La relación de transferencia de calor del diámetro-
El vapor que se condensa dentro de un tubo intercambiador de calor de PTFE forma una fina película de condensado en la pared interior. La película fluye a lo largo del tubo bajo la influencia de la gravedad y el esfuerzo cortante del flujo de vapor. El espesor de esta película determina el coeficiente de transferencia de calor interno-cuanto más gruesa es la película, mayor es la resistencia térmica entre el vapor y la pared del tubo.
El espesor de la película depende del caudal de condensado, del diámetro del tubo y de la orientación del tubo. Para una carga de condensado determinada, un tubo de menor diámetro tiene una película más gruesa (el condensado ocupa una fracción mayor de la sección transversal-) y un coeficiente de transferencia de calor interno más bajo. Un tubo de mayor diámetro tiene una película más delgada y un coeficiente más alto.
Sin embargo, los tubos de mayor diámetro tienen una velocidad de vapor más baja para el mismo flujo másico, lo que reduce el esfuerzo cortante que ayuda a mover el condensado. La menor tensión de corte puede dar lugar a una película más gruesa cerca de la salida del tubo, compensando parcialmente el beneficio del diámetro. El diámetro óptimo del tubo equilibra estos efectos competitivos.
El cálculo del espesor de la película
Para el flujo de condensado laminar en la pared interior de un tubo horizontal, el espesor de la película es: δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3), donde μ es la viscosidad del condensado, Γ es el flujo másico de condensado por unidad de ancho del perímetro del tubo, ρ es la densidad del condensado, ρ_v es la densidad del vapor y g es gravedad.
El flujo de condensado por unidad de ancho es: Γ=m_cond / (π × D), donde m_cond es el flujo másico de condensado por tubo y D es el diámetro interno del tubo. Un diámetro mayor distribuye el mismo flujo de condensado sobre un perímetro mayor, reduciendo Γ y adelgazando la película.
Para un tubo de 10 mm de diámetro interior que transporta 1,5 kg/h de condensado, el espesor de la película en la salida del tubo es de aproximadamente 0,15 mm. Para un tubo de 6 mm de diámetro interior con la misma carga de condensado, el espesor de la película es aproximadamente entre 0,22 mm y un 50 % más. El coeficiente interno de transferencia de calor es proporcional a 1/δ, por lo que el tubo más pequeño tiene aproximadamente un 30% menos de coeficiente interno.
| DI del tubo (mm) | Carga de condensado (kg/h) | Espesor de la película en la salida (mm) | h interna (W/m²·K) | Riesgo de puente |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 0.22 | 1,100 | Moderado (diámetro pequeño) |
| 8 | 1.5 | 0.17 | 1,400 | Bajo |
| 10 | 1.5 | 0.15 | 1,600 | Bajo |
| 12 | 1.5 | 0.13 | 1,800 | Muy bajo |
Valores para tubo horizontal, película laminar, vapor saturado de 3 barg.
El riesgo de puenteo de condensado
En los tubos horizontales, el condensado fluye a lo largo del fondo del tubo. Si el espesor de la película se vuelve demasiado grande en relación con el diámetro del tubo, el condensado puede unir el tubo-llenando toda la sección transversal-en algún punto. Esto crea una masa de líquido que bloquea el flujo de vapor y provoca golpes de ariete cuando la masa es impulsada por la presión del vapor.
El riesgo de formación de puentes aumenta a medida que disminuye el diámetro del tubo y aumenta la carga de condensado. Para los tubos de 6 mm de diámetro interior, los puentes son un problema con cargas elevadas de condensado (por encima de aproximadamente 2 kg/h por tubo). Para tubos de 10 mm de diámetro interior, es poco probable que se formen puentes con cargas de condensado típicas para el servicio del intercambiador de calor (0,5-3 kg/h por tubo). El diámetro interior mínimo recomendado para tubos horizontales calentados por vapor es de 8 mm para proporcionar un margen adecuado contra la formación de puentes.
La recomendación de diseño
Para la mayoría de las aplicaciones de intercambiadores de calor de PTFE, un diámetro interior de tubo de 8-10 mm (OD 10-12 mm con pared de 1 mm) proporciona un buen equilibrio entre transferencia de calor interna, drenaje de condensado y resistencia a la formación de puentes. Se pueden usar tubos más pequeños (6 mm de diámetro interior) para cargas bajas de condensado o para orientación vertical donde la gravedad ayuda al drenaje y los puentes no son una preocupación. Los tubos más grandes (por encima de 12 mm de diámetro interior) proporcionan una mejor transferencia de calor interna, pero aumentan el costo del tubo y reducen la densidad del área superficial.
Resumen
El diámetro del tubo afecta el espesor de la película de condensado y el coeficiente de transferencia de calor interno en un intercambiador de calor de PTFE. Los diámetros más pequeños producen películas más gruesas y coeficientes internos más bajos, y aumentan el riesgo de formación de puentes de condensación. Se recomienda un diámetro interior de tubo de 8 a 10 mm para tubos horizontales. Los tubos verticales pueden utilizar diámetros más pequeños porque la gravedad evita la formación de puentes. El diámetro óptimo equilibra la transferencia de calor interna, la confiabilidad del drenaje y la densidad del área superficial.
El soporte de ingeniería para la selección del diámetro del tubo de PTFE está disponible previa presentación de la carga de condensado por tubo, la orientación del tubo, la presión del vapor y la carga térmica requerida.
