La elección de configuración de flujo
Un intercambiador de calor de carcasa-y-tubos de PTFE en un circuito de circulación forzada se puede disponer en contra-flujo (el fluido de proceso y el vapor fluyen en direcciones opuestas) o en paralelo-(ambos fluyen en la misma dirección). La configuración afecta la diferencia de temperatura media logarítmica, el perfil de temperatura a lo largo del intercambiador y la temperatura máxima de la pared del tubo.
Para la mayoría de las aplicaciones de calefacción, se prefiere el contraflujo porque proporciona un LMTD más alto para las mismas temperaturas de entrada y salida. El fluido del proceso sale a una temperatura cercana a la temperatura de entrada del vapor, maximizando la recuperación de calor. Sin embargo, el flujo paralelo-tiene ventajas cuando es necesario limitar la temperatura máxima de la pared del tubo.-El fluido de proceso más caliente entra en contacto con el vapor más caliente en el mismo extremo, por lo que la temperatura de la pared es más uniforme a lo largo de la longitud del tubo.
Para los intercambiadores de PTFE, donde la temperatura máxima de la pared es una preocupación para la vida útil, la elección entre contraflujo y flujo paralelo implica una compensación entre el rendimiento térmico y la longevidad mecánica.
La comparación LMTD
El LMTD para el contraflujo-es: LMTD_cf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), donde ΔT1 es la diferencia de temperatura en un extremo (entrada de vapor - salida de proceso) y ΔT2 es la diferencia en el otro extremo (salida de vapor - entrada de proceso).
Para flujo-en paralelo: LMTD_pf=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), donde ΔT1 es la diferencia en el extremo de entrada (entrada de vapor - entrada de proceso) y ΔT2 es la diferencia en el extremo de salida (salida de vapor - salida de proceso).
Para un fluido de proceso calentado de 20 grados a 60 grados usando vapor saturado de 3 barg a 143 grados, el LMTD para contraflujo es de aproximadamente 101 grados. Para flujo paralelo-, es de aproximadamente 96 grados. La diferencia del 5% significa que un intercambiador-de contraflujo requiere un 5% menos de superficie para el mismo trabajo-una ventaja modesta pero real.
| Parámetro | Contra-flujo | Flujo paralelo- |
|---|---|---|
| Temperatura de entrada al proceso | 20 grados | 20 grados |
| Temperatura de salida del proceso | 60 grados | 60 grados |
| Temperatura del vapor (constante) | 143 grados | 143 grados |
| LMTD | 101 grados | 96 grados |
| Superficie relativa para el mismo servicio | 0,95 (más pequeño) | 1,00 (valor inicial) |
| Temperatura máxima de la pared del tubo | 143 grados en el extremo de salida del proceso | 143 grados en el extremo de entrada del proceso |
| Uniformidad de la temperatura de la pared | Varía a lo largo del tubo | Más uniforme |
La consideración de la temperatura de la pared para PTFE
En un intercambiador de contra-flujo, la pared del tubo está más caliente en el extremo de salida del proceso, donde el vapor de 143 grados hace contacto con el fluido del proceso de 60 grados. La temperatura de la pared local se acerca a los 140 grados, lo que provoca una fluencia a un ritmo elevado en esa sección del tubo.
En un intercambiador de flujo paralelo-, el vapor de 143 grados hace contacto con el fluido de proceso entrante de 20 grados en el extremo de entrada. La gran diferencia de temperatura genera un alto flujo de calor, pero la temperatura de la pared es en realidad más baja que en el caso de contraflujo porque el fluido de proceso frío enfría la pared del tubo de manera más efectiva. La temperatura de la pared es más uniforme a lo largo de la longitud del tubo.-Tanto el vapor como el fluido del proceso se enfrían juntos a medida que viajan a través del intercambiador.
Para los tubos de PTFE que funcionan cerca de su límite de temperatura, el flujo paralelo-puede proporcionar una reducción modesta en la temperatura máxima de la pared, extendiendo la vida útil. El beneficio es pequeño para la mayoría de las aplicaciones: -Reducción de la temperatura de la pared de 5 a 10 grados, pero para los intercambiadores que funcionan en el extremo superior del rango de temperatura del PTFE (por encima de 150 grados), la reducción puede ser significativa para la vida útil.
La recomendación
Para la mayoría de las aplicaciones de intercambiadores de calor de PTFE, la configuración recomendada es contraflujo. La ventaja del 5% de superficie reduce el tamaño y el coste del intercambiador. La diferencia de temperatura de la pared entre las dos configuraciones es pequeña a temperaturas de funcionamiento típicas (por debajo de 150 grados).
Para aplicaciones con temperaturas de vapor superiores a 150 grados, donde la vida útil es una restricción de diseño principal, se debe considerar el flujo-paralelo. La temperatura más uniforme de la pared reduce la tasa de fluencia máxima en la sección más caliente del tubo, lo que extiende la vida útil general. El modesto aumento en la superficie requerida se justifica por el mayor tiempo entre reemplazos de tubos.
Resumen
La configuración de contraflujo proporciona un LMTD un 5 % mayor y requiere menos superficie que el flujo paralelo para el mismo servicio de calefacción. Es la opción preferida para la mayoría de aplicaciones de intercambiadores de calor de PTFE. El flujo paralelo-ofrece una pequeña reducción en la temperatura máxima de la pared del tubo que puede extender la vida útil de los intercambiadores que operan por encima de los 150 grados de temperatura del vapor. La selección equilibra la eficiencia térmica con la longevidad mecánica.
El soporte de ingeniería para la selección de la configuración del flujo del intercambiador de calor de PTFE está disponible previa presentación de las temperaturas del fluido del proceso, la presión del vapor y la vida útil requerida.
