La velocidad que determina el coeficiente de la película.
Una instalación de procesamiento químico que opera un intercambiador de calor de PTFE con una velocidad en el lado del tubo-de 1,5 m/s reporta un coeficiente de transferencia de calor general de 250 W/m²·K. El coeficiente de la película del lado del proceso-es de aproximadamente 1200 W/m²·K, la resistencia de la pared del tubo contribuye aproximadamente con 0,0032 m²·K/W y el coeficiente de la película del lado del servicio-es de aproximadamente 3000 W/m²·K.
El coeficiente global es el recíproco de la suma de las resistencias térmicas. La resistencia de la película del lado del proceso-es de 1/1,200=0.00083 m²·K/W. La resistencia de la pared del tubo es de 0,0032 m²·K/W. La resistencia de la película del lado de servicio-es de 1/3,000=0.00033 m²·K/W. La resistencia total es 0,00436 m²·K/W y el coeficiente global es 229 W/m²·K.
La resistencia de la película del lado del proceso-es aproximadamente el 19 % de la resistencia total. La resistencia de la pared del tubo es aproximadamente el 73% del total. La resistencia de la película del lado de servicio-es aproximadamente el 8 % del total.
Si la velocidad se reduce de 1,5 m/s a 0,75 m/s, el coeficiente de la película del lado del proceso-cae a aproximadamente 690 W/m²·K, y la resistencia de la película aumenta a 0,00145 m²·K/W. La resistencia total aumenta a 0,0050 m²·K/W y el coeficiente global cae a 200 W/m²·K. El coeficiente global disminuye un 13%, aunque la velocidad se redujo a la mitad.
Por qué el efecto es menor de lo esperado
El efecto de la velocidad sobre el coeficiente general es menor que el efecto sobre el coeficiente de la película porque la resistencia de la película es sólo una fracción de la resistencia total. En un intercambiador de calor de PTFE, la resistencia de la pared del tubo domina y la resistencia de la película es un factor secundario.
Esto es diferente de un intercambiador de calor metálico, donde la resistencia de la pared del tubo es insignificante y domina la resistencia de la película. En un intercambiador de calor de metal, una reducción del 50% en la velocidad reduce el coeficiente general en aproximadamente un 43%. En un intercambiador de calor de PTFE, la misma reducción de velocidad reduce el coeficiente general sólo entre un 10% y un 15%.
El efecto menor significa que la velocidad es menos crítica para el rendimiento general en un intercambiador de calor de PTFE que en un intercambiador de calor de metal. Sin embargo, la velocidad sigue siendo importante por otras razones, incluido el control de incrustaciones, la distribución del flujo y la vibración de los tubos.
El efecto de la velocidad en diferentes espesores de pared
El efecto de la velocidad sobre el coeficiente global depende del espesor de la pared del tubo. Una pared más delgada tiene una menor resistencia de pared, lo que significa que la resistencia de la película es una fracción mayor de la resistencia total y el efecto de la velocidad es mayor.
Para un tubo de PTFE con una pared de 0,5 mm y una conductividad térmica de 0,25 W/m·K, la resistencia de la pared es 0,0020 m²·K/W. La resistencia total con un coeficiente de película del lado del proceso- de 1200 W/m²·K y un coeficiente de película del lado del servicio- de 3000 W/m²·K es 0,00316 m²·K/W, y el coeficiente general es 316 W/m²·K. La resistencia de la película del lado del proceso-es del 26% del total.
Si la velocidad se reduce a la mitad, el coeficiente-de la película del lado del proceso cae a 690 W/m²·K y la resistencia de la película aumenta a 0,00145 m²·K/W. La resistencia total aumenta a 0,00378 m²·K/W y el coeficiente global cae a 265 W/m²·K. El coeficiente global disminuye un 16%, frente al 13% de la pared de 0,8 mm.
El efecto de la velocidad es mayor para paredes más delgadas porque la resistencia de la pared es una fracción más pequeña de la resistencia total.
El efecto de la velocidad en diferentes diámetros de tubo
El efecto de la velocidad sobre el coeficiente de la película depende del diámetro del tubo. Un tubo de menor diámetro tiene un coeficiente de película más alto para la misma velocidad porque el flujo es más turbulento y la capa límite es más delgada.
Para un tubo de 6 mm a 1,5 m/s, el número de Reynolds es aproximadamente 9.000, que se encuentra en el régimen de flujo de transición. El coeficiente de la película es de aproximadamente 1.000 W/m²·K.
Para un tubo de 12 mm a 1,5 m/s, el número de Reynolds es aproximadamente 18.000, que se encuentra en el régimen de flujo turbulento. El coeficiente de la película es de aproximadamente 1.500 W/m²·K.
El tubo de mayor diámetro tiene un coeficiente de película más alto a la misma velocidad porque el número de Reynolds es mayor. Sin embargo, el tubo de mayor diámetro también tiene un área superficial menor por unidad de volumen, lo que reduce el área total de transferencia de calor para un volumen dado del intercambiador de calor.
Cuantificación del efecto de la velocidad sobre el coeficiente general
La siguiente tabla resume el coeficiente general de transferencia de calor a diferentes velocidades del lado del tubo-para un intercambiador de calor de PTFE con una pared de 0,8 mm, un diámetro de tubo de 9,5 mm y un coeficiente de película del lado de servicio- de 3000 W/m²·K.
| Tubo-Velocidad lateral | Número de Reynolds | Proceso-Coeficiente de película lateral | Proceso-Resistencia de la película lateral | Resistencia total | Coeficiente general | Cambio desde el inicio |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 m/s | 4,500 | 500 W/m²·K | 0.00200 m²·K/W | 0.00553 m²·K/W | 181 W/m²·K | −21% |
| 0.75 m/s | 6,750 | 690 W/m²·K | 0.00145 m²·K/W | 0.00498 m²·K/W | 201 W/m²·K | −12% |
| 1.0 m/s | 9,000 | 850 W/m²·K | 0.00118 m²·K/W | 0.00471 m²·K/W | 212 W/m²·K | −7% |
| 1.25 m/s | 11,250 | 1,000 W/m²·K | 0.00100 m²·K/W | 0.00453 m²·K/W | 221 W/m²·K | −3% |
| 1.5 m/s | 13,500 | 1,150 W/m²·K | 0.00087 m²·K/W | 0.00440 m²·K/W | 227 W/m²·K | Base |
| 2.0 m/s | 18,000 | 1,450 W/m²·K | 0.00069 m²·K/W | 0.00422 m²·K/W | 237 W/m²·K | +4% |
| 2.5 m/s | 22,500 | 1,700 W/m²·K | 0.00059 m²·K/W | 0.00412 m²·K/W | 243 W/m²·K | +7% |
| 3.0 m/s | 27,000 | 1,950 W/m²·K | 0.00051 m²·K/W | 0.00404 m²·K/W | 248 W/m²·K | +9% |
Los valores generales del coeficiente suponen una pared de PTFE de 0,8 mm con una conductividad térmica de 0,25 W/m·K y un coeficiente de película del lado de servicio- de 3000 W/m²·K. El coeficiente de película del lado del proceso-se calcula a partir de la correlación de Dittus-Boelter para flujo turbulento.
El rango práctico de velocidades para intercambiadores de calor de PTFE
El rango de velocidad práctico para los intercambiadores de calor de PTFE está determinado por la compensación entre el beneficio de la transferencia de calor y la penalización por la caída de presión. Una mayor velocidad aumenta el coeficiente de la película pero también aumenta la caída de presión, lo que aumenta la energía de bombeo.
Para la mayoría de las aplicaciones de intercambiadores de calor de PTFE, el rango de velocidad práctico es de 1,0 a 2,0 m/s. Por debajo de 1,0 m/s, el coeficiente de la película es bajo y la tasa de incrustación es alta. Por encima de 2,0 m/s, la caída de presión y la energía de bombeo aumentan rápidamente, y aumenta el riesgo de vibración y erosión del tubo.
La velocidad óptima depende de la aplicación específica. Para un servicio limpio con bajo potencial de contaminación, una velocidad de 1,0 a 1,5 m/s es adecuada. Para el servicio de incrustaciones, se recomienda una velocidad de 1,5 a 2,0 m/s para reducir la tasa de incrustaciones.
El efecto de la velocidad en el ensuciamiento
La velocidad afecta no sólo al coeficiente de la película sino también a la tasa de incrustación. Una velocidad más alta aumenta el esfuerzo cortante en la pared del tubo, lo que reduce la adhesión de los depósitos y la tasa de incrustación.
El esfuerzo cortante es proporcional a la velocidad al cuadrado. Al duplicar la velocidad se cuadriplica el esfuerzo cortante. La mayor tensión de corte elimina los depósitos de la pared del tubo y evita que se acumulen.
En el servicio de incrustaciones, el efecto de la velocidad sobre la tasa de incrustaciones puede ser más importante que el efecto de la velocidad sobre el coeficiente de la película. Una velocidad más alta reduce la frecuencia de limpieza y el coste de mantenimiento, incluso si la mejora del coeficiente de película es modesta.
El efecto de la velocidad sobre la vibración del tubo
Una velocidad más alta aumenta el riesgo de vibración del tubo, particularmente en la dirección del flujo cruzado. La vibración puede provocar grietas por fatiga en los soportes de los tubos y en las uniones de las placas de los tubos.
El riesgo de vibración depende de la frecuencia natural del tubo, la distancia entre los soportes y la velocidad del flujo. Para los tubos de PTFE, la frecuencia natural es menor que para los tubos metálicos debido al menor módulo de elasticidad. El riesgo de vibración es mayor para los tubos de PTFE a la misma velocidad.
El límite de velocidad práctico para los tubos de PTFE suele ser de 2,0 a 2,5 m/s, por encima del cual el riesgo de vibración se vuelve significativo. El límite depende de la distancia entre soportes y del diámetro del tubo.
Características de diseño que mejoran el efecto de velocidad
Varias características de diseño mejoran el efecto de la velocidad en el coeficiente de la película.
Diámetro de tubo más pequeño.Un tubo de menor diámetro tiene un coeficiente de película más alto para la misma velocidad porque el número de Reynolds es mayor.
Superficie del tubo mejorada.Una superficie de tubo con aletas o ranuras aumenta el coeficiente de la película al aumentar el área de la superficie y promover la turbulencia.
Cabecera de distribución de flujo.Un cabezal de distribución de flujo garantiza un flujo uniforme a través del haz de tubos, lo que evita zonas localizadas de baja velocidad-.
Variador de frecuencia.Un variador de frecuencia en la bomba permite ajustar el caudal para que coincida con la demanda del proceso, lo que mantiene la velocidad en el valor óptimo.
Parámetros de especificación para la velocidad óptima
Los ingenieros de equipos que especifican un intercambiador de calor de PTFE deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Velocidad de diseño.Especifique la velocidad lateral del tubo de diseño-. Para la mayoría de las aplicaciones se recomienda una velocidad de 1,0 a 2,0 m/s.
Tasa de flujo.Especifique el caudal de diseño y el rango esperado.
Diámetro del tubo.Especifique el diámetro del tubo en función del caudal y la velocidad.
Caída de presión.Especifique la caída de presión máxima permitida.
Potencial de contaminación.Especifique el potencial de contaminación del fluido del proceso. Se recomienda una velocidad más alta para el servicio de incrustaciones.
Riesgo de vibraciones.Especifique el espacio entre los soportes de los tubos y los requisitos del análisis de vibraciones.
Control de bombas.Especifique el método de control de la bomba. Se recomienda un variador de frecuencia para un control óptimo de la velocidad.
Monitoreo de temperatura.Especifique los sensores de temperatura y el método de monitoreo para rastrear el rendimiento de la transferencia de calor.
Adaptación de la velocidad a la transferencia de calor y los requisitos de contaminación
La velocidad del flujo dentro de los tubos intercambiadores de calor de PTFE influye en el coeficiente de transferencia de calor de la película a través de una relación de ley de potencia con un exponente de aproximadamente 0,8. El efecto sobre el coeficiente general es menor porque la resistencia de la pared del tubo domina en los intercambiadores de calor de PTFE. Sin embargo, la velocidad sigue siendo importante para el control de incrustaciones, la distribución del flujo y la vibración de los tubos.
La velocidad debe seleccionarse en función de los requisitos de transferencia de calor, el potencial de contaminación y el límite de caída de presión. Para la mayoría de las aplicaciones se recomienda una velocidad de 1,0 a 2,0 m/s. Se recomienda una velocidad más alta para un servicio sucio y una velocidad más baja es aceptable para un servicio limpio.
Para las instalaciones de procesamiento de productos químicos que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, la velocidad debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. La configuración predeterminada proporcionada por el fabricante puede optimizarse para lograr compacidad en lugar de rendimiento de transferencia de calor, y la velocidad resultante puede no coincidir con los requisitos reales del proceso.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para procesamiento químico u otros servicios de transferencia de calor pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la velocidad de diseño, el caudal, el diámetro del tubo, la caída de presión, el potencial de contaminación y el riesgo de vibración para confirmar que la unidad se ajusta a los requisitos reales del proceso y la estructura de costos de la instalación.
