El margen de contaminación que suele ser incorrecto
Una instalación de revestimiento especifica un intercambiador de calor de PTFE para una tarea de calentamiento de agua dura con un margen de contaminación del 15 %. El intercambiador de calor está dimensionado para el 115 % de la carga de calor limpio, basándose en el supuesto de que el factor de contaminación reducirá la transferencia de calor efectiva en aproximadamente un 13 %.
Después de seis meses de funcionamiento, la producción de calor ha disminuido en un 25% y el baño ya no puede mantener la temperatura durante el pico de producción. Se limpia el intercambiador de calor y la producción de calor vuelve al valor de diseño. El ciclo se repite cada seis meses.
El margen del 15% fue inadecuado porque el factor de incrustación utilizado en el diseño se basó en una estimación genérica y no en las condiciones reales del agua dura. La resistencia térmica de escala real después de seis meses equivale aproximadamente al 25 % de la resistencia a la transferencia de calor limpio, lo que requiere un margen del 25 % solo para mantener la producción de calor de diseño al final del intervalo de limpieza.
La resistencia térmica de escala que impulsa el margen
La resistencia térmica de las incrustaciones de carbonato de calcio depende del espesor y la conductividad térmica del depósito. La conductividad térmica del carbonato de calcio es de aproximadamente 2,5 W/m·K. Para una capa de cal de 0,5 mm, la resistencia térmica es de 0,0002 m²·K/W.
La resistencia a la transferencia de calor limpio para un intercambiador de calor de PTFE con una pared de 0,8 mm y un coeficiente de película del lado del proceso-de 1000 W/m²·K es de aproximadamente 0,0042 m²·K/W. La resistencia térmica a escala de 0,0002 m²·K/W es aproximadamente el 5% de la resistencia limpia. Esta pequeña resistencia requeriría sólo un margen del 5%.
La degradación real del rendimiento es mayor de lo que sugeriría la resistencia térmica a escala por sí sola. La capa de sarro también vuelve áspera la superficie, lo que reduce la velocidad del flujo cerca de la pared y aumenta la resistencia de la película. El efecto combinado de la resistencia térmica a las incrustaciones y el aumento de la resistencia de la película suele ser del 15 al 25 % de la resistencia a la transferencia de calor limpio después de seis meses en servicio con agua dura.
El margen de incrustación en función de la dureza del agua
El margen de contaminación depende de la dureza del agua, la temperatura de la pared del tubo y el intervalo de limpieza. La siguiente tabla resume el margen recomendado para diferentes niveles de dureza del agua e intervalos de limpieza.
| Dureza del agua (mg/L CaCO₃) | Tasa de escala (mm/6 meses) | Resistencia a las incrustaciones después de 6 meses | Margen recomendado (limpieza de 6 meses) | Margen recomendado (limpieza de 12 meses) |
|---|---|---|---|---|
| 50-100 (suave) | 0,1mm | 0.00004 m²·K/W | 5% | 10% |
| 100-200 (moderadamente difícil) | 0,2 milímetros | 0.00008 m²·K/W | 10% | 20% |
| 200–300 (difícil) | 0,35 milímetros | 0.00014 m²·K/W | 18% | 35% |
| 300–400 (muy difícil) | 0,5 milímetros | 0.00020 m²·K/W | 25% | 50% |
| 400–500 (extremadamente duro) | 0,7 milímetros | 0.00028 m²·K/W | 35% | 70% |
| Por encima de 500 (tipo salmuera-) | 1,0 milímetros | 0.00040 m²·K/W | 50% | 100% |
Los valores de margen recomendados incluyen la resistencia térmica de la escala y el aumento de la resistencia de la película. Los márgenes son mayores para intervalos de limpieza más prolongados porque el espesor de las incrustaciones aumenta con el tiempo.
El efecto de la temperatura de la pared del tubo
La tasa de deposición de incrustaciones aumenta con la temperatura de la pared del tubo. Una temperatura de pared más alta aumenta la sobresaturación del carbonato de calcio en la superficie del tubo y acelera la deposición.
Para un intercambiador de calor de PTFE con un alto flujo de calor, la temperatura de la pared del tubo es mayor y la tasa de incrustación es mayor. El margen de contaminación debe aumentarse para tener en cuenta la mayor tasa de incrustación.
El efecto de la temperatura de la pared es particularmente importante en los intercambiadores de calor de PTFE porque la baja conductividad térmica del PTFE da como resultado una temperatura de pared más alta para un flujo de calor determinado que un intercambiador de calor de metal. Un intercambiador de calor de PTFE que funcione con el mismo flujo de calor que una unidad de metal tendrá una temperatura de pared más alta y una tasa de escala más alta.
El efecto de la velocidad del flujo
La velocidad del flujo afecta la tasa de deposición de incrustaciones a través del esfuerzo cortante en la pared del tubo. Una velocidad más alta aumenta el esfuerzo cortante, lo que reduce la adhesión de la incrustación y la tasa de deposición.
Para un intercambiador de calor de PTFE que funciona a 0,5 m/s, la tasa de incrustación es alta y el margen de contaminación debe ser grande. Para un intercambiador de calor que funciona a 1,5 m/s, la velocidad de escala es menor y el margen puede ser menor.
El efecto de la velocidad es particularmente importante en el servicio de agua dura. Se recomienda una velocidad de 1,5 a 2,0 m/s para reducir la tasa de incrustaciones y el margen de incrustación requerido.
El comercio económico-fuera del margen de contaminación
El margen de contaminación aumenta el coste de capital del intercambiador de calor. Un margen del 25% aumenta el costo de capital aproximadamente entre un 20% y un 25%. El margen también reduce el flujo de calor, lo que reduce la temperatura de la pared del tubo y la tasa de incrustación.
La compensación-es entre un mayor costo de capital y una menor frecuencia de limpieza y costo de energía. Un margen mayor reduce la frecuencia de limpieza y la pérdida de producción, pero aumenta el costo de capital.
El margen óptimo es aquel que minimiza el coste total de propiedad durante la vida útil. El costo total incluye el costo de capital, el costo de limpieza, el costo de pérdida de producción y el costo de energía.
Cuantificar el costo total de propiedad en diferentes márgenes
La siguiente tabla resume el costo total de propiedad de cinco-años para diferentes márgenes de contaminación en una aplicación de calentamiento de agua dura con una carga térmica de 50 kW, una dureza del agua de 300 mg/L y un valor de producción de $500 por hora.
| Margen de contaminación | Área de superficie | Flujo de calor | Intervalo de limpieza | Costo de capital | Costo de limpieza anual | Costo de pérdida de producción anual | Costo total de cinco-años |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0% | 20 m² | 2,5 W/cm² | 2 meses | $28,000 | $9,000 | $12,000 | $133,000 |
| 10% | 22 m² | 2,3 W/cm² | 3 meses | $30,000 | $6,000 | $8,000 | $100,000 |
| 20% | 24 m² | 2,1 W/cm² | 4 meses | $32,000 | $4,500 | $6,000 | $84,500 |
| 30% | 26 m² | 1,9 W/cm² | 6 meses | $35,000 | $3,000 | $4,000 | $70,000 |
| 40% | 28 m² | 1,8 W/cm² | 8 meses | $38,000 | $2,250 | $3,000 | $64,250 |
| 50% | 30 m² | 1,7 W/cm² | 10 meses | $41,000 | $1,800 | $2,400 | $62,000 |
| 75% | 35 m² | 1,4 W/cm² | 14 meses | $48,000 | $1,300 | $1,700 | $63,000 |
El costo total de cinco-años se minimiza con un margen de contaminación del 40 al 50 % para esta aplicación. El margen del 30% es adecuado pero no óptimo. El margen del 75 % está sobre-dimensionado y tiene un costo total más alto que el margen del 50 %.
Características de diseño que reducen el margen requerido
Varias características de diseño reducen el margen de contaminación requerido.
Mayor velocidad de flujo.Una velocidad más alta aumenta el esfuerzo cortante y reduce la velocidad de incrustación. Se recomienda una velocidad de 1,5 a 2,0 m/s para servicio de agua dura.
Superficie del tubo lisa.Una superficie de tubo lisa reduce la adhesión de depósitos de sarro. La superficie del tubo debe estar libre de rayones o defectos.
Implementar-disposiciones de limpieza.Las conexiones para el suministro y retorno de la solución de limpieza permiten limpiar el intercambiador de calor sin necesidad de desmontarlo, lo que reduce el coste de limpieza y el tiempo de inactividad.
Ablandamiento de agua.Un ablandador de agua elimina los iones de calcio y magnesio que forman las incrustaciones. El ablandamiento reduce la tasa de incrustaciones y el margen de incrustación requerido.
Dosificación de inhibidores de incrustaciones.Un químico inhibidor de incrustaciones reduce la tasa de incrustaciones al interferir con el crecimiento de los cristales. El inhibidor reduce el margen de contaminación requerido.
Control de temperatura.Bajar la temperatura de la pared del tubo reduce la tasa de incrustación. Un flujo de calor más bajo o una pared de tubo más delgada reducen la temperatura de la pared.
Parámetros de especificación para el servicio de agua dura
Los ingenieros de equipos que especifican un intercambiador de calor de PTFE para servicio de agua dura deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Dureza del agua.Especifique la concentración de carbonato de calcio en el agua de servicio.
Temperatura de funcionamiento.Especifique la temperatura máxima de funcionamiento y la temperatura de la pared del tubo.
Velocidad del flujo.Especifique la velocidad lateral mínima-del tubo. Se recomienda una velocidad de 1,5 a 2,0 m/s para servicio de agua dura.
Intervalo de limpieza.Especifique el intervalo de limpieza esperado y el método de limpieza.
Margen de falta.Especifique el margen de suciedad en función de la dureza del agua y el intervalo de limpieza.
Área de superficie.Especifique el área de superficie requerida para la carga de calor y el margen de incrustación.
Flujo de calor.Especifique el flujo de calor máximo permitido según el límite de temperatura de la pared.
Disposiciones de limpieza.Especifique las conexiones y válvulas necesarias para-la limpieza in situ.
Adaptación del margen de contaminación a las condiciones del agua dura
El margen de contaminación de un intercambiador de calor de PTFE en servicio de agua dura depende de la dureza del agua, la temperatura de la pared del tubo, el intervalo de limpieza y la degradación aceptable del rendimiento. El margen convencional del 10 al 20% suele ser inadecuado. El margen recomendado es del 20 al 50 % para agua de dureza moderada a muy dura, según el intervalo de limpieza.
El margen debe seleccionarse en función del coste total de propiedad durante la vida útil. Un margen mayor aumenta el costo de capital pero reduce la frecuencia de limpieza y la pérdida de producción. El margen óptimo minimiza el coste total.
Para las instalaciones de servicio de agua dura que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, el margen de contaminación debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. Es posible que la configuración predeterminada proporcionada por el fabricante no incluya un margen adecuado y la degradación del rendimiento resultante puede requerir una limpieza más frecuente de lo esperado.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones del intercambiador de calor de PTFE para agua dura u otro servicio de contaminación pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la dureza del agua, la temperatura de operación, la velocidad del flujo, el intervalo de limpieza y el margen de contaminación para confirmar que la unidad coincide con la calidad del agua real y la estructura de costos operativos de la instalación.
