La geometría vertical que impulsa el diseño
Una línea de revestimiento vertical opera un tanque de 0,8 m de ancho, 0,6 m de profundidad y 2,5 m de alto. Las piezas de trabajo viajan verticalmente a través del tanque sobre una barra transportadora y el espacio disponible para el intercambiador de calor se limita a las dos estrechas paredes laterales. El espacio disponible para el intercambiador de calor es de 0,4 m por 0,4 m y la altura disponible es de 2,0 m.
Un paquete de bobinas horizontal estándar requiere un espacio de 1,2 m por 0,3 m, que no cabe en el tanque vertical. Se requiere un diseño no-estándar.
El diseño no-estándar utiliza un paquete vertical que se monta contra una pared lateral. El paquete tiene una superficie de 0,35 m por 0,35 m y una altura de 1,8 m. Los tubos corren verticalmente y el fluido del proceso fluye hacia arriba a través del haz por convección natural o por flujo de agitación.
La configuración del paquete vertical
La configuración de haz vertical tiene varias ventajas para las líneas de enchapado verticales. La orientación vertical permite que el paquete encaje en el espacio estrecho de la pared lateral. Los tramos verticales de los tubos permiten que el fluido calentado suba a lo largo de los tubos, lo que promueve la convección natural y mejora la transferencia de calor. La orientación vertical también permite que el condensado se drene libremente desde el lado de servicio, lo que evita el golpe de ariete que puede ocurrir en los serpentines de vapor horizontales.
El paquete vertical tiene algunas desventajas. Los tramos de tubos verticales requieren un haz más alto para la misma superficie, que puede no caber en la altura disponible. La orientación vertical también expone los tubos superiores a una velocidad del fluido de proceso más baja, lo que reduce el coeficiente de transferencia de calor en esa región.
El área de superficie y el recuento de tubos
El área de superficie de un intercambiador de calor de línea de revestimiento vertical está determinada por la carga de calor y el límite del flujo de calor. Para un depósito con una carga térmica de 5 kW y un límite de flujo de calor de 0,8 W/cm², la superficie necesaria es de 6,3 m².
Para un tubo con un diámetro exterior de 6,35 mm y un espesor de pared de 0,6 mm, la superficie por metro de tubo es 0,0199 m²/m. Para una superficie de 6,3 m², la longitud total del tubo es de aproximadamente 317 m.
Para una altura de haz de 1,8 m, la longitud del tubo por pasada es de 1,8 m. El número de pasadas de tubos es 317 / 1.8=176. El recuento de tubos en el paquete está determinado por la huella y el espaciado de los tubos. Para una superficie de 0,35 m por 0,35 m y una separación entre tubos de 12 mm, el número de tubos por fila es de aproximadamente 29 y el número de filas es de aproximadamente 29. El número total de tubos es de aproximadamente 840 tubos.
El alto número de tubos y el pequeño diámetro de los tubos son característicos de los intercambiadores de calor de línea de revestimiento vertical. Se requiere un diámetro pequeño para lograr la superficie en el espacio limitado.
El material del tubo y el espesor de la pared
El material del tubo para un intercambiador de calor de línea de revestimiento vertical debe seleccionarse en función de la química del proceso. Para baños de revestimiento ácido, el PTFE es el material estándar. Para baños alcalinos se puede utilizar PTFE o PVDF.
El espesor de la pared debe ser de 0,5 a 0,7 mm. Una pared más delgada reduce la resistencia térmica y la temperatura de la pared, pero también reduce la resistencia mecánica y la resistencia al daño por manipulación. Una pared de 0,6 mm proporciona un equilibrio entre rendimiento térmico y durabilidad mecánica.
La ubicación y el diseño de la conexión.
Las conexiones para un intercambiador de calor de línea de revestimiento vertical deben ubicarse en la parte superior del paquete para permitir que entre el fluido de servicio y se drene el condensado. Las conexiones del fluido del proceso deben ubicarse en la parte inferior y superior del paquete para permitir que el fluido del proceso fluya hacia arriba a través del paquete.
El tamaño de la conexión debe dimensionarse para el caudal y la caída de presión. Para un caudal de fluido de servicio de 5 m³/h y un límite de caída de presión de 20 kPa, el tamaño de la conexión es de 1 pulgada. Para un caudal de fluido de proceso de 10 m³/h y un límite de caída de presión de 15 kPa, el tamaño de la conexión es de 1,5 pulgadas.
Las conexiones deben estar bridadas con juntas de alta-recuperación para adaptarse al ciclo térmico. La clasificación de la brida debe ser adecuada para la presión del fluido de servicio.
El diseño de soporte y montaje.
El diseño de soporte para un intercambiador de calor de línea de revestimiento vertical debe permitir que el paquete se monte contra la pared del tanque sin interferir con el recorrido de la pieza de trabajo. El soporte debe ser ajustable para permitir que el paquete se coloque a la altura y alineación correctas.
El soporte debe adaptarse a la expansión térmica del haz. Un soporte deslizante o una conexión flexible en la parte superior del haz permite que el haz se expanda y contraiga sin imponer tensión a la pared del tanque o a las conexiones.
El montaje debe diseñarse de manera que permita retirar el paquete para limpiarlo o reemplazarlo sin desmontar el tanque o las tuberías. Un accesorio de desconexión rápida-en las conexiones y un ojo de elevación en la parte superior del paquete facilitan la extracción.
Las Disposiciones de Control y Vigilancia
Las disposiciones de control para un intercambiador de calor de línea de revestimiento vertical deben incluir un sensor de temperatura en la salida del proceso y un sensor de temperatura en la zona de revestimiento. La diferencia entre los dos sensores proporciona una indicación del rendimiento de la transferencia de calor y la tasa de contaminación.
Un sensor de caída de presión en el lado de servicio proporciona una indicación del drenaje de condensado y la acumulación de gas no-condensable. Un sensor de flujo en el lado del proceso proporciona una indicación del caudal y el rendimiento de la transferencia de calor.
El sistema de control debe ser capaz de mantener la temperatura del baño dentro de ±1 grado. Se recomienda un controlador PID con acción derivativa para un control estricto de la temperatura.
La lista de verificación de especificaciones
La siguiente tabla resume los parámetros de especificación para un intercambiador de calor de PTFE no-estándar para una línea de revestimiento vertical.
| Parámetro | Especificación | Base |
|---|---|---|
| Dimensiones del tanque | 0.8 m × 0.6 m × 2.5 m | Geometría de línea vertical |
| Huella disponible | 0.35 m × 0.35 m | Espacio en la pared lateral |
| Altura disponible | 1.8 m | Altura del tanque menos espacio libre |
| Carga de calor | 5 kilovatios | Calculado con margen |
| Área de superficie | 6.3 m² | Carga de calor dividida por el flujo de calor |
| flujo de calor | 0,8 W/cm² | Límite de estabilidad del baño |
| Diámetro exterior del tubo | 6,35 milímetros | Cabe en un espacio limitado |
| Espesor de la pared del tubo | 0,6 milímetros | Equilibrio térmico y mecánico. |
| Material del tubo | PTFE | Compatibilidad química |
| recuento de tubos | 840 | Superficie y huella |
| Altura del paquete | 1.8 m | Altura disponible |
| Espaciado de tubos | 12 milímetros | Penetración del flujo de agitación. |
| Tamaño de conexión (servicio) | 1 pulgada | Caudal y caída de presión. |
| Tamaño de conexión (proceso) | 1,5 pulgadas | Caudal y caída de presión. |
| Tipo de conexión | Brida | Alojamiento ciclista termal |
| Material de la junta | PTFE expandido | Alta recuperación |
| Tipo de soporte | Corredizo | Expansión térmica |
| Montaje | Montado en la pared- | Geometría del tanque |
| Sensores de temperatura | Salida de proceso y zona de galvanoplastia. | Monitoreo del desempeño |
| Sensor de caída de presión | Lado de servicio | Monitoreo del drenaje de condensado |
| sensor de flujo | Lado del proceso | Monitoreo del caudal |
| sistema de control | PID con derivada | Control de temperatura de ±1 grado |
La estimación de costos
El coste de un intercambiador de calor de PTFE no-estándar para una línea de revestimiento vertical depende del área de la superficie, el material del tubo y las disposiciones de conexión y control. Para una unidad de 6,3 m² con tubos de PTFE, conexiones bridadas y sensores de temperatura y presión, el costo de capital es de aproximadamente $22 000 a $28 000.
El costo de mantenimiento anual es de aproximadamente $1500 a $2500, incluyendo la limpieza, el reemplazo de la junta y la calibración del sensor. Se espera que la vida útil sea de 8 a 12 años con un mantenimiento adecuado.
Hacer coincidir el diseño no-estándar con los requisitos de las líneas verticales
Se debe especificar un intercambiador de calor de PTFE no-estándar para una línea de revestimiento vertical en función de las dimensiones reales del tanque, el espacio disponible y los requisitos del proceso. La configuración del haz vertical, el diámetro pequeño del tubo y el alto número de tubos son las características que definen el diseño no-estándar.
El diseño no-estándar permite que el intercambiador de calor encaje en el espacio limitado de una línea vertical sin interferir con el recorrido de la pieza de trabajo. La orientación vertical también promueve la convección natural y el drenaje de condensado, lo que mejora la transferencia de calor y reduce el riesgo de golpe de ariete.
Para las instalaciones de líneas de revestimiento vertical que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, el diseño no-estándar debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. La configuración predeterminada proporcionada por el fabricante puede ser una unidad horizontal que no se ajusta al tanque vertical, y la instalación resultante puede requerir modificaciones significativas.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para líneas de revestimiento vertical u otros servicios con espacio limitado-pueden solicitar una revisión del diseño que cubra las dimensiones del tanque, la huella disponible, la carga de calor, el área de superficie, la geometría del tubo, la ubicación de la conexión y el diseño del soporte para confirmar que la unidad coincide con los requisitos reales de la línea vertical y la estructura de costos de la instalación.
