La penalización por viscosidad
Los libros de texto sobre transferencia de calor proporcionan estimaciones del valor U-para fluidos-similares al agua a velocidades moderadas. Estas estimaciones fallan cuando se aplican a soluciones de polímeros de alta-viscosidad-alcohol polivinílico, carboximetilcelulosa o emulsiones concentradas de látex-donde las viscosidades oscilan entre 100 y 10 000 centipoises.
En estos fluidos el número de Reynolds es bajo. El flujo es laminar. La capa límite térmica es gruesa. Se suprime la convección natural. El coeficiente general de transferencia de calor de un intercambiador de calor de PTFE puede caer a 50-100 W/m²·K-un-tercio a un quinto de los 280 W/m²·K que se pueden lograr con agua.
Aplicar un factor de reducción al valor U-basado en el agua es el enfoque de diseño estándar. Pero un solo factor de reducción es insuficiente porque la viscosidad depende de la temperatura-. El fluido cerca de la superficie caliente de PTFE tiene una viscosidad menor que el fluido a granel. Esto crea un efecto de transferencia de calor automejorado-que un simple factor de reducción constante no captura.
La retroalimentación de temperatura-viscosidad
Las soluciones poliméricas exhiben una fuerte dependencia de la viscosidad-de la temperatura. Una solución con una viscosidad de 1000 cP a 25 grados puede tener una viscosidad de sólo 200 cP a 60 grados -una reducción de cinco veces. Cuando este fluido entra en contacto con la pared de un tubo de PTFE a 80-100 grados, el fluido en la capa límite se calienta a una temperatura entre la temperatura de la pared y la del volumen. Su viscosidad cae significativamente. La viscosidad reducida mejora la transferencia de calor en relación con lo que predeciría un cálculo utilizando la viscosidad a temperatura aparente.
Esta retroalimentación de temperatura-viscosidad compensa parcialmente la penalización del flujo laminar. Un intercambiador de calor de PTFE que parecería muy pequeño según los cálculos de viscosidad aparente puede funcionar adecuadamente porque el fluido de la capa límite calentado es mucho menos viscoso de lo que se supone.
El factor de reducción correcto explica este efecto. No es un multiplicador fijo sino una función de la relación viscosidad-temperatura de la solución polimérica específica.
Tabla 1: Factores de reducción del valor U-para intercambiadores de calor de PTFE en fluidos de alta-viscosidad
| Viscosidad del fluido a granel a temperatura de funcionamiento (cP) | Temperatura-Sensibilidad de la viscosidad | Valor U-recomendado (W/m²·K) | Factor de reducción relativo al agua (280 W/m²·K) | Notas |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (parecido al agua) | Bajo | 250-280 | 0.9-1.0 | Penalización de viscosidad insignificante |
| 10-50 | Moderado | 180-240 | 0.65-0.85 | Efectos laminares leves |
| 50-200 | Moderado-Alto | 120-180 | 0.43-0.65 | Flujo laminar dominante |
| 200-500 | Alto | 80-130 | 0.29-0.46 | Fuerte retroalimentación de temperatura-viscosidad |
| 500-2,000 | Alto | 60-100 | 0.21-0.36 | Comentarios significativos; agitación muy beneficiosa |
| 2,000-10,000 | muy alto | 40-70 | 0.14-0.25 | Es imprescindible la agitación mecánica; convección natural insignificante |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Para fluidos tranquilos, reduzca los valores de U-entre un 30% y un 50%.
El multiplicador de agitación
En fluidos de alta-viscosidad, la convección natural es débil o está ausente. La transferencia de calor depende completamente de la convección forzada por agitación mecánica. Sin agitación, la capa de fluido calentado alrededor de los tubos de PTFE se estanca. La transferencia de calor cae a velocidades de conducción-limitadas.
Los valores U-de la tabla suponen una agitación mecánica adecuada. Para tanques sin agitación mecánica, los valores U-deben reducirse en un 30-50% adicional. El diseño del intercambiador de calor de PTFE debe incluir especificaciones de agitación como parte integral del dimensionamiento térmico.
Para fluidos con viscosidades superiores a 2000 cP, la agitación mecánica no es opcional-es un requisito para lograr tasas de transferencia de calor útiles. La potencia del agitador y el diseño del impulsor deben especificarse junto con la superficie del intercambiador de calor.
Margen de dimensionamiento para la incertidumbre
Los datos de viscosidad de las soluciones poliméricas a menudo se miden a unas pocas temperaturas discretas y se extrapolan. La extrapolación introduce incertidumbre en el cálculo del valor U-. Se recomienda un margen de tamaño conservador de 15-25 % de área de superficie adicional para aplicaciones donde la calidad de los datos de viscosidad es incierta.
Una prueba piloto-de transferencia de calor a escala con el fluido del proceso real, si es posible, proporciona los datos del valor U-más confiables. La prueba utiliza una pequeña bobina de PTFE sumergida en una muestra del fluido del proceso, con entrada de calor medida y respuesta de temperatura. El valor U-resultante se escala al intercambiador de tamaño-completo sin reducir la incertidumbre.
Resumen
Los intercambiadores de calor de PTFE que funcionan en soluciones de polímeros de alta-viscosidad requieren factores de reducción de valor U-de 0,14 a 0,85 en relación con los valores de diseño basados en agua-, dependiendo de la viscosidad aparente y la sensibilidad a la temperatura. El efecto de retroalimentación de temperatura-viscosidad en la capa límite calentada compensa parcialmente la penalización del flujo laminar.
La agitación mecánica es esencial para la transferencia de calor útil en fluidos por encima de 500 cP. Los márgenes de tamaño del 15-25 % representan la incertidumbre en los datos de viscosidad. Para aplicaciones críticas, las pruebas de transferencia de calor a escala piloto eliminan la incertidumbre de reducción de potencia.
El análisis de ingeniería para el tamaño del intercambiador de calor de PTFE en aplicaciones específicas de alta-viscosidad está disponible tras el envío de datos de temperatura de viscosidad-del fluido, rango de temperatura de funcionamiento, método e intensidad de agitación y servicio de calor requerido.
