El síntoma de la estratificación
Un tanque de galvanoplastia muestra una diferencia persistente de 5 grados entre el sensor de temperatura cerca de la superficie y el baño cerca del piso del tanque. Las piezas chapadas en la zona superior cumplen con las especificaciones. Las partes de la zona inferior muestran depósitos de color apagados-. El operador eleva el punto de ajuste para poner la parte inferior dentro del rango, sobrecalentando la zona superior.
El intercambiador de calor de PTFE está entregando su potencia calorífica nominal. La presión del vapor es correcta. La superficie de la bobina está limpia. Sin embargo, el calor no llega uniformemente al fondo del tanque. La causa fundamental no es una deficiencia en el intercambiador sino en su ubicación: la profundidad de inmersión no es adecuada para la geometría del tanque.
La física de la estratificación térmica
La solución calentada se expande y se vuelve menos densa. En un tanque de revestimiento, la solución calentada por un serpentín de inmersión sube a la superficie. La solución más fría y densa se hunde. Esta convección natural crea un patrón de circulación. La efectividad del patrón depende de dónde se encuentra la fuente de calor en la columna de agua vertical.
Una bobina de PTFE colocada demasiado cerca de la superficie calienta sólo la zona superior. La solución calentada sube ligeramente y se esparce por la parte superior del tanque. La zona inferior recibe calor sólo por conducción lenta y circulación secundaria débil. Una termoclina estable forma-un plano horizontal que separa la solución superior cálida de la solución inferior fría.
Un serpentín colocado cerca del fondo del tanque crea la circulación más efectiva. La solución calentada sube por toda la profundidad del tanque, arrastrando y mezclando todo el volumen. La termoclina es débil o ausente. Se puede lograr una uniformidad de temperatura de ±1 grado.
La profundidad de inmersión correcta coloca el fondo del serpentín de PTFE lo más cerca posible del piso del tanque, manteniendo al mismo tiempo el espacio libre para la acumulación de lodos y evitando el contacto directo con el fondo del tanque.
Tabla 1: Efecto de la profundidad de inmersión del serpentín de PTFE sobre la uniformidad de la temperatura (tanque de 2,5 m de profundidad, punto de ajuste de 55 grados)
| Posición de la bobina | Distancia desde abajo (mm) | Temperatura de la superficie (grados) | Temperatura inferior (grados) | Vertical ΔT (grados) | Clasificación de uniformidad |
|---|---|---|---|---|---|
| Cerca de la superficie | 2,000 | 57 | 50 | 7 | Pobre |
| Profundidad media- | 1,200 | 56 | 52 | 4 | Justo |
| tercio inferior | 600 | 55.5 | 53.5 | 2 | Bien |
| Cerca del fondo | 200 | 55 | 54 | 1 | Excelente |
| En la parte inferior (sin espacio libre) | 0 | 55.5 | 55.5 | 0 (riesgo de sobrecalentamiento local) | Pobre (horneado de lodos) |
Mapeo de temperatura de una matriz de termopares en un baño de níquel Watts con agitación de aire. Bobina de rejilla de PTFE que cubre el 60% del área del piso del tanque. Punto de ajuste 55 grados.
Interacción de agitación
La agitación del aire o la mezcla mecánica modifican el patrón de convección natural pero no eliminan la importancia de la colocación del serpentín. La agitación puede compensar una inmersión subóptima, pero a costa de un mayor aire o energía de la bomba.
Una bobina de PTFE colocada correctamente cerca del fondo funciona con convección natural en lugar de combatirla. La columna térmica ascendente procedente del serpentín refuerza el patrón de agitación mecánica. Con menos energía de agitación se consigue la misma uniformidad de temperatura.
Los tanques que dependen únicamente de la convección natural-comunes en procesos no eléctricos donde la agitación del aire desestabilizaría el baño-dependen completamente de la ubicación del serpentín para la mezcla. La ubicación cerca-de abajo es obligatoria para estas aplicaciones.
Corrección de la profundidad de inmersión
Corregir la profundidad de inmersión en una instalación existente puede requerir modificar la estructura de soporte del serpentín. Las bobinas de PTFE son livianas y se pueden reposicionar más fácilmente que las bobinas de metal. Las patas de apoyo se pueden acortar. Los soportes para colgar se pueden ampliar. El tubo flexible permite reposicionamientos menores sin estrés.
Si el serpentín no se puede bajar debido a obstrucciones en el piso del tanque o tuberías existentes, agregar una bomba de circulación o un sistema eductor proporciona una mezcla mecánica para superar la estratificación. La succión de la bomba debe extraerse de la zona fría del fondo y descargarse a través del serpentín de PTFE para obtener la máxima captación de calor.
Resumen
La profundidad de inmersión incorrecta del intercambiador de calor de PTFE provoca estratificación térmica debido a una convección natural incompleta. Los serpentines colocados demasiado alto calientan sólo la zona superior del tanque, dejando la parte inferior fría.
La colocación cerca-del fondo, a 200-300 mm del fondo del tanque, produce la mejor uniformidad de temperatura a través de una convección natural en toda su profundidad. La agitación mecánica puede compensar una colocación subóptima pero aumenta el costo de energía. Los procesos no electrolíticos sin agitación dependen completamente de la ubicación del serpentín para la mezcla.
Las recomendaciones de ingeniería para la colocación de serpentines de PTFE en geometrías de tanques específicas están disponibles previa presentación de las dimensiones del tanque, la profundidad de operación, la posición existente del serpentín, el método de agitación y los datos del perfil de temperatura vertical medido.
