¿La forma de un tubo de PFA ondulado o helicoidal mejora la distribución del calor en baños de aceite de bajo-flujo y alta-viscosidad?

La gestión térmica de los baños de aceite de alta-viscosidad, como los que se utilizan para la fabricación de polímeros, el tratamiento térmico y el revestimiento de reactores químicos, es un desafío constante: el aceite fluye lentamente (solo convección natural o recirculación de bajo-flujo) y resiste la mezcla. En dicha atmósfera, un calentador de tubo recto de PFA produce una columna limitada de aceite calentado que se eleva verticalmente, dejando volúmenes significativos del baño a una temperatura más baja. La diferencia de temperatura entre la superficie del calentador y el aceite a granel es a veces de más de 30-40 grados, lo que resulta en una degradación acelerada del PFA en las áreas calientes. En teoría, un tubo de PFA curvo ondulado o helicoidal da como resultado una mejor distribución del calor a través de flujos secundarios y la alteración de la capa de barrera térmica. El grado en que este cambio de forma produce una mejora perceptible depende de la viscosidad del aceite a la temperatura de trabajo, la geometría del tanque y la caída de presión permitida en los sistemas de flujo forzado.

Alteración del patrón de flujo de geometría helicoidal
El fluido que fluye dentro y alrededor de un tubo helicoidal de PFA (enrollado como un resorte) o un tubo sinusoidal (curvas onduladas en un plano) está sujeto a fuerzas centrífugas. El método de transferencia de calor en un baño de aceite inactivo es la convección natural. En el caso de un tubo vertical recto, el flujo de convección natural es exclusivamente axial y sólo hay una columna de aceite calentado que asciende hacia arriba. Por otro lado, un tubo helicoidal tiene superficies curvas que doblan el petróleo hacia afuera a medida que asciende. Las mediciones de velocimetría de imágenes de partículas en aceite de silicona de 1000 cP a 120 grados indican que un tubo helicoidal de PFA (bobina de 100 mm de diámetro, altura de 200 mm) crea un patrón de flujo toroidal giratorio alrededor del calentador. El aceite calentado sube en forma de espiral y luego desciende por las paredes del tanque, generando una celda de circulación a gran escala que ocupa entre el 70% y el 80% del volumen del tanque. Esta circulación reduce la diferencia máxima de temperatura en todo el tanque de 25 a 30 grados (para un tubo recto) a 10 a 15 grados (para una hélice) para la misma entrada de energía.

La mejora aumenta con el número de Dean, una cantidad adimensional que mide la fuerza del flujo secundario en tubos curvos. Para viscosidades de aceite superiores a 10.000 cP a temperatura de funcionamiento, el número de Dean es inferior a 5 y el flujo secundario es mínimo. En estos aceites muy viscosos, una forma helicoidal no proporciona una ventaja de distribución de calor sobre un tubo recto, ya que el impulso del fluido no genera circulación de flujo cruzado. El límite máximo práctico de viscosidad para el beneficio helicoidal es de aproximadamente 8.000-10.000 cP. La viscosidad tiene que ser inferior a 1000 cP para que el flujo secundario sea lo suficientemente fuerte como para comprometer la integridad de la funda de PFA por erosión localizada en el radio exterior de las curvas.

Uniformidad de la temperatura superficial y alteración de la capa límite
La forma del tubo ondulado (sinusoidal con una amplitud de 30-50 mm y una longitud de onda de 100-150 mm) interactúa con la capa límite térmica de forma diferente a una hélice. A medida que el petróleo fluye sobre la superficie ondulada (por convección natural o flujo controlado), las partes convexas y cóncavas crean gradientes de presión que resultan en la separación y reinserción del flujo. Cada ola genera una pequeña zona de recirculación en el lado aguas abajo del pico convexo que tiene entre 3 y 5 de diámetro de longitud. Estas zonas de recirculación transportan el aceite más frío desde el flujo a granel hacia la superficie del calentador y reducen el espesor de la capa límite local entre un 30 y un 50 % en comparación con la carcasa de tubo recto. Los experimentos con termopar en un calentador de PFA ondulado en aceite de 5000 cP a 150 grados revelan que la temperatura de la superficie varía entre ±4 y 6 grados a lo largo, en comparación con ±12 y 18 grados para un calentador recto con la misma superficie total. La uniformidad de temperatura mejorada mejora directamente la vida útil del PFA al reducir la temperatura máxima de la superficie. La temperatura máxima de la superficie se reduce en aproximadamente 10 grados para una disminución del 40 al 50 % en la tasa de descomposición del PFA (siguiendo la cinética de Arrhenius).

La ondulación impone una limitación práctica: el radio de curvatura mínimo del tubo debe ser más de 8 a 10 veces el diámetro del tubo, para evitar una concentración excesiva de tensiones en el PFA. Para tubos de PFA con un diámetro de 12 mm es posible una forma ondulada con un radio de curvatura de 60 mm. Un radio más estrecho (30 mm) da como resultado un adelgazamiento localizado de la pared de PFA en la curva exterior, lo que disminuye la resistencia mecánica entre un 20% y un 30% y aumenta el peligro de permeación. Los fabricantes de calentadores de PFA ondulados o helicoidales deben utilizar mandril doblado con calor controlado para evitar que la pared colapse. Las fallas en el campo de los calentadores de PFA doblados comúnmente se originan en curvaturas ilimitadas con un radio menor que 6 veces el diámetro del tubo.

Guía de selección de formas para aplicaciones
Viscosidad Temperatura de funcionamiento y tipo de aceite Condición de flujo Forma preferida del tubo Mejora prevista en la uniformidad de la temperatura Limitación principal
Petróleo ligero (100–500 cP), 80–120 grados Solo convección natural Helicoidal (diámetro del serpentín 8–10 veces el diámetro exterior del tubo) Reduce el ΔT del tanque de 25 grados a 10-12 grados El flujo secundario erosiona el PFA por encima de 200 grados
Convección natural 120–150 grados Aceite medio (500–2000 cP) Ondulado (amplitud 4–6× diámetro exterior del tubo) disminuye los puntos calientes de la superficie 8-12 grados; El espaciado de las olas es crucial; demasiado apretado disminuye el beneficio
Aceite medio (500-2000 cp) Flujo forzado bajo (Re 100–500) Helicoidal con paso de bobina más amplio Incrementa el coeficiente de transferencia de calor entre un 30 y un 50 por ciento Disminución de presión 2-3 veces la tubería recta
Petróleo pesado (2000–8000 cP), 150–180 grados Convección natural Tubo recto con aletas o superficie extendida La ventaja helicoidal/ondulada es menor (Dean<5)Change of shape not justified
Petróleo pesado (10,000+ cP)Tubo recto; Se deben considerar numerosos calentadores cortos. No hay mejoras significativas debido al moldeado. La viscosidad amortigua completamente los flujos secundarios.
Cualquier viscosidad, tanque con mezclador mecánico Alta turbulencia inducida Tubo recto (agitación dominante) La conformación cuesta dinero y no da valor La temperatura uniforme ya se da agitación,
Tanque con sección transversal- pequeña (espacio limitado)Convección natural Helicoidal (perfil vertical pequeño)La mejora de la forma es más importante que el ahorro de espacioEvaluación de la mejora de la uniformidad de varios calentadores rectos
Conclusión: la forma sólo importa en el régimen de viscosidad intermedia
A waved or helical The PFA tube design increases the heat dispersion only in a certain viscosity window of 500–8,000 cP at working temperature in low-flow, high-viscosity oil baths. Below 500 cP natural convection is strong enough that a straight tube already gives a good homogeneity. At $>8000 \\text{cP}$ la alta viscosidad del fluido inhibe los flujos secundarios y los tubos curvos no son mejores que los tubos rectos. Los tubos helicoidales minimizan los gradientes de temperatura del tanque entre un 40 y un 60 por ciento y los tubos ondulados reducen los puntos calientes de la superficie entre un 30 y un 50 por ciento en el rango de 1000 a 5000 cP para un mejor rendimiento. La uniformidad mejorada aumenta directamente la vida útil del calentador de PFA al reducir las temperaturas máximas de la superficie. Para los ingenieros que estén considerando la especificación de calentadores para baños de aceite de viscosidad media, se recomienda que soliciten un modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) del tubo moldeado en la geometría específica de su tanque antes de comprometerse con la producción. Los beneficios dependen en gran medida de la relación de aspecto del tanque y de la ubicación del calentador en relación con las paredes. Por encima de 8000 cP, observe varios calentadores rectos y recirculación forzada en lugar de una forma compleja, ya que el gasto de un tubo de PFA helicoidal, que generalmente es entre un 30 y un 50 % más que uno recto, no se recupera en una mayor uniformidad.