¿Cómo funcionan los turbuladores de bolas (lechos empacados) en tubos de PTFE para servicios con alto contenido de incrustaciones?

Los turbuladores estándar tienden a obstruirse con lodos u otros líquidos muy contaminantes. El tubo está lleno de un lecho de pequeñas esferas móviles que ofrece un modo de autolimpieza, con mejora de la transferencia de calor y desincrustación mecánica.

Ensuciamiento de los tubos del intercambiador de calor: el problema
Las superficies de transferencia de calor son propensas a incrustarse en muchas aplicaciones químicas, farmacéuticas y de bioprocesamiento. La incrustación es la deposición de sustancias como sales, residuos orgánicos, subproductos de polimerización o películas biológicas. La resistencia térmica aumenta significativamente con la formación de una capa de suciedad y con frecuencia es necesario realizar paradas de limpieza. Los métodos de aumento convencionales, como cintas retorcidas o bobinas de alambre, si bien son útiles para fluidos limpios, tienden a agravar el problema porque crean grietas donde los depósitos se adhieren y proliferan.

Para los tubos de PTFE, que han sido seleccionados por su resistencia a la corrosión e inercia química, la incrustación puede ser particularmente difícil porque la superficie hidrófoba y de baja-fricción del PTFE disminuye, pero no previene, la adhesión. Para servicios muy sucios, se necesita una solución de autolimpieza-más agresiva.

Cómo funciona un lecho lleno de bolas
Un turbulador de bolas es un lecho lleno de pequeñas esferas sueltas que llenan el tubo. Normalmente las bolas están formadas por el propio PTFE o con materiales cerámicos como alúmina o circonio, que son totalmente compatibles químicamente con el fluido del proceso. Los diámetros suelen ser de 3 a 8 mm y están diseñados para producir un lecho con un porcentaje de huecos de alrededor del 35 al 40 %. El lecho se empaqueta holgadamente (las bolas no están fusionadas ni pegadas entre sí) y se mantiene en el tubo mediante pantallas o tapas de extremo perforadas.

El fluido de proceso corre a través del tubo y se ve obligado a atravesar los tortuosos espacios intersticiales entre las bolas. Esto da como resultado velocidades locales muy altas y fuertes turbulencias, a tasas de flujo globales bajas. Más importante aún, las bolas en sí no están en reposo. Son empujados y rotados por el movimiento del fluido y ocasionalmente chocan contra la pared interna del tubo de PTFE. Los golpes son de baja energía y eliminan físicamente cualquier depósito que comience a acumularse manteniendo la pared limpia.

En un diseño de tubo de PTFE de lecho empacado con turbulador de bolas, el proceso de transferencia de calor es doble. En primer lugar, la trayectoria caótica del flujo altera la capa de barrera térmica de manera mucho más eficiente que cualquier inserto estático. En segundo lugar, el contacto incesante de la pared con las bolas giratorias proporciona una trayectoria conductora directa adicional y una transferencia de impulso, mejorando así sustancialmente el coeficiente de transferencia de calor.

Características de rendimiento Transferencia de calor frente a pérdida de presión
Los turbuladores de bolas pueden tener coeficientes de transferencia de calor muy altos, frecuentemente de 2 a 4 veces los de un tubo vacío para las mismas circunstancias de flujo. El aumento del número de Nusselt es comparable al de un inserto de cinta fuertemente retorcido, pero con el importante beneficio adicional de la limpieza continua de las paredes.

La caída de presión es una compensación-importante. El lecho empacado provoca una gran resistencia al flujo. Las disminuciones de presión suelen ser de 5 a 15 veces mayores que las de un tubo vacío, dependiendo del diámetro de la bola, la densidad del empaque y la velocidad del flujo. Por lo tanto, la técnica sólo se utiliza para aquellos servicios donde la contaminación es la principal limitación en la disponibilidad de la planta. En tales circunstancias, la energía de bombeo adicional se justifica por la eliminación de paradas de limpieza no programadas, la reducción de la mano de obra de mantenimiento y el rendimiento térmico constante en tiradas largas.

El beneficio de meses de funcionamiento sin limpieza de tubos en aplicaciones especializadas como el calentamiento de lodos de polímeros viscosos o la recuperación de calor de soluciones de cristalización o el procesamiento de caldos biológicos que contienen un alto contenido de desechos celulares compensa el mayor consumo de energía. Los turbuladores de bolas rara vez se utilizan en servicios de fluidos limpios, ya que las actualizaciones más simples con caídas de presión más bajas son más económicas.

Resistencia a la fluidización y retención del lecho.
Las bolas deben permanecer en el tubo y no ser expulsadas por el flujo. A bajas velocidades de flujo, el lecho está ligeramente compactado y no se mueve más que localmente. Pero cuando la velocidad aumenta, la fuerza de arrastre sobre las bolas puede hacer que todo el lecho se expanda y comience a fluidificarse, o actuar como un lecho fluidizado con las bolas suspendidas en el flujo.

La fluidización completa normalmente no es deseable en un tubo intercambiador de calor, ya que entonces las bolas golpearán las paredes con menos frecuencia y pueden salir expulsadas por el extremo del tubo. Por tanto, el lecho está generalmente limitado por una rejilla de retención en la salida. Además, la longitud del tubo es tal que la disminución general de la presión a través del lecho mantiene la velocidad superficial por debajo de la velocidad mínima de fluidización (Umf). Para bolas de PTFE en líquidos-como el agua, la Umf se alcanza a velocidades de 0,5 a 1,0 m/s, dependiendo del tamaño y la densidad de la bola. Para bolas de cerámica (mayor densidad), la Umf aparece a velocidades más altas. Umf está justo debajo de donde los diseñadores suelen trabajar, donde las bolas están en un estado "empaquetadas pero agitadas", girando y frotándose entre sí y contra la pared, pero no suspendidas.

Elección del material para las bolas.
La respuesta obvia, por supuesto, son las bolas de PTFE para los tubos de PTFE, para mantener la misma inercia química y las mismas cualidades{0}}antiadherentes. Tienen una densidad de alrededor de 2,2 g/cm3, muy superior a la del agua o los disolventes orgánicos, por lo que permanecen sedimentados en el tubo. Las bolas de PTFE son tan blandas que no dañarán la pared del tubo incluso después de millones de colisiones.

Las bolas de cerámica (por ejemplo, . 99.5% de alúmina, densidad ~3,9 g/cm3) se emplean cuando se requiere un mayor peso de bola para aumentar la fuerza de impacto para depósitos difíciles, o donde la temperatura del proceso supera el límite de 110 grados del PTFE (las cerámicas funcionan hasta 300 grados). Las cerámicas también son más resistentes, lo que proporciona una acción de limpieza más vigorosa. Pero se debe tener cuidado de que la sustancia cerámica no desgaste la pared del tubo de PTFE durante largos períodos de tiempo. En la práctica, es habitual el uso de bolas de PTFE para la mayoría de los servicios químicos y bolas de cerámica para altas temperaturas o incrustaciones particularmente tenaces.

Diseñar para la práctica
En el diseño de un lecho empaquetado de turbulador de bolas para un tubo de PTFE se optimizan los siguientes parámetros:

Diámetro de la bola: 3-5 mm para tubos pequeños (diámetro interno de 10-20 mm); 6-8 mm para tubos más grandes (25-40 mm DI). Las bolas más pequeñas tienen más puntos de contacto con la pared pero tienen una mayor caída de presión.

Longitud de la cama: normalmente entre 10 y 30 diámetros de tubo. Los lechos más largos significan una mayor transferencia de calor, pero la pérdida de presión aumenta en consecuencia.

Fracción vacía: ~ 0,35-0,40 para esferas homogéneas en empaquetamiento aleatorio. Esto se puede ajustar mezclando bolas de diferentes tamaños, pero rara vez se hace.

Método de retención: Discos perforados de PTFE o PFA en ambos extremos, diámetro del orificio menor que el diámetro de la bola. El disco de entrada evita que las bolas sean expulsadas por aumentos repentinos de flujo.

La acción de fregado es particularmente eficaz para eliminar depósitos de incrustaciones blandas, gelatinosas o cristalinas. Los turbuladores de bolas no son tan efectivos para el coque duro-cocido o las incrustaciones, porque los golpes de baja-energía no pueden desalojar los depósitos muy adheridos. Sin embargo, estos casos requieren una limpieza química periódica.

Comparación de otras técnicas de mejora en servicios de incrustaciones
Método Mejora de la transferencia de calor Aumento de la caída de presión Mitigación de incrustaciones
Tubería vacía, lisa Línea base incorrecta Línea base
Inserto de cinta torcida 100-150 % 200-600 % Ninguno (a menudo empeora)
Tubo corrugado 20–60 % 30–100 % Menor (disminuye la adhesión)
Turbulador de bola (cama compacta) 100-300 % 500-1500 % Excelente (limpieza continua)
Conclusión
Los turbuladores de bolas son una opción específica pero muy eficiente para mejorar la transferencia de calor en servicios con incrustaciones severas. Estos lechos sueltos de pequeñas bolas de PTFE o cerámica en tubos de PTFE se instalan en la corriente del proceso. Al establecer patrones de flujo complejos y turbulentos y al lavar continuamente la pared del tubo mediante impactos suaves, mantienen limpias las superficies de transferencia de calor y permiten largos períodos de funcionamiento ininterrumpido. La gran penalización por caída de presión restringe su uso a situaciones en las que la suciedad normalmente provocaría paradas repetidas. Diferentes métodos de mejora se adaptan a diferentes problemas operativos; sin embargo, para procesos de alto valor y alto nivel de incrustaciones, el lecho empaquetado del turbulador de bolas ofrece una combinación incomparable de rendimiento térmico y confiabilidad de autolimpieza.