El desafío del cálculo al aire libre
Un intercambiador de calor de PTFE instalado al aire libre experimenta temperaturas ambiente que oscilan entre 15 y 20 grados entre el día y la noche, y entre 30 y 40 grados entre verano e invierno. La pérdida de calor del intercambiador y sus tuberías de interconexión con el medio ambiente varía proporcionalmente. Un diseño que tenga en cuenta sólo la temperatura promedio del invierno puede resultar insuficiente durante una ola de frío. Un diseño para temperaturas mínimas extremas desperdicia capacidad durante el funcionamiento normal.
El cálculo de la pérdida de calor debe tener en cuenta tanto la diferencia de temperatura promedio que genera la pérdida de calor como la pérdida máxima que determina la capacidad máxima requerida del intercambiador. También debe abordar el riesgo de congelación durante el apagado, cuando no entra calor y el intercambiador se enfría a temperatura ambiente.
A diferencia de los intercambiadores metálicos, el PTFE tiene un margen de seguridad contra daños por congelación. El fluoropolímero flexible se adapta a la expansión del agua congelada sin fracturarse-una propiedad que influye en la estrategia de protección contra la congelación.
Los componentes de la pérdida de calor
La pérdida de calor de una instalación de intercambiador de calor de PTFE exterior tiene tres componentes. La pérdida del tanque o del cuerpo del intercambiador ocurre desde las superficies expuestas del tanque o de la carcasa del intercambiador al aire ambiente. La tasa de pérdida depende del área de la superficie, la diferencia de temperatura entre el fluido del proceso y el aire ambiente y el coeficiente general de transferencia de calor a través de cualquier aislamiento más la película de aire externa.
La pérdida de las tuberías de interconexión se produce desde las tuberías aéreas-entre el intercambiador y el proceso. Incluso con aislamiento, cada metro de tubería contribuye con una pérdida de calor mensurable. La pérdida total de la tubería depende de la longitud de la tubería expuesta y de la diferencia de temperatura.
La pérdida mejorada por el viento-aumenta el coeficiente de transferencia de calor externo. Un viento de 5 m/s puede duplicar la pérdida de calor en comparación con el aire en calma. Los datos del viento para el lugar de instalación deben incluirse en el cálculo de la pérdida de calor.
Tabla 1: Factores de cálculo de pérdida de calor por condición ambiental (fluido de proceso de 50 grados, superficie expuesta de 10 m², aislamiento de lana mineral de 25 mm)
| Condición ambiental | Diferencia de temperatura (grados) | Velocidad del viento (m/s) | Coeficiente de película externa (W/m²·K) | Pérdida de calor (kW) | Porcentaje de servicio de diseño (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tarde de verano (35 grados, quieto) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| Noche de verano (22 grados, quieto) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| Tarde de invierno (10 grados, con brisa) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| Noche de invierno (-5 grados, con brisa) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| Ola de frío (-20 grados, viento) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| Mínimo extremo (-30 grados, ventoso) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
Los valores de pérdida de calor para la superficie del tanque sin aislamiento serían de 4 a 6 veces mayores. El aislamiento es fundamental para las instalaciones exteriores.
La optimización del aislamiento
Los cálculos de pérdida de calor guían la selección del espesor del aislamiento. El óptimo económico equilibra el costo de un aislamiento más grueso con el valor de la energía ahorrada durante la vida útil del equipo. Para instalaciones exteriores en climas fríos, el cálculo suele dar como resultado espesores de aislamiento de 50-75 mm.
El aislamiento debe ser resistente a la intemperie. El aislamiento exterior expuesto a la lluvia, la nieve y los rayos UV se degrada rápidamente sin un revestimiento protector. El revestimiento de aluminio o acero inoxidable protege el aislamiento y proporciona una superficie duradera y lavable. Todas las juntas deben sellarse para evitar la entrada de agua, lo que destruye la eficacia del aislamiento.
Los intercambiadores de PTFE presentan un desafío de aislamiento específico en las conexiones de brida y los puntos de acceso al cabezal. El sistema de aislamiento debe permitir el acceso periódico para inspección y mantenimiento sin sufrir daños durante su extracción y reemplazo. Las mantas aislantes extraíbles en estos lugares proporcionan el acceso necesario.
Estrategia de protección contra congelación
Cuando un intercambiador de calor de PTFE exterior se apaga en invierno, el fluido del proceso atrapado dentro de los tubos puede congelarse. El agua se expande aproximadamente un 9% al congelarse, generando una presión que puede dividir tuberías y recipientes rígidos.
Los tubos de PTFE se adaptan a la expansión del hielo sin fracturarse. El alargamiento de rotura del material supera el 200 % y su flexibilidad a bajas temperaturas.-El PTFE permanece dúctil hasta -200 grados, lo que permite que el tubo se expanda con el agua helada. Sin embargo, los cabezales metálicos, las bridas y las tuberías de interconexión conectadas al intercambiador de PTFE no comparten esta tolerancia a la congelación.
Por lo tanto, la estrategia de protección contra la congelación se centra en los componentes metálicos. El trazado calefactor de tuberías, cabezales y válvulas metálicas expuestas evita la congelación durante el apagado. Los tubos de PTFE en sí no requieren protección contra la congelación, aunque el líquido dentro de los tubos debe drenarse o permitirse que circule lentamente si persisten las condiciones de congelación.
Resumen
Los cambios de temperatura ambiente afectan las instalaciones de intercambiadores de calor de PTFE exteriores a través de una pérdida de calor variable que debe adaptarse al tamaño del intercambiador. El espesor del aislamiento está optimizado para el clima local, siendo esencial un revestimiento resistente a la intemperie para mayor durabilidad. Los efectos del viento sobre la pérdida de calor son importantes y deberían incluirse en los cálculos.
Los tubos de PTFE toleran la expansión por congelación sin sufrir daños, lo que brinda protección inherente contra las consecuencias más graves de las paradas invernales. Los esfuerzos de protección contra el congelamiento se centran en los componentes metálicos del sistema conectados al intercambiador de PTFE.
Las recomendaciones de ingeniería para el aislamiento del intercambiador de calor de PTFE exterior y el diseño de protección contra congelamiento están disponibles previa presentación de los datos meteorológicos del sitio, las propiedades de los fluidos de proceso, los perfiles de temperatura de operación y apagado y el diseño de las tuberías.
