La especificación engañosa
La conductividad térmica domina las discusiones sobre la selección de materiales para intercambiadores de calor. El acero inoxidable a 16 W/m·K y el titanio a 22 W/m·K parecen decisivamente superiores al PTFE a 0,25 W/m·K. En una hoja de especificaciones, los metales ganan.
En un baño de cinc o niquelado propenso a la formación de lodos-, la hoja de especificaciones cuenta menos de la mitad de la historia. Después de seis meses de funcionamiento, la superficie de la bobina de metal está recubierta con una capa similar al cemento-de hidróxidos metálicos y sulfato de calcio. El coeficiente general de transferencia de calor medido ha disminuido un 50 % o más con respecto al valor limpio. Es necesario retirar el serpentín para realizar la descalcificación química. La producción se detiene. El baño se enfría. Cuatro horas más tarde, se vuelve a instalar el serpentín limpio y el ciclo comienza de nuevo.
El serpentín de PTFE en el tanque adyacente ha acumulado una fina capa de lodo que se desprende parcialmente durante la agitación normal del baño. El coeficiente de transferencia de calor ha disminuido un 8% con respecto al valor limpio. No se necesita limpieza. La producción continúa.
El factor de contaminación
La resistencia al ensuciamiento se suma a la resistencia térmica total de cualquier intercambiador de calor. El coeficiente general de transferencia de calor es el inverso de la suma de las resistencias individuales: película del lado del vapor-, pared del tubo, película del lado del proceso-y capa de suciedad.
Para una bobina de metal limpia, la resistencia de la pared del tubo es insignificante. El valor U-general está dominado por el coeficiente de película del lado del proceso-. El valor inicial de U-es alto.
Para una bobina de metal incrustada, la resistencia de la capa de incrustación es grande y dominante. Los depósitos de lodo sobre el metal tienen una fuerte adhesión debido a la atracción electrostática y al entrelazamiento mecánico con la rugosidad de la superficie. El depósito crece constantemente. Después de seis meses, la resistencia al ensuciamiento supera todas las demás resistencias combinadas. El valor general de U-se desploma.
Para una bobina de PTFE, la resistencia de la pared del tubo es significativa incluso cuando está limpia. El valor U-limpio es inferior al del metal limpio. Ésta es la penalización de la conductividad térmica. Pero la resistencia de la capa de incrustación crece lentamente porque el lodo se adhiere débilmente a la superficie de PTFE de baja-energía. Después de seis meses, la resistencia a la incrustación es una fracción de la resistencia a la incrustación de la bobina metálica. El valor U-general de la bobina de PTFE, que comenzó más bajo, ahora puede igualar o exceder el valor U-de la bobina de metal sucia.
Tabla 1: Rendimiento de la transferencia de calor a lo largo del tiempo en baños propensos a lodos-(valores típicos)
| Período de operación | Valor U-de la bobina metálica (W/m²·K) | Valor U-de la bobina de PTFE (W/m²·K) | Ventaja de rendimiento eficaz |
|---|---|---|---|
| Día 1 (limpio) | 800 | 280 | Metal +185% |
| Mes 1 | 550 | 270 | Metal +104% |
| Mes 3 | 380 | 255 | Metal +49% |
| Mes 6 | 290 | 240 | Metal +21% |
| Mes 6 (después de la limpieza de metales) | 800 | 240 | Metal +233% (temporal) |
| Promedio de 12 meses (incluido el tiempo de inactividad por limpieza de metales) | 420 | 245 | Metal +71% (continuo versus intermitente) |
Valores ilustrativos basados en observaciones de campo en zincado y niquelado. Las tasas reales de incrustación dependen de la química, la temperatura y la agitación del baño. Se asume una limpieza de metales cada 6 meses con 4 horas de inactividad por evento. PTFE no asume ningún tiempo de inactividad por limpieza.
El factor del tiempo de inactividad
La comparación del rendimiento térmico debe tener en cuenta la disponibilidad. Una bobina de metal retirada para la limpieza no emite calor durante el período de limpieza. El baño se enfría. Al reiniciar, se requiere energía adicional para recalentar el baño a la temperatura de funcionamiento. Esta penalización energética es parte del coste del ciclo de vida.
Un serpentín de PTFE que funciona continuamente sin paradas de limpieza proporciona un aporte de calor constante. No hay penalización por recalentamiento. Los programas de producción no se interrumpen por mantenimiento de las bobinas. La entrega efectiva de calor anual-la energía total transferida al proceso durante un año-puede favorecer a la bobina de PTFE aunque su valor U-limpio instantáneo sea menor.
Más allá del rendimiento térmico
La comparación del ensuciamiento afecta más que la transferencia de calor. La desincrustación química de bobinas metálicas genera residuos ácidos peligrosos que requieren eliminación. Cada ciclo de limpieza elimina una pequeña cantidad de metal base junto con la cal, adelgazando gradualmente la pared del tubo. Después de años de incrustación y desincrustación cíclica, la bobina de metal requiere reemplazo debido al adelgazamiento de la pared, no a la suciedad.
Las bobinas de PTFE resisten el ataque químico de los productos químicos desincrustantes, pero rara vez necesitan desincrustarse. Cuando es necesaria la limpieza, la superficie inerte tolera limpiadores agresivos sin degradarse. No se pierde ningún material base. El espesor de la pared permanece constante durante toda la vida útil del equipo.
Resumen
La conductividad térmica no es el único determinante del rendimiento del intercambiador de calor en baños de revestimiento propensos a lodos-. Las tasas de suciedad en las superficies metálicas degradan las ventajas térmicas iniciales en cuestión de meses. La baja energía superficial del PTFE minimiza la adhesión de lodos, manteniendo coeficientes de transferencia de calor estables durante períodos prolongados sin tiempos de inactividad por limpieza.
La comparación del ciclo de vida debe incluir el crecimiento de la resistencia a las incrustaciones, la frecuencia de limpieza, las penalizaciones de energía por tiempo de inactividad y los costos de limpieza química. Cuando se incluyen estos factores, los intercambiadores de calor de PTFE a menudo ofrecen un costo total más bajo y un rendimiento térmico más consistente que los equivalentes metálicos en aplicaciones propensas a lodos-.
El análisis de ingeniería para la comparación del ciclo de vida del intercambiador de calor de PTFE versus metal en baños específicos-propensos a lodos está disponible previa presentación de la química del baño, los datos de la tasa de incrustaciones, la frecuencia y los costos de limpieza actuales y la carga térmica requerida.
