El desafío del nivel variable
Un tanque de enjuague en una línea de enchapado funciona al 80 % de su capacidad durante la producción normal, pero cae al 40 % durante los cambios de piezas. El intercambiador de calor de PTFE debe ofrecer una función de calefacción completa en el nivel bajo sin sufrir daños cuando el tanque se llena al nivel alto. La profundidad de inmersión-la distancia vertical desde la superficie del líquido hasta la parte superior del intercambiador de calor-determina tanto el rendimiento térmico como la seguridad mecánica.
Coloque el intercambiador demasiado profundo y, a niveles bajos del tanque, los tubos superiores quedarán expuestos. Los tubos expuestos en el servicio de vapor se sobrecalientan en el aire, lo que puede dañar las estructuras de soporte y crear riesgo de quemaduras. Si se coloca el intercambiador a poca profundidad, en niveles altos del tanque la superficie de calentamiento se concentra cerca del piso del tanque, lo que promueve la estratificación térmica y una mezcla incompleta.
La profundidad de inmersión óptima es un porcentaje calculado de la altura del haz de tubos que garantiza la inmersión en todos los niveles operativos normales mientras mantiene un espacio adecuado para la expansión térmica y evita el contacto con el lodo en el piso del tanque.
El requisito mínimo de inmersión
Un tubo intercambiador de calor de PTFE que transporta vapor saturado a 3 barg tiene una temperatura interna de 143 grados. Cuando se sumerge en líquido, la temperatura de la pared externa es 10-30 grados más baja que la temperatura del vapor, dependiendo del coeficiente de transferencia de calor. Cuando se expone al aire, la temperatura de la pared externa se acerca a la temperatura del vapor, porque el enfriamiento por aire elimina una cantidad insignificante de calor.
El problema con los tubos expuestos no es el PTFE en sí mismo-clasificado para un servicio continuo de 260 grados-sino el sistema de soporte. Las placas de soporte de PVDF se ablandan por encima de los 150 grados. Los soportes de soporte metálicos se expanden a velocidades diferentes a las del PTFE, lo que potencialmente afloja el agarre del tubo. La práctica de diseño seguro garantiza que todos los tubos que transportan vapor permanezcan sumergidos al nivel mínimo de funcionamiento.
La profundidad de inmersión mínima se calcula como la distancia desde el nivel de líquido más bajo esperado hasta la parte superior de la fila superior de tubos portadores de vapor-, más un margen de seguridad para la incertidumbre en la medición del nivel y la acción de las olas debido a la agitación. Lo típico es un margen de 50-100 mm.
Tabla 1: Parámetros de inmersión recomendados para intercambiadores de calor de PTFE en tanques de nivel-variable
| Parámetro | Valor recomendado | Base |
|---|---|---|
| Sumersión mínima sobre la fila de tubos superiores | 75-100 mm | Cuentas para el error del sensor de nivel y las ondas superficiales. |
| Tolerancia máxima de exposición del tubo | 0% (sin tubos por encima del líquido al nivel mínimo) | Los tubos de PTFE sobreviven a una exposición breve, pero es posible que los soportes no |
| Distancia inferior desde el piso del tanque | 100-150 mm | Previene la ingestión de lodos y permite la circulación. |
| Espacio libre de expansión térmica por encima del nivel máximo | No aplicable (expansión acomodada horizontalmente) | El diseño de la bobina de PTFE incluye bucles de expansión. |
| Porcentaje de haz de tubos sumergido al nivel mínimo | 100% de los tubos calefactores activos | Todos los tubos-que transportan vapor deben estar sumergidos. |
| Porcentaje de haz de tubos sumergido al nivel máximo | 100% + espacio libre hasta el borde del tanque para desbordamiento | Evita la interferencia de la bobina con las tapas del tanque. |
El equilibrio de estratificación térmica
La profundidad de inmersión afecta a algo más que la seguridad contra incendios-en seco. Determina la distribución vertical del aporte de calor. Un intercambiador de calor colocado completamente cerca del piso del tanque calienta fuertemente la zona inferior, creando una columna flotante que sube a la superficie. El perfil de temperatura vertical depende de la eficacia con la que esta columna se mezcla con el contenido del tanque.
En tanques profundos con niveles variables, la configuración óptima a menudo utiliza una rejilla vertical de PTFE que se extiende desde la zona de nivel mínimo hasta cerca del piso del tanque. En niveles altos del tanque, toda la rejilla está activa y calienta uniformemente en toda la profundidad. En niveles bajos, la parte superior de la rejilla es pasiva-el vapor se envía a esas secciones-mientras la parte inferior continúa calentándose.
Alternativamente, todo el intercambiador está dimensionado para funcionar al nivel mínimo, y el trabajo de calefacción en niveles más altos se cumple con el mismo intercambiador que funciona a presión o flujo de vapor reducido. Este enfoque simplifica el control pero requiere que el intercambiador se ajuste dentro de la profundidad reducida al nivel mínimo.
Control de vapor y detección de niveles múltiples-
Los tanques con amplias variaciones de nivel se benefician del control de vapor con nivel-compensado. Un sensor de nivel envía una señal al sistema de control cuando el nivel del líquido cae por debajo de un umbral. El sistema de control reduce la presión del vapor para limitar la temperatura de la pared del tubo en la sección parcialmente expuesta o aísla el vapor a las filas superiores de tubos a través de válvulas de control separadas en intercambiadores de circuitos múltiples.
El enfoque más simple-utilizado en la mayoría de las instalaciones-es dimensionar el intercambiador para que funcione completamente sumergido al nivel mínimo y aceptar que en niveles más altos el intercambiador representa un sistema de tamaño conservador con capacidad de reserva. La capacidad de reserva extiende la vida útil del intercambiador de calor y se adapta a la futura intensificación del proceso sin necesidad de reemplazar el equipo.
Resumen
La profundidad de inmersión óptima para un intercambiador de calor de PTFE en tanques con niveles operativos variables garantiza que todos los tubos que transportan vapor-permanezcan sumergidos al nivel mínimo esperado, con un margen de seguridad de 75-100 mm. El intercambiador está colocado con un espacio libre inferior de 100-150 mm para la gestión de lodos. En tanques profundos con grandes fluctuaciones de nivel, los diseños de circuitos múltiples permiten el aislamiento de las secciones superiores del tubo en niveles bajos.
El cálculo adecuado de la profundidad de inmersión evita-daños por fuego seco en los soportes, elimina el riesgo de quemaduras por tubos calientes expuestos y garantiza un calentamiento confiable en todos los niveles operativos normales.
Las recomendaciones de ingeniería para la colocación de intercambiadores de calor de PTFE en tanques de nivel-variable están disponibles previa presentación de las dimensiones del tanque, los niveles operativos mínimos y máximos, la precisión del sensor de nivel y los requisitos de servicio de calefacción.
