¿En qué se diferencian los intercambiadores de calor de PTFE estilo bayoneta de los diseños de placas tubulares fijas convencionales?

La mayoría de los intercambiadores de carcasa y tubos tienen tubos conectados en ambos extremos. Un intercambiador de bayoneta le da la vuelta: los tubos están fijados solo en un extremo, el otro extremo puede deslizarse libremente dentro de una funda exterior sellada. Este diseño simple supera dos preocupaciones-de larga data: el estrés por calor y el acceso para mantenimiento. La disposición de bayoneta es una alternativa tentadora para aplicaciones exigentes de acabado de superficies y procesos químicos que involucran intercambiadores de calor de PTFE donde el alto coeficiente de expansión térmica (CTE) del material hace que las soluciones de placas de tubos fijas sean problemáticas.

La construcción de bayoneta (explicada)
El nombre de un intercambiador de calor de PTFE estilo bayoneta proviene de la apariencia de una bombilla o acoplamiento de tubería estilo bayoneta-, en el que una parte se inserta en otra y se fija en un solo punto. El tubo de bayoneta se compone de dos tubos concéntricos, el tubo interior y el tubo exterior, sellados en el otro extremo en la terminología de intercambiadores de calor. El conjunto se coloca dentro de una carcasa (o directamente en un tanque) y solo se fija en el extremo de entrada/salida-generalmente en una placa tubular o brida. El otro extremo de la varilla puede expandirse y contraerse térmicamente.

Con una configuración de bayoneta, el recorrido del fluido suele estructurarse como:

El fluido de servicio (vapor, agua caliente o refrigerante) se suministra a través del tubo interior y fluye hasta el extremo sellado.

El fluido gira en el extremo sellado y regresa a la zona anular entre los tubos interior y exterior.

El calor se entrega al fluido de proceso en el lado de la carcasa (o del tanque) a través de la pared exterior del tubo.

Luego, el fluido sale a través del espacio anular, por el mismo extremo por el que entró.

El canal de flujo de "entrada{0}}y-salida" indica que los conectores de entrada y salida están en el mismo extremo del intercambiador. El extremo libre del tubo de bayoneta está libre excepto en el sello y puede moverse axialmente.

Principales diferencias con los diseños tradicionales de placas tubulares fijas
En un intercambiador de calor de PTFE de placa de tubos fija tradicional, los tubos están fijos en ambos extremos, con una placa de tubos en el extremo de entrada y la otra en el extremo de salida. El haz de tubos es una parte integral de la carcasa y las boquillas laterales-de la carcasa están soldadas a la carcasa. El comportamiento mecánico y la facilidad de mantenimiento son bastante diferentes.

Alojamiento de tensión térmica
Además, la expansión del PTFE es de 10 a 20 veces mayor que la del acero (120 a 150 × 10−6/grado frente a 11 × 10−6/grado). En un diseño de placa tubular fija, un tubo de PTFE de 2 m de longitud calentado de 20 grados a 100 grados se expande entre 12 y 15 mm. Ambos extremos están fijos, por lo que esta expansión produce fuerzas de compresión que pueden pandear el tubo de PTFE o dañar las juntas de la placa tubular. Para evitar esto, un intercambiador de PTFE de placa de tubos fija deberá:

Cabeza flotante (que permite que una placa tubular se mueva), o

Una junta de dilatación en la carcasa; alternativamente,

Longitudes de tubo muy cortas (lo que limita la capacidad del intercambiador)

Cada una de estas opciones añade gastos, complejidad y posibles sitios de fuga.

Por otro lado, un intercambiador de calor de PTFE estilo bayoneta es intrínsecamente tolerante a la expansión térmica. El extremo libre del tubo de bayoneta se desliza axialmente en la carcasa o funda exterior a medida que el PTFE se expande y contrae. Se elimina la necesidad de una junta de expansión, un cabezal flotante o una combinación de materiales única. La forma de bayoneta es especialmente atractiva para aplicaciones que implican grandes cambios de temperatura o ciclos térmicos frecuentes.

Acceso de mantenimiento y removibilidad de paquetes
El diseño de bayoneta tiene una ventaja mecánica importante, ya que todo el haz de tubos se puede retirar del intercambiador sin alterar las tuberías del lado de la carcasa-. El haz se coloca dentro de la carcasa por un extremo y se mantiene en su lugar mediante una sola brida o placa tubular. Para retirar el paquete para limpiarlo, inspeccionarlo o reemplazarlo:

El tubo de entrada/salida del lado del tubo está desconectado.

Retire los pernos de la brida del paquete.

El haz se extrae de la cáscara en dirección axial.

La carcasa está en su posición y todas las tuberías-laterales de la carcasa (incluidas boquillas, juntas y conectores) están intactas.

En un diseño de placa tubular fija, la extracción del haz de tubos es mucho más complicada. Es necesario abrir los dos extremos de la carcasa y puede ser necesario desconectar las boquillas laterales de la carcasa o retirar todo el intercambiador de la línea. Este podría ser un gran proyecto para grandes intercambiadores en lugares de proceso concurridos.

Para servicios en los que es necesaria una limpieza periódica (por ejemplo, baños de acabado de superficies propensos a incrustaciones-), la facilidad de extracción del haz en un intercambiador de bayoneta es una ventaja decisiva. Sólo se necesitan unas horas para sacar, limpiar y volver a colocar un fardo de bayonetas; un paquete de placas tubulares fijas puede significar un día completo o más de tiempo de inactividad.

Problemas térmicos con el rendimiento
El diseño de bayoneta tiene una contrapartida en el rendimiento térmico-. La ruta de flujo anular (fluido que fluye en el tubo interior y regresa a través del anillo) produce un efecto de doble-tubería. Hay dos razones por las que el coeficiente general de transferencia de calor es algo menor que el de un diseño de placa tubular fija de contraflujo comparable:

Diferencia de temperatura efectiva reducida - El patrón de flujo no es contraflujo puro, sino una mezcla de contraflujo y flujo paralelo, lo que reduce la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD).

Menor velocidad en el lado del anillo - Para el mismo caudal general, el espacio anular puede tener una velocidad menor que un solo tubo y esto afecta el coeficiente de la película.

Sin embargo, esta reducción suele ser pequeña (10-20%) y a menudo se contrarresta con la posibilidad de utilizar tubos más largos (ya que la expansión térmica no es un factor limitante) y operar a mayores velocidades en el lado de la carcasa. En muchas aplicaciones de acabado de superficies, las ventajas de facilidad de servicio superan con creces la pequeña desventaja de eficiencia.

Materiales y construcción
Los intercambiadores de bayoneta son populares para la construcción de grafito y PTFE, ya que son frágiles o se arrastran bajo tensión y estos materiales tienen una expansión térmica sustancial. El diseño de bayoneta trabaja con las cualidades del material, no en contra de ellas.

En los intercambiadores de bayoneta de PTFE, los tubos interior y exterior suelen estar fabricados de PTFE o PFA (perfluoroalcoxi). El extremo sellado se fabrica soldando o fusionando térmicamente los dos tubos. El extremo libre está abierto y el tubo interior pasa a través de una placa tubular o férula. El tubo exterior está sellado contra la placa de tubos mediante una junta o junta tórica de PTFE que permite el deslizamiento axial y evita fugas.

Cabe señalar que se debe sujetar el extremo libre del tubo de bayoneta para evitar vibraciones. En tubos de bayoneta largos (por ejemplo, . 3-5 m) se utilizan anillos de soporte intermedios o deflectores dentro de la carcasa para guiar el tubo exterior sin inhibir el movimiento axial. Sin este soporte, la vibración inducida por el flujo-puede producir desgaste por fricción y fallas prematuras.

Tabla de comparación: Característica del intercambiador de PTFE de bayoneta versus placa de tubos fija Intercambiador de PTFE estilo bayoneta Placa de tubos fija Fijación del tubo del intercambiador de PTFE Un extremo fijo, el otro extremo libre para moverse Ambos extremos unidos a las placas de tubos
Alojamiento de expansión térmica inherente: correderas de extremo libre; no se necesita junta de expansión Requiere cabezal flotante, junta de expansión o tubos extremadamente cortos
Capacidad de extracción del paquete Fácil extracción del paquete desde un extremo sin alterar la tubería del armazón. Es difícil desarmar ambos extremos. A menudo implica retirar el intercambiador de la línea.
Las boquillas en la carcasa pueden permanecer unidas durante la extracción del paquete. El intercambiador debe desmontarse o moverse.
Conexiones laterales del tubo Entrada y salida en el mismo extremo Entrada y salida en extremos opuestos (generalmente)
Ruta de flujo Entrada y salida a través de tubos concéntricos (efecto de doble-tubo)Directo (una pasada) o múltiples-pasos con tapa de retorno
Eficiencia térmica Ligeramente reducida (factor de corrección LMTD 0,85–0,95) Mayor (puede obtener un contraflujo real)
Promedio máx. Longitud del tubo Manipulación y vibración limitadas por tensión térmica Limitada por la expansión térmica (generalmente 1,5 a 2,5 m para PTFE sin junta de expansión)
Tolerancia a la suciedad Buena, el paquete es desmontable para su limpieza Regular: la limpieza requiere más tiempo fuera de funcionamiento
Precio para unidades pequeñas. Moderado - placa tubular única, sin junta de expansión Inferior - Montaje más fácil para tubos cortos
Costo de unidades grandes/largas Menor: no se necesitan costosas juntas de expansión Mayor: el cabezal flotante o la junta de expansión aumentan el costo
Usos prácticos de los intercambiadores de calor de PTFE de bayoneta
En el procesamiento químico y el acabado de superficies, se prefiere el diseño de bayoneta para varios casos especializados:

Ciclos térmicos severos - Procedimientos por lotes con varios ciclos de calentamiento y enfriamiento del intercambiador todos los días. Los tubos de bayoneta de deslizamiento libre-permiten este ciclismo sin acumulación de tensión.

Servicios de incrustaciones - Baños que dejan incrustaciones, lodos o recubrimientos orgánicos en la superficie de transferencia de calor. Es importante poder sacar el paquete para realizar una limpieza mecánica o química de forma periódica.

Ambientes ácidos agresivos que necesitan PTFE - El PTFE es químicamente inerte y está especificado para ácidos agresivos (p. ej., clorhídrico, sulfúrico y fluorhídrico). El diseño de bayoneta reduce la cantidad de sellos y posibles puntos de fuga en el lado del tubo.

Espacio de acceso limitado - Cuando el intercambiador debe construirse en un foso, contra una pared o en un lugar donde no se puede acceder a ambos extremos. Un intercambiador de bayoneta recibe servicio en un solo extremo.

Instalaciones de modernización - Reemplazo de un intercambiador de placa de tubos fijo existente con problemas de fatiga térmica La causa raíz de esas fallas se elimina mediante el diseño de bayoneta.

Por el contrario, los sistemas de placas tubulares fijas todavía compiten por:

Intercambiadores pequeños y cortos (longitud de tubo < 1,5 m) cuando la expansión térmica no es un problema.

Aplicaciones sin ciclos térmicos. Fluidos muy puros.

Cuando es necesario un contraflujo puro para maximizar el LMTD (por ejemplo, recuperación de calor con un enfoque de temperatura cercano).

Proyectos con restricciones presupuestarias donde el costo inicial más bajo es el principal impulsor.

Consideraciones de instalación y operación.
Hay una serie de aspectos prácticos que se deben tener en cuenta al especificar un intercambiador de calor de PTFE estilo bayoneta.

Soporte del extremo libre El extremo libre del tubo de bayoneta debe estar apoyado, pero no firmemente fijado. El contacto entre metal-y-PTFE se evita mediante manguitos de desgaste de PTFE o anillos de baja-fricción.

Diseño del sello - El sello deslizante para la entrada del tubo exterior en la placa tubular deberá permitir el movimiento axial sin fugas. Son comunes los sellos de labio de PTFE o las juntas tóricas con energizadores de resorte.

Distribución del flujo - Asegúrese de que el espacio anular sea lo suficientemente grande para evitar una disminución excesiva de la presión. El espacio es generalmente de 2 a 5 mm, dependiendo del diámetro del tubo y la velocidad del flujo.

Vibración del tubo - Los deflectores o placas de soporte deben ubicarse a intervalos de 0,5 a 1,0 metros para evitar la vibración inducida por el vórtice-. Los soportes deberán permitir el deslizamiento axial.

Tenga en cuenta también que se pueden instalar numerosos intercambiadores de bayoneta en una sola carcasa. El diseño de múltiples-bayonetas utiliza una gran cantidad de tubos de bayoneta en tándem, todos sujetos a la misma placa de tubos. Esta disposición proporciona una gran área para la transferencia de calor y acceso para mantenimiento desde un solo extremo.

Conclusión