El problema de la distribución
Un intercambiador de calor de PTFE con 60 tubos conectados a un único cabezal de vapor debería, en teoría, recibir el mismo flujo de vapor en cada tubo. En la práctica, los tubos más cercanos a la entrada del colector reciben más vapor que los del otro extremo. El desequilibrio crea zonas frías y calientes en el haz de tubos. Los tubos fríos condensan el vapor de forma incompleta y pueden inundarse con condensado. Los tubos calientes funcionan a temperaturas excesivas en las paredes.
La uniformidad de la distribución del vapor depende del perfil de presión dentro del cabezal. A medida que el vapor fluye a lo largo del cabezal, los cambios de fricción y momento hacen que varíe la presión estática. Los tubos en diferentes ubicaciones experimentan diferentes presiones de conducción. La magnitud de esta variación de presión determina el desequilibrio del flujo.
El número de tubos por cabezal es una variable de diseño principal que controla la uniformidad de la distribución. Menos tubos por cabezal reducen la longitud del cabezal y la variación de presión a lo largo del mismo. Más tubos por cabezal aumentan el flujo total, aumentando la variación de presión y el potencial de mala distribución. El número óptimo de tubos equilibra la calidad de la distribución con el costo y la complejidad de múltiples cabezales.
El perfil de presión del cabezal
El vapor que ingresa a un cabezal experimenta dos efectos de presión competitivos. La fricción entre el vapor y la pared del cabezal hace que la presión disminuya a lo largo de la dirección del flujo. Esto tiende a reducir el flujo hacia los tubos aguas abajo. Al mismo tiempo, a medida que el vapor se bifurca en los tubos, la velocidad en el cabezal disminuye. La energía cinética del flujo desacelerado se convierte en presión estática, un fenómeno llamado recuperación de presión. Esto tiende a aumentar el flujo hacia los tubos aguas abajo.
Para los cabezales de vapor con baja velocidad de entrada y muchos tubos derivados, la fricción domina y los tubos aguas abajo se ven privados de agua. Para cabezales con alta velocidad de entrada y pocas ramificaciones, la recuperación de presión puede sobrecompensarse y los tubos aguas abajo reciben un exceso de flujo.
El diseño óptimo equilibra estos efectos para lograr una presión casi{0}}uniforme en todas las entradas de los tubos. Esto se logra seleccionando el diámetro del cabezal y el número de tubos de modo que la variación de presión en todos los puntos de ramificación sea inferior al 5 % de la diferencia total de presión de conducción.
Tabla 1: Número de tubos recomendado por cabezal según presión de vapor y diámetro del tubo
| Presión de vapor (barg) | Diámetro exterior del tubo (mm) | Tubos recomendados por cabezal | Tubos máximos por cabezal | Diámetro del cabezal (mm) | Variación de flujo esperada |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Valores basados en una longitud de tubo uniforme de 1,5 metros, orientación horizontal del cabezal y variación de flujo objetivo inferior al 5 %. Los tubos más largos aumentan la resistencia de los tubos individuales, mejorando la distribución y permitiendo un número de tubos ligeramente mayor.
El requisito de ecualización del condensado
La distribución de Steam es sólo la mitad del problema. La eliminación del condensado debe ser igualmente uniforme. Si el cabezal de condensado en las salidas de los tubos tiene un perfil de presión diferente al del cabezal de vapor, la presión de conducción neta a través de cada tubo variará incluso si las presiones de suministro de vapor son iguales.
El cabezal de condensado normalmente funciona con flujo de dos-fases-condensado y vapor flash. Su distribución de presión es más compleja que la del cabezal de vapor monofásico-. La ecualización de la ruta del condensado se logra inclinando el cabezal de condensado hacia la trampa de vapor, asegurando que ninguna salida de tubo quede sumergida en el condensado acumulado y limitando el número de tubos por cabezal de condensado a igual o menos que el lado del vapor.
Configuraciones prácticas de encabezado
Para un intercambiador de calor de PTFE de 60 kW que requiere 60 tubos de 10 mm de diámetro exterior, la configuración recomendada utiliza tres cabezales de vapor, cada uno de los cuales alimenta 20 tubos. Esta disposición limita la variación del flujo entre un 3% y un 5% en todos los tubos. Cada cabezal se conecta a un cabezal de condensado independiente con el mismo número de tubos.
Los diseños de cabezal único-para 60 tubos son técnicamente factibles con diámetros de cabezal de gran tamaño, pero introducen una variación de flujo del 15-25%, lo que corre el riesgo de que la condensación se inunde en los tubos más necesitados. El ahorro de costes resultante de la reducción del número de encabezados se ve compensado por la penalización en el rendimiento derivada de la mala distribución.
Para intercambiadores muy grandes que superan los 200 tubos, un sistema múltiple distribuye vapor a múltiples sub-cabeceras. El colector maneja el flujo de vapor a granel y cada sub-colector alimenta una cantidad manejable de tubos. Este enfoque jerárquico mantiene la calidad de la distribución a cualquier escala.
Resumen
El número de tubos por cabezal controla directamente la uniformidad de la distribución del vapor en intercambiadores de calor de PTFE de múltiples-pasos. El rango recomendado de 10 a 30 tubos por cabezal, dependiendo de la presión del vapor y el diámetro del tubo, limita la variación del flujo a menos del 5 % y evita la inundación de condensado en los tubos carentes. Varios cabezales más pequeños superan a un solo cabezal de gran tamaño en calidad de distribución y rendimiento térmico.
El tamaño adecuado del cabezal, combinado con un cuidadoso diseño del cabezal de condensado, garantiza que cada tubo del haz de PTFE contribuya plenamente a la tarea total de transferencia de calor. El modesto costo adicional de múltiples cabezales se recupera mediante la eliminación de puntos fríos y tubos inundados.
Las recomendaciones de ingeniería para el diseño del cabezal del intercambiador de calor de PTFE están disponibles previa presentación de la potencia térmica requerida, la presión del vapor, las especificaciones de los tubos y las restricciones físicas en la ubicación del cabezal.
