El LMTD que define el deber de enfriamiento
Una línea de anodizado duro Tipo III que funciona a 2 grados requiere un intercambiador de calor para eliminar 50 kW de calor de reacción. El suministro de agua fría está a -2 grados y el retorno está a 2 grados. El fluido del proceso ingresa al intercambiador de calor a 4 grados y sale a 2 grados.
Para una disposición de contraflujo, las diferencias de temperatura en los dos extremos son: extremo caliente (entrada del proceso 4 grados - salida de agua enfriada 2 grados)=2 grados y extremo frío (salida del proceso 2 grados - entrada de agua enfriada -2 grados)=4 grados. El LMTD se calcula a partir de estos dos valores y es de aproximadamente 2,9 grados.
El LMTD de 2,9 grados es muy pequeño. Para un intercambiador de calor con un coeficiente global de 200 W/m²·K y una carga térmica de 50 kW, la superficie requerida es 86 m². Se trata de un intercambiador de calor muy grande y el coste de capital es sustancial.
El pequeño LMTD es la limitación que define el enfriamiento por anodizado duro. El intercambiador de calor debe ser lo suficientemente grande como para transferir el calor a través de la pequeña diferencia de temperatura, y el requisito de superficie determina el costo de capital y la huella.
Por qué el LMTD es pequeño en el servicio de anodizado
El LMTD es pequeño en servicio de anodizado por tres razones.
Primero, la temperatura del proceso es baja. El anodizado duro tipo III funciona entre 0 y 5 grados, y el anodizado sulfúrico tipo II funciona entre 20 y 22 grados. La baja temperatura del proceso limita la diferencia de temperatura entre el proceso y el agua enfriada.
En segundo lugar, la temperatura del suministro de agua enfriada está limitada por el sistema de refrigeración. Un suministro de agua fría típico está entre 5 y 7 grados para el anodizado tipo II y entre -5 y 0 grados para el anodizado duro Tipo III. La temperatura de suministro no se puede reducir indefinidamente porque la eficiencia del sistema de refrigeración disminuye y aumenta el riesgo de congelación.
En tercer lugar, la tolerancia a la temperatura del proceso es estricta. La velocidad de reacción de anodización y las propiedades del recubrimiento dependen de la temperatura y la tolerancia suele ser de ±1 grado. La estricta tolerancia limita el aumento de temperatura del fluido del proceso a través del intercambiador de calor, lo que reduce el LMTD.
El LMTD en anodizado con ácido sulfúrico tipo II
La anodización con ácido sulfúrico tipo II funciona a 20-22 grados con una tolerancia de ±1 grado. El suministro de agua fría suele estar entre 10 y 12 grados y el retorno, entre 15 y 17 grados. El fluido del proceso ingresa al intercambiador de calor a 22 grados y sale a 20 grados.
Para una disposición de contraflujo, las diferencias de temperatura en los dos extremos son: extremo caliente (entrada del proceso 22 grados - salida de agua enfriada 17 grados)=5 grados y extremo frío (salida del proceso 20 grados - entrada de agua enfriada 10 grados)=10 grados. El LMTD es de aproximadamente 7,2 grados.
El LMTD de 7,2 grados es más grande que la carcasa de anodizado duro, pero sigue siendo pequeño en comparación con las aplicaciones típicas de intercambiadores de calor. Para un intercambiador de calor con un coeficiente global de 200 W/m²·K y una carga térmica de 50 kW, la superficie requerida es de 35 m².
El LMTD en anodizado duro tipo III
El anodizado duro tipo III funciona entre 0 y 5 grados con una tolerancia de ±0,5 grados. El suministro de agua fría suele estar entre -5 y 0 grados, y el retorno, entre 0 y 3 grados. El fluido del proceso ingresa al intercambiador de calor a 4 grados y sale a 2 grados.
Para una disposición de contraflujo, las diferencias de temperatura en los dos extremos son: extremo caliente (entrada del proceso 4 grados - salida de agua enfriada 3 grados)=1 grados y extremo frío (salida del proceso 2 grados - entrada de agua enfriada -5 grados)=7 grados. El LMTD es de aproximadamente 3,2 grados.
El LMTD de 3,2 grados es muy pequeño. Para un intercambiador de calor con un coeficiente global de 200 W/m²·K y una carga térmica de 50 kW, la superficie requerida es de 78 m².
El efecto de la disposición del flujo en el LMTD
La disposición del flujo afecta al LMTD. Una disposición de contraflujo proporciona el LMTD más grande para un conjunto determinado de temperaturas de entrada y salida. Una disposición de flujo paralelo-proporciona el LMTD más pequeño. Una disposición de flujo cruzado-proporciona un LMTD intermedio.
Para el servicio de anodizado, se prefiere la disposición de contraflujo porque maximiza el LMTD y minimiza el área de superficie requerida. La disposición de contraflujo es particularmente importante en el servicio de anodizado duro, donde el LMTD es muy pequeño y el requisito de área de superficie es alto.
Comparación de valores LMTD para diferentes condiciones de anodizado
La siguiente tabla resume el LMTD y la superficie requerida para diferentes condiciones de anodizado con una carga térmica de 50 kW y un coeficiente general de 200 W/m²·K.
| Tipo de anodizado | Temperatura del proceso | Suministro de agua helada | Retorno de agua helada | Proceso ΔT | LMTD | Área de superficie requerida |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipo II, carga baja | 22 grados | 12 grados | 16 grados | 1 grado | 8,5 grados | 29 m² |
| Tipo II, carga moderada | 22 grados | 10 grados | 15 grados | 2 grados | 7,2 grados | 35 m² |
| Tipo II, carga alta | 22 grados | 8 grados | 14 grados | 3 grados | 6,1 grados | 41 m² |
| Tipo III, carga baja | 4 grados | 0 grados | 2 grados | 1 grado | 3,5 grados | 71 m² |
| Tipo III, carga moderada | 4 grados | −2 grados | 2 grados | 2 grados | 2,9 grados | 86 m² |
| Tipo III, carga alta | 4 grados | −5 grados | 2 grados | 3 grados | 2,4 grados | 104 m² |
| Tipo III, carga muy alta | 4 grados | −8 grados | 2 grados | 4 grados | 2,0 grados | 125 m² |
Los valores de superficie requeridos suponen una disposición en contra-flujo y un coeficiente general de transferencia de calor de 200 W/m²·K. El área superficial real dependerá del material del tubo, el espesor de la pared y las velocidades del flujo.
Los límites prácticos del LMTD en el servicio de anodizado
Los límites prácticos de LMTD en el servicio de anodizado están determinados por la compensación entre el tamaño del intercambiador de calor y el costo de refrigeración. Un LMTD más pequeño requiere un intercambiador de calor más grande, pero permite una temperatura de suministro de agua fría más alta, lo que reduce el costo de refrigeración. Un LMTD más grande permite un intercambiador de calor más pequeño pero requiere una temperatura de suministro de agua fría más baja, lo que aumenta el costo de refrigeración.
Para el anodizado con ácido sulfúrico Tipo II, el rango práctico de LMTD es de 6 a 10 grados. Por debajo de los 6 grados, el intercambiador de calor se vuelve imprácticamente grande. Por encima de los 10 grados, la temperatura del suministro de agua enfriada se vuelve demasiado alta para proporcionar una refrigeración adecuada.
Para el anodizado duro Tipo III, el rango práctico de LMTD es de 2 a 5 grados. Por debajo de 2 grados, el intercambiador de calor se vuelve imprácticamente grande. Por encima de los 5 grados, la temperatura del suministro de agua enfriada se vuelve demasiado alta para mantener la temperatura del proceso.
Características de diseño que permiten LMTD más pequeños
Varias características de diseño permiten un LMTD más pequeño sin un aumento excesivo en el tamaño del intercambiador de calor.
Material del tubo de mayor conductividad.Un compuesto de PTFE relleno con una conductividad térmica de 0,5 W/m·K tiene la mitad de la resistencia térmica de la pared del PTFE virgen, lo que aumenta el coeficiente general de transferencia de calor y reduce la superficie requerida.
Pared de tubo más delgada.Una pared más delgada reduce la resistencia térmica y aumenta el coeficiente general. Una pared de 0,5 mm tiene la mitad de resistencia térmica que una pared de 1,0 mm.
Mayor velocidad de flujo.Una mayor velocidad de flujo aumenta los coeficientes de la película en ambos lados de la pared del tubo, lo que aumenta el coeficiente general y reduce el área de superficie requerida.
Superficie del tubo mejorada.Una superficie de tubo con aletas o ranuras aumenta el área de superficie por unidad de longitud y el coeficiente de película, lo que permite un LMTD más pequeño.
Mayor diferencia de temperatura a lo largo del proceso.Permitir que el fluido del proceso suba o baje en una cantidad mayor a través del intercambiador de calor aumenta el LMTD. La tolerancia de la temperatura del proceso limita el cambio de temperatura permitido.
Configuración de intercambiador de calor dividido.Dividir la carga de calor entre dos intercambiadores de calor más pequeños permite que cada unidad funcione en un LMTD más pequeño sin la penalización de espacio de una sola unidad grande.
Parámetros de especificación para el servicio de anodizado
Los ingenieros de equipos que especifican un intercambiador de calor de PTFE para el servicio de anodizado deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Tipo anodizado.Especifique el anodizado Tipo II o Tipo III y la temperatura del proceso.
Tolerancia a la temperatura del proceso.Especifique la variación de temperatura permitida en el baño de proceso.
Temperatura del suministro de agua fría.Especifique la temperatura del suministro de agua enfriada y el caudal disponible.
Temperatura de retorno del agua enfriada.Especifique la temperatura máxima permitida de retorno del agua enfriada.
Carga de calor.Especifique la carga de calor y el rango esperado.
LMTD.Especifique el LMTD según las temperaturas del proceso y del agua enfriada.
Área de superficie.Especifique el área de superficie requerida para la carga de calor y el LMTD.
Material del tubo.Especifique el material del tubo según el coeficiente general requerido y la temperatura de la pared.
Disposición del flujo.Especifique la disposición del flujo. Se prefiere el flujo contrario-para LMTD máximo.
Adaptación del LMTD a los requisitos del proceso de anodizado
El LMTD determina el área de superficie requerida y la viabilidad del servicio de enfriamiento en un intercambiador de calor de PTFE para servicio de anodizado. Un LMTD más pequeño requiere un intercambiador de calor más grande, pero permite una temperatura de suministro de agua enfriada más alta y un costo de refrigeración más bajo. Un LMTD más grande permite un intercambiador de calor más pequeño pero requiere una temperatura de suministro de agua fría más baja y un costo de refrigeración más alto.
El LMTD debe seleccionarse en función de la temperatura del proceso, la temperatura del suministro de agua enfriada, la carga de calor y las limitaciones de espacio. Un modelo de hoja de cálculo simple con el cálculo de la transferencia de calor y los datos de costos proporciona la información necesaria para seleccionar el LMTD óptimo.
Para líneas de anodizado que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, el LMTD debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. La configuración predeterminada proporcionada por el fabricante puede optimizarse para lograr compacidad en lugar de eficiencia energética, y es posible que el LMTD resultante no coincida con los requisitos reales del proceso.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones del intercambiador de calor de PTFE para anodizado u otro servicio de enfriamiento a baja-temperatura pueden solicitar una revisión del diseño que cubra el tipo de anodizado, la temperatura del proceso, la temperatura del suministro de agua enfriada, la carga de calor, el LMTD y el área de superficie para confirmar que la unidad coincide con los requisitos reales del proceso y la estructura de costos de la instalación.
