura por pasada. El efecto neto sobre la temperatura entregada depende de la configuración de tubería específica.
Resumen
Las instalaciones remotas de intercambiadores de calor de PTFE pierden capacidad de calefacción debido a la pérdida de calor de las tuberías de interconexión. Las tuberías sin aislamiento en tramos de 10 metros pueden perder más del 10% de la capacidad del sistema. Un aislamiento adecuado reduce las pérdidas entre un 1 y un 3%.
Las pautas de diseño priorizan minimizar la longitud de las tuberías, aislar todas las superficies calientes e incluir las pérdidas calculadas en el tamaño del intercambiador. La menor conductividad térmica de las tuberías de PTFE proporciona una pequeña ventaja inherente pero no reemplaza el aislamiento.
El análisis de ingeniería para el diseño de la instalación remota del intercambiador de calor de PTFE está disponible previa presentación del diseño de la tubería, el material y el diámetro de la tubería, la temperatura del fluido, las condiciones ambientales y las especificaciones de aislamiento disponibles.
