El problema del cortocircuito-
Un tanque chapado con una rejilla intercambiadora de calor de PTFE en el suelo muestra un patrón de temperatura desconcertante. El baño cerca del serpentín alcanza rápidamente el punto de ajuste. El baño en el otro extremo del tanque tiene un retraso de 6 grados. El aumento de la presión del vapor no cierra la brecha-la zona cercana-la bobina simplemente se sobrecalienta mientras que la zona lejana permanece fría.
El problema no es un aporte de calor insuficiente. Es una mala distribución del flujo. Las corrientes de convección naturales que se elevan desde la bobina calentada crean un patrón de circulación que produce cortocircuitos-. Una solución tibia sube desde la bobina, viaja a través de la superficie, se enfría ligeramente y desciende. Pero en lugar de descender uniformemente a través del tanque, la solución enfriada encuentra un camino de baja-resistencia hacia el serpentín, evitando por completo el otro extremo del tanque.
La bobina de PTFE calienta la misma solución repetidamente mientras la zona lejana se estanca. Este flujo de derivación reduce la capacidad de calentamiento efectiva del sistema y crea una falta de uniformidad persistente en la temperatura que ninguna cantidad de presión de vapor puede corregir.
El mecanismo de flujo de derivación
El flujo de derivación se produce cuando la solución en circulación encuentra un camino preferido que la devuelve a la fuente de calor sin atravesar todo el volumen del tanque. Varios factores crean estos caminos preferidos.
La colocación del serpentín demasiado cerca de la pared del tanque crea un canal estrecho entre el serpentín y la pared. La solución caliente ascendente arrastra líquido a través de este espacio. El fluido hace un cortocircuito-desde la zona fría, a lo largo del piso del tanque, sube a través del espacio de la pared y regresa a la superficie sin mezclarse con el volumen de la zona-lejana.
La cobertura incompleta del serpentín del piso del tanque deja secciones sin calefacción. La solución que desciende en estas secciones no calentadas no encuentra ninguna columna térmica que la lleve hacia arriba. Permanece en el fondo, fluyendo lentamente hacia la bobina a lo largo del camino de menor resistencia.
La geometría irregular del serpentín-algunas áreas con tubos densos, otras escasas-crea una densidad de calentamiento desigual. Las áreas densas generan columnas térmicas más fuertes, atrayendo más flujo. Las áreas dispersas contribuyen menos a la circulación, creando zonas muertas.
Tabla 1: Indicadores de diagnóstico de flujo de derivación excesivo en instalaciones de intercambiadores de calor de PTFE
| Indicador | Método de medición | Condición normal | Indicación de flujo de derivación |
|---|---|---|---|
| Diferencia de temperatura persistente en todo el tanque | Termopares en múltiples ubicaciones | < 2°C variation | >La variación de 4 grados no responde al aumento de vapor. |
| Respuesta rápida de la temperatura cercana a-la bobina al cambio de vapor | Tiempo de respuesta al ajuste de la válvula de vapor. | Respuesta uniforme en todo el tanque | La bobina cercana-responde en 2 o 3 minutos; la zona lejana tarda 15+ minutos |
| Observación del patrón de flujo superficial. | Inyección de tinte o trazador flotante. | Movimiento superficial uniforme hacia el otro extremo | Corriente de cortocircuito visible-que regresa cerca de la bobina |
| Perfil de temperatura vertical en el otro extremo | Termopar en la superficie, a media-profundidad, suelo | < 2°C stratification | >Estratificación de 5 grados (superficie cálida, suelo frío) |
| Cálculo de la tasa de condensado del serpentín frente al calentamiento del tanque- | Medidor de flujo de vapor versus carga de calor calculada | Partidos medidos calculados | Lo medido excede lo calculado (recalentando la misma solución) |
Cuantificación de la fracción de derivación
La fracción de derivación-el porcentaje del flujo circulante que regresa al serpentín sin mezclarse con el-volumen de la zona lejana-se puede estimar a partir de mediciones de temperatura.
La entrada de calor del serpentín se conoce a partir de la tasa de condensado de vapor. El volumen del tanque y la tasa de aumento de temperatura medida dan la masa efectiva que se está calentando. Si la masa efectiva es significativamente menor que la masa total del tanque, la diferencia es el volumen desviado.
Por ejemplo, un tanque de 10.000 litros con una entrada de calor de 80 kW debería aumentar aproximadamente 0,5 grados por minuto si toda la solución se calienta uniformemente. Si en la circulación sólo participan efectivamente 6.000 litros, el aumento de temperatura será de 0,8 grados por minuto en la zona activa mientras que la zona estancada permanecerá fría. La fracción de derivación del 40 % se calcula a partir de la relación entre el volumen participante y el volumen total.
Correcciones de diseño
El desconcierto es la corrección principal para el flujo de derivación. Un deflector vertical que se extiende desde el piso del tanque hasta por encima de la altura del serpentín, colocado perpendicular a la dimensión larga del serpentín, fuerza a la solución a recorrer toda la longitud del tanque antes de regresar al serpentín. El deflector interrumpe la ruta del cortocircuito-.
La cobertura extendida del serpentín a lo largo del piso del tanque elimina las zonas muertas sin calefacción. La rejilla de PTFE debe cubrir al menos el 70% del área del piso del tanque, extendiéndose hasta 150-200 mm de todas las paredes. Los espacios en los bordes son inevitables para el acceso a la instalación, pero deben minimizarse.
Para tanques profundos, un segundo nivel de serpentín de PTFE a media-profundidad proporciona calentamiento en múltiples niveles verticales. Esto rompe la fuerte termoclina que se puede formar cuando todo el calor entra por el fondo. El calentamiento de doble nivel-crea dos celdas de circulación que se mezclan de manera más efectiva que una sola celda.
Los dispositivos de distribución de flujo-placas perforadas o cabezales de distribución-se pueden integrar con la estructura de soporte de la bobina de PTFE. Estos dispositivos dirigen el flujo a través del haz de bobinas de manera uniforme, evitando canales preferenciales a través de áreas abiertas.
Resumen
El flujo de derivación excesivo en los serpentines del intercambiador de calor de PTFE parcialmente sumergidos provoca una falta persistente de uniformidad en la temperatura al permitir que la solución calentada haga un cortocircuito-de regreso al serpentín sin mezclarse con el volumen completo del tanque. Los indicadores de diagnóstico incluyen diferencias persistentes de temperatura entre-tanques que no responden a los aumentos de presión de vapor y una respuesta rápida de la temperatura del serpentín cercano- con una respuesta lenta de la zona-lejana.
La fracción de derivación se estima a partir de cálculos del equilibrio térmico que comparan el aumento de temperatura real con el calentamiento uniforme teórico. Las correcciones incluyen desconcertantes para interrumpir rutas de cortocircuito-, cobertura extendida de serpentines para eliminar zonas muertas y colocación de serpentines de múltiples-niveles para tanques profundos.
Las recomendaciones de ingeniería para la corrección del flujo de derivación del intercambiador de calor de PTFE están disponibles previa presentación de las dimensiones del tanque, la disposición del serpentín, la distribución de la temperatura medida y los datos actuales de funcionamiento del vapor.
