El problema del flujo largo del tanque
Los tanques largos y estrechos-típicos de revestimiento de tiras continuas, procesamiento de cables y líneas de PCB automatizadas-sufren cortocircuitos-. El fluido de proceso que ingresa por un extremo fluye directamente a la salida en el extremo opuesto sin mezclarse completamente en todo el ancho del tanque. El perfil de velocidad no es-uniforme. El calentamiento no es-uniforme. La calidad del tratamiento o del revestimiento varía según el ancho del producto.
Las soluciones convencionales agregan deflectores separados-placas verticales que se extienden a lo largo del ancho del tanque-para redirigir el flujo y promover la mezcla. Estos deflectores ocupan el volumen del tanque, añaden costos y complican la limpieza del tanque.
Un intercambiador de calor de PTFE, diseñado con una geometría y rigidez estructural adecuadas, puede servir como fuente de calor y como deflector{0}}director del flujo. El haz de tubos, dispuesto en un plano vertical perpendicular a la dirección del flujo, actúa como un deflector parcial mientras que su gran superficie proporciona un calentamiento uniforme. Un conjunto realiza dos funciones, lo que reduce la complejidad del tanque y libera volumen para la producción.
Los requisitos de diseño de función dual-
Para funcionar como deflector estructural, el haz de tubos de PTFE debe extenderse a lo largo de todo el ancho del tanque y una porción significativa de la profundidad del tanque. La rejilla de tubos está dispuesta en un plano vertical con múltiples filas y columnas de tubos. El espacio entre los tubos determina la resistencia al flujo del deflector: un espacio más estrecho aumenta la desviación del flujo y la caída de presión; un espaciado más amplio permite un mayor flujo-y reduce el efecto deflector.
El espaciado óptimo de los tubos equilibra la función del deflector (redirección del flujo) con la función de calentamiento (maximizando la superficie de transferencia de calor) y la caída de presión (que afecta la energía de bombeo). El análisis computacional de dinámica de fluidos de la geometría específica del tanque determina el espacio que logra el patrón de flujo deseado y al mismo tiempo cumple con la tarea de calefacción.
La estructura de soporte de un intercambiador con función-deflectora debe resistir las fuerzas hidrodinámicas del flujo redirigido. El flujo impone una carga distribuida sobre el haz de tubos, que se transfiere a través de los tubos al marco de soporte y finalmente a las paredes o al piso del tanque. El diseño de soporte es más robusto que una bobina de inmersión estándar e incorpora puntos de anclaje y refuerzos transversales-adicionales.
Tabla 1: Parámetros de diseño del intercambiador de calor/deflector de PTFE de doble función- (tanque de 6 m de largo × 1 m de ancho × 1,5 m de profundidad)
| Parámetro de diseño | Calefacción-Diseño solo | Diseño de calefacción + deflector | Justificación del diseño |
|---|---|---|---|
| Orientación de la rejilla del tubo | Horizontal (rejilla de suelo) | Vertical (plano transversal-del tanque) | La orientación vertical actúa como barrera de flujo. |
| Número de unidades deflectoras/intercambiadoras | 1 (extremo o centro) | 2-3 (espaciados uniformemente a lo largo del tanque) | Múltiples deflectores crean una ruta de flujo serpenteante |
| Espaciado de tubos (vertical × horizontal, mm) | 25 × 25 | 20 × 20 (más apretado para efecto deflector) | Un espaciamiento más estrecho aumenta la desviación del flujo |
| Cobertura de la red de la sección transversal-del tanque (%) | 60-70% (superficie de piso) | 80-90% (área transversal) | Mayor cobertura para un desconcierto efectivo |
| Diseño de marco de soporte | Ligero; soporta el peso propio- | Robusto; soporta carga hidrodinámica | Las fuerzas del flujo pueden exceder el peso propio- |
| Puntos de anclaje del marco | 2-4 (borde o piso del tanque) | 4-8 (paredes y piso del tanque) | Transfiere cargas del deflector a la estructura del tanque. |
| Espesor de la pared del tubo (mm) | 1.0 (estándar) | 1,2-1,5 (aumentado para mayor rigidez) | Reduce la deflexión del tubo bajo carga de flujo. |
| Caída de presión a través de la unidad (Pa) | < 50 | 100-300 | Aumento aceptable para mejorar la mezcla. |
El cálculo de la carga hidrodinámica
La fuerza del flujo sobre el haz de tubos se calcula a partir de la presión dinámica del flujo que se aproxima y el coeficiente de resistencia del conjunto de tubos. Para una velocidad de flujo cruzado-de 0,3 m/s en un tanque de revestimiento típico, la presión dinámica es de aproximadamente 50 Pa. La fuerza de arrastre sobre un solo tubo de 10 mm a esta velocidad es de aproximadamente 0,15 N por metro de longitud del tubo.
Para una rejilla deflectora con 40 tubos por metro cuadrado de área de sección transversal-, la carga total distribuida es de aproximadamente 6 N/m² de área de la cara del deflector. Esta modesta carga es fácilmente soportada por la rejilla de tubos de PTFE. Sin embargo, la carga es continua y el flujo cíclico-varía según la velocidad de la bomba y la tasa de producción-por lo que el diseño del soporte debe abordar la fatiga y la resistencia estática.
El marco de soporte incorpora miembros estructurales de PTFE o PVDF dimensionados para las cargas calculadas con un factor de seguridad de 3 en cuanto a límite elástico a la temperatura máxima de funcionamiento. Las conexiones del marco a la estructura del tanque utilizan sujetadores aislados de PTFE-para evitar la corrosión galvánica.
El rendimiento térmico y de flujo
El diseño de función dual-ofrece un calentamiento más uniforme que una rejilla estándar-montada en el piso porque la orientación vertical del deflector fuerza al fluido del proceso a fluir a través del haz de tubos en lugar de elevarse más allá de él. Cada elemento fluido pasa cerca de la superficie de un tubo calentado. La configuración de flujo cruzado- logra un coeficiente de transferencia de calor externo más alto que la convección natural que domina en los tanques sin deflectores.
La compensación-es una mayor energía de bombeo para superar la caída de presión en cada deflector. Para la mayoría de las aplicaciones de tanques de revestimiento de baja velocidad-, la caída de presión es de 100-300 Pa por deflector-equivalente a 10-30 mm de columna de agua, y la energía de bombeo adicional es insignificante.
Resumen
Un intercambiador de calor de PTFE diseñado como deflector estructural combina calefacción y dirección de flujo en un solo conjunto. La rejilla de tubo vertical se extiende por la sección transversal-del tanque, redirigiendo el flujo para evitar cortocircuitos-al mismo tiempo que proporciona un calentamiento uniforme en toda la profundidad del tanque. Un espaciamiento más estrecho entre los tubos, un marco de soporte robusto y un mayor espesor de la pared del tubo adaptan el diseño del intercambiador de PTFE estándar al requisito de función dual-.
El diseño integrado reduce la complejidad del tanque, libera volumen de producción y mejora el rendimiento térmico e hidráulico en comparación con los sistemas de calefacción y deflectores separados.
El soporte de ingeniería para el diseño de deflector/intercambiador de calor de PTFE de doble función- está disponible previa presentación de las dimensiones del tanque, los caudales, la configuración de agitación, el servicio de calefacción y el patrón de flujo deseado.
