El cálculo del paso del tubo
Una línea de cobre no electrolítico de PCB funciona a 38-42 grados con una estricta tolerancia a la temperatura. El intercambiador de calor de PTFE debe entregar 35 kW de calefacción utilizando vapor de 2 barg. El espacio disponible en el tanque tiene capacidad para una superficie de bobina de 1,2 metros por 0,8 metros. La pregunta de diseño: ¿cuántos tubos pasan a través de esta huella para lograr la transferencia de calor requerida?
Los pases de metro determinan dos cosas. Más pasadas aumentan la longitud total del tubo y el área de superficie dentro del espacio fijo. Pero más pasos también aumentan la caída de presión del lado del vapor-y complican el drenaje del condensado. El recuento óptimo de pases proporciona la transferencia de calor requerida sin exceder el presupuesto de presión de vapor ni crear problemas de drenaje.
El método de cálculo
El cálculo se realiza paso a paso desde el trabajo térmico hasta el recuento de pases.
La superficie requerida es lo primero. Con un servicio de 35 kW, vapor a 133 grados, baño a 40 grados, LMTD de aproximadamente 85 grados y un valor U-de 280 W/m²·K para PTFE de pared delgada-, el área requerida es 35 000 / (280 × 85)=1.47 m².
La longitud del tubo se deriva del área y del diámetro del tubo. Utilizando tubos de 8 mm de diámetro exterior, cada metro lineal proporciona 0,0251 m² de superficie. La longitud total requerida es 1,47 / 0.0251=58.6 metros.
El recuento de pasadas divide la longitud total por la longitud de cada pasada. El espacio disponible de 1,2 m permite pases de aproximadamente 1,1 m de longitud activa. Cada pasada proporciona 1,1 m de longitud de tubo. Pases requeridos: 58,6 / 1.1=53.3, redondeado a 54 pases.
Tabla 1: Cálculo del paso del tubo para un calentador de baño de cobre químico de 35 kW
| Parámetro | Valor | Unidad |
|---|---|---|
| Servicio de calor | 35 | kilovatios |
| Temperatura del vapor (2 barg) | 133 | grado |
| Temperatura del baño | 40 | grado |
| LMTD | 85 | grado |
| Valor U-de diseño | 280 | W/m²·K |
| Superficie requerida | 1.47 | m² |
| diámetro exterior del tubo | 8 | milímetros |
| Superficie por metro lineal | 0.0251 | m²/m |
| Longitud total del tubo | 58.6 | m |
| Longitud de paso disponible | 1.1 | m |
| Recuento de pases calculado | 54 | pasa |
| Recuento de pases recomendado (con margen del 10 %) | 60 | pasa |
Configuración dentro de la huella
Sesenta pasadas dentro de un espacio de 1,2 m × 0,8 m requieren organizar los tubos en filas y columnas. Con tubos espaciados en centros de 25 mm para permitir el flujo de solución entre ellos, un ancho de 0,8 m tiene capacidad para 32 tubos por fila. Sesenta pases dispuestos en 2 filas de 30 tubos caben dentro del espacio.
Las dos filas se pueden apilar verticalmente como una cuadrícula de dos-niveles. El vapor ingresa a un cabezal de distribución, fluye a través de 30 tubos paralelos en la fila superior, regresa a través de 30 tubos en la fila inferior y se acumula en un cabezal de condensado. Este flujo de vapor de paso único-con circuitos de tubos paralelos minimiza la caída de presión y al mismo tiempo logra la longitud total requerida.
Restricciones específicas del cobre no electrolítico
Los baños de cobre no electrolítico presentan limitaciones de diseño de calentador únicas más allá de los cálculos térmicos. El baño es termodinámicamente inestable. La temperatura excesiva de la pared provoca la deposición espontánea de cobre en la superficie del calentador-el mismo problema de placa-que destruye los calentadores metálicos.
El PTFE elimina el revestimiento catalítico, pero la temperatura de la pared sigue siendo importante. A temperaturas del vapor superiores a 140 grados, la descomposición localizada del baño cerca de la pared del tubo es posible incluso sin efectos catalíticos en la superficie. El vapor de 2 barg seleccionado proporciona una temperatura de saturación de 133 grados, manteniendo la temperatura de la pared de manera segura por debajo del umbral de descomposición.
El recuento de pases afecta este margen de seguridad. Muy pocas pasadas aumentan la velocidad del vapor y la caída de presión, pero no cambian la temperatura de la pared. Demasiadas pasadas reducen el flujo de vapor de los tubos individuales, lo que puede provocar un drenaje desigual del condensado y puntos fríos. La configuración calculada de 60 pasos proporciona una distribución equilibrada del flujo.
Drenaje de condensado en diseños de múltiples-pasos
Múltiples pasos de tubo requieren un drenaje de condensado adecuado en cada paso. El condensado atrapado reduce el área efectiva de transferencia de calor y crea riesgo de golpe de ariete. Cada paso debe inclinarse hacia abajo hacia el cabezal de recolección de condensado.
Para la configuración de 60-pasos de dos-niveles, la fila inferior desemboca naturalmente en el encabezado. La fila superior requiere una ligera pendiente integrada en la estructura de soporte. Las trampas de vapor dimensionadas para la carga total de condensado en funcionamiento completo completan el diseño de drenaje. Se prefieren las trampas de flotador-y-termostáticas para modular las cargas de condensado típicas de los baños no electrolíticos con temperatura controlada.
Resumen
El cálculo de los pasos del tubo del intercambiador de calor de PTFE para baños de cobre no electrolítico procede del trabajo térmico hasta el área de la superficie y la longitud del tubo para contar el número de pasos. El ejemplo de 35 kW produce 60 pasadas de tubería de 8 mm de diámetro exterior dispuestas en una rejilla de dos-niveles dentro de un espacio de 1,2 m × 0,8 m.
La química del cobre no electrolítico añade restricciones de temperatura a las paredes que influyen en la selección de la presión del vapor. El material PTFE elimina el riesgo de pérdida de la placa catalítica. Un diseño adecuado de drenaje de condensado garantiza que cada paso contribuya plenamente a la transferencia de calor.
El análisis de ingeniería para el tamaño del intercambiador de calor de PTFE de línea de cobre químico de PCB está disponible previa presentación del volumen del baño, la temperatura de funcionamiento, los requisitos de tiempo de calentamiento-, la presión de vapor disponible, las dimensiones del tanque y los datos actuales de rendimiento del calentador.
