La decisión sobre la disposición de la fila
Un haz de intercambiador de calor de PTFE consta de varias filas de tubos. La disposición de estas filas-ya sea que los tubos de una fila estén directamente detrás de los de la fila anterior (en línea) o compensados por medio espacio entre tubos (escalonados)-afecta tanto la transferencia de calor como la caída de presión.
Las filas escalonadas aumentan la turbulencia. El fluido que fluye a través del haz encuentra tubos directamente en su camino en lugar de pasar a través de espacios alineados. Esta turbulencia aumenta el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa-. Pero también aumenta la caída de presión a través del haz. La energía de bombeo aumenta.
Las filas en línea permiten que el fluido pase a través de canales alineados con menos perturbaciones. La transferencia de calor es menor, pero también lo es la caída de presión. El patrón óptimo depende de si el proceso se beneficia más de una mejor transferencia de calor o de un menor costo de bombeo.
Para los intercambiadores de calor de PTFE, la baja conductividad térmica de la pared del tubo hace que la mejora de la transferencia de calor externa sea particularmente valiosa. La resistencia de la pared del tubo ya es alta; cualquier mejora en el coeficiente externo mejora directamente el valor general de U-.
La diferencia en la transferencia de calor
En el flujo cruzado sobre haces de tubos, el número de Nusselt-el coeficiente de transferencia de calor adimensional-depende del número de Reynolds, el número de Prandtl y la disposición de los tubos. Para un número de Reynolds determinado, las disposiciones escalonadas producen números de Nusselt entre un 15 y un 25 % más altos que las disposiciones en línea.
El mecanismo es el desprendimiento de vórtices. En una disposición escalonada, cada tubo arroja vórtices que inciden en los tubos aguas abajo, alterando la capa límite y mejorando la mezcla. En una disposición en línea, los tubos aguas abajo se ubican detrás de los tubos aguas arriba. El fluido de estela es más lento y ya se ha calentado, lo que reduce la diferencia de temperatura efectiva.
La ventaja de la transferencia de calor de la disposición escalonada es más pronunciada con números de Reynolds moderados (500-5000), que es el rango típico para el flujo del lado de la carcasa en intercambiadores de calor de PTFE que sirven a baños de enchapado y decapado.
Tabla 1: Comparación de rendimiento de los patrones de tubos en línea versus escalonados (tubos de PTFE de 10 mm de diámetro exterior, espacio entre centros de 25 mm)
| Parámetro | Patrón en línea (cuadrado) | Patrón escalonado (triangular) | Diferencia |
|---|---|---|---|
| Número relativo de Nusselt (Re=2,000) | 1,0 (línea de base) | 1.18 | +18% |
| Coeficiente relativo de transferencia de calor | 1.0 | 1.15-1.25 | +15-25% |
| Factor de fricción (por fila de tubos) | 1,0 (línea de base) | 1.35 | +35% |
| Caída de presión relativa (mismo flujo) | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Tubos por unidad de volumen | 1,0 (línea de base) | 1,15 (empaque más denso) | +15% más tubos |
| Mejora general del valor U-(con pared de PTFE) | 1.0 | 1.12-1.18 | +12-18% |
| Aumento de la potencia de bombeo | 1.0 | 1.30-1.40 | +30-40% |
| Aplicación recomendada | La baja resistencia al flujo es crítica | La transferencia de calor es crítica | La mayoría de las aplicaciones de PTFE favorecen el escalonamiento. |
La relación entre paso-y-diámetro
El espaciado-a-centro de los tubos en relación con su diámetro-la relación de paso-a-diámetro-afecta ambos patrones. Un espaciamiento más estrecho aumenta la turbulencia y la transferencia de calor, pero también aumenta la caída de presión y reduce el acceso para la limpieza.
Para tubos de PTFE en disposición escalonada, una relación entre paso-y-diámetro de 2,0-2,5 proporciona el mejor equilibrio entre mejora de la transferencia de calor y caída de presión razonable. Las relaciones inferiores a 1,8 crean un empaque tan apretado que el flujo del lado de la carcasa queda excesivamente restringido. Las relaciones superiores a 3,0 pierden el beneficio de turbulencia del patrón escalonado.
Para disposiciones en línea, una relación entre paso-y-diámetro de 2,0 es estándar. Los canales de flujo alineados son menos sensibles al espaciamiento que el patrón escalonado.
La consideración específica-del PTFE
Los tubos de PTFE son flexibles. En disposiciones escalonadas, los tubos deben mantener su espaciado preciso para lograr la mejora prevista en la transferencia de calor. Si los tubos se hunden o se desplazan, el patrón escalonado se degrada y la transferencia de calor cae hacia el valor en línea.
Las placas de soporte a intervalos que no excedan los límites de separación de los soportes de los tubos son esenciales para mantener la disposición prevista. Los orificios de la placa de soporte se deben perforar con un patrón escalonado y mantener la posición del tubo durante toda la vida útil.
Resumen
Los patrones de filas de tubos escalonados en los haces de intercambiadores de calor de PTFE aumentan el coeficiente de transferencia de calor en un 15-25 % en comparación con los patrones en línea, a costa de una caída de presión del lado de la carcasa entre un 30 y un 40 % mayor. Para la mayoría de las aplicaciones de PTFE, donde la resistencia de la pared del tubo es significativa, la ganancia en la transferencia de calor justifica la penalización por la caída de presión.
Una relación de paso-a-diámetro de 2,0-2,5 en disposición escalonada optimiza el equilibrio. Un espacio adecuado entre las placas de soporte mantiene el patrón escalonado durante toda la vida útil del equipo.
Las recomendaciones de ingeniería para la optimización de la disposición del haz de tubos de PTFE están disponibles previa presentación del caudal del lado de la carcasa, la caída de presión permitida, las propiedades del fluido y los requisitos de transferencia de calor.
