El desafío del estrés de rendimiento
Los fluidos no-newtonianos con límite elástico-lodos de perforación, soluciones poliméricas, pastas alimenticias y ciertos lodos farmacéuticos-se comportan como sólidos hasta que se aplica un esfuerzo cortante crítico. Sólo cuando el esfuerzo cortante local excede el límite elástico el fluido fluye. En un tanque calentado, el fluido adyacente a los tubos del intercambiador de calor se puede calentar lo suficiente como para reducir su viscosidad, pero si las fuerzas de flotación térmica están por debajo del límite elástico, el fluido calentado no aumenta. Permanece estancado alrededor de los tubos. La transferencia de calor colapsa de la convección a la conducción.
Los diseños de intercambiadores de calor convencionales, desarrollados para fluidos newtonianos donde la convección natural garantiza un movimiento continuo del fluido, funcionan mal en fluidos con estrés de fluencia-. El espaciado de los tubos y la geometría del haz deben diseñarse específicamente para crear tensiones de corte que excedan el límite elástico en todo el volumen del fluido, asegurando una circulación continua y un calentamiento uniforme.
Un intercambiador de calor de PTFE con geometría de haz de tubos personalizada soluciona este problema concentrando la superficie de calentamiento en zonas donde la flotabilidad natural es más fuerte y proporcionando canales de flujo que guían la circulación del fluido.
Los principios del diseño geométrico
El haz de tubos está dispuesto para crear un patrón de convección estructurado. En lugar de una rejilla uniforme, los tubos se agrupan en columnas verticales con un espacio más amplio entre las columnas que dentro de las columnas. Las columnas actúan como chimeneas calentadas. El fluido dentro de las columnas se calienta, su viscosidad disminuye y la flotabilidad crea un flujo ascendente. Los espacios más amplios entre las columnas proporcionan vías de flujo de retorno para el fluido más frío que desciende desde las zonas superiores del tanque.
El espaciado de los tubos dentro de cada columna se establece para producir un esfuerzo cortante en el fluido entre tubos adyacentes que excede el límite elástico a la temperatura de operación. El esfuerzo cortante se calcula a partir de la fuerza de flotación sobre el elemento fluido calentado y el área de la superficie del tubo. Si el esfuerzo cortante calculado está por debajo del límite elástico, el espaciamiento de los tubos se reduce para aumentar la velocidad de corte.
En la parte inferior del haz, donde el fluido está más frío y el límite elástico es mayor, los tubos están más densamente empaquetados. La mayor densidad del tubo aumenta la tasa de calentamiento local y la fuerza de flotación, lo que ayuda a superar el límite elástico e iniciar la circulación. En la parte superior del haz, donde el fluido está más caliente y el límite elástico es menor, el espacio entre los tubos puede ser mayor.
| Parámetro de geometría del paquete | Diseño de fluidos newtonianos | Rendimiento-Diseño de fluidos de estrés |
|---|---|---|
| Disposición del tubo | Cuadrícula uniforme | Columnas verticales con espacios entre-columnas más amplios |
| Espaciado de tubos dentro de-columna | 2,0-2,5 × diámetro exterior del tubo | 1,5-2,0 × diámetro exterior del tubo (más apretado para mayor cizallamiento) |
| Brecha entre-columnas | Igual que intra-columna | 3,0-5,0 × tubo OD (canales de flujo de retorno) |
| Densidad del tubo en la zona inferior | Uniforme | 20-30% más alto que el uniforme |
| Densidad del tubo de la zona superior | Uniforme | 20-30% más bajo que el uniforme |
| Altura de la columna | Profundidad del tanque | Profundidad del tanque (inmersión total) |
| Número de columnas | N/A (patrón de cuadrícula) | 3-8 (depende del diámetro del tanque) |
| Diseño de placa de soporte | Patrón de agujeros uniforme | Asimétrico; coincide con el diseño de la columna |
La estrategia de calefacción-para empresas emergentes
Los fluidos de límite elástico-presentan un desafío-inicial: todo el contenido del tanque puede estar por debajo del límite elástico y no se produce circulación cuando comienza el calentamiento. El diseño del intercambiador de calor de PTFE incorpora una estrategia de calentamiento de inicio-. La presión del vapor se limita inicialmente para producir una temperatura moderada en la pared del tubo que calienta el fluido localmente sin causar degradación térmica. El calentamiento localizado reduce gradualmente el límite elástico en el fluido que rodea inmediatamente los tubos.
Una vez que se ha calentado un volumen suficiente de fluido alrededor de los tubos por encima de la transición del límite elástico, comienza la circulación. La circulación expande la zona calentada progresivamente hasta que circula todo el contenido del tanque. Luego se puede aumentar la presión del vapor hasta el nivel de funcionamiento normal. El proceso es análogo a la descongelación de un sólido-fusión localizada seguida de un aumento progresivo de la zona fundida hasta que se establece la convección.
La ventaja del PTFE para el rendimiento-Fluidos resistentes al estrés
La baja energía superficial del PTFE proporciona una ventaja específica para los fluidos de tensión-el rendimiento. Estos fluidos suelen adherirse fuertemente a las superficies metálicas, formando una capa estancada que resiste el inicio de la circulación. La superficie antiadherente de PTFE reduce la adherencia, lo que permite que el fluido calentado se desprenda de la superficie del tubo y se eleve con una fuerza de flotación menor que la que se requeriría en una superficie metálica. La circulación se inicia antes y la zona estancada se elimina más eficazmente.
Resumen
La geometría personalizada del haz de tubos del intercambiador de calor de PTFE para fluidos no-newtonianos con límite elástico utiliza columnas verticales con un estrecho espacio entre-columnas para generar un corte que excede el límite elástico y espacios amplios entre-columnas para el flujo de retorno. Una mayor densidad de tubos en la parte inferior del haz supera el mayor límite elástico del fluido más frío. Una estrategia de puesta en marcha-controlada inicia la circulación de forma progresiva. La baja energía superficial del PTFE ayuda a que el fluido se desprenda de las superficies de los tubos, promoviendo un inicio más temprano de la convección.
El soporte de ingeniería para el diseño del intercambiador de calor de fluidos con límite elástico-está disponible previa presentación de datos de reología del fluido (límite elástico versus temperatura, viscosidad versus velocidad de corte), dimensiones del tanque, rango de temperatura de funcionamiento y servicio de calefacción.
