¿Cómo se traduce la ventaja de conductividad térmica del grafito en intercambiadores más pequeños y livianos?

El grafito conduce el calor 300 veces más fácilmente que el PTFE. Este atributo material tiene ramificaciones de gran alcance en términos de tamaño, peso y coste de un intercambiador de calor. El grafito es una transmisión de calor eficaz a través del núcleo apretado y el PTFE necesita una gran superficie para contrarrestar su comportamiento de aislamiento. Esto conduce a una reducción considerable del tamaño del equipo y de las demandas estructurales, lo que tiene un impacto directo en el costo total de instalación y la flexibilidad del diseño de la planta.

La brecha de conductividad: PTFE versus grafito
El grafito suele tener una conductividad térmica de 80 a 120 W/m·K, que es similar a la conductividad térmica de algunos metales como el acero al carbono o los aceros de baja-aleación. El PTFE, por otro lado, tiene una conductividad térmica de aproximadamente 0,25 W/m·K, que es aproximadamente la misma que la de los materiales aislantes de plástico. Esto significa que una pared de grafito de un espesor y gradiente de temperatura determinados conduce el calor más de 300 veces mejor que el PTFE.

La resistencia térmica del intercambiador de calor de PTFE generalmente se rige por la baja conductividad del PTFE. El calor tiene que atravesar la pared del tubo, que, aunque delgada (a menudo de 1 a 2 mm), supone un gran obstáculo. Se requiere una gran superficie para obtener la transferencia total de calor necesaria. Esta superficie se consigue mediante varios tubos largos y de pequeño diámetro. Esto da como resultado haces de tubos voluminosos y carcasas enormes.

Pero en un intercambiador de grafito, el flujo de calor no está limitado por el material en sí. Las resistencias dominantes son las capas límite fluidas a ambos lados. Entonces, para las mismas velocidades de fluido y circunstancias de contaminación, un intercambiador de grafito podría tener un coeficiente total de transferencia de calor (valor U-) sustancialmente mayor que una unidad de PTFE.

Cuantificación de la reducción de tamaño
El coeficiente de transferencia de calor total efectivo (valor U-) es una medida de los efectos combinados de la conductividad del material, el espesor de la pared y el recubrimiento del fluido. Para un trabajo líquido-líquido típico con suciedad moderada:

Intercambiador de calor de bloque o carcasa-y-tubo de grafito: los valores de U-a menudo se encuentran en el rango de 600 a 1200 W/m2K.

Intercambiadores de tubos de PTFE: valores U-generalmente entre 200 y 400 W/m2.K.

Una comparación de rango medio-podría ser que un intercambiador de grafito podría tener un valor U-tres veces mayor que una unidad de PTFE en el mismo servicio. El diseño de grafito necesita solo alrededor de un-tercio del área de transferencia de calor debido a la proporcionalidad inversa entre U y el área de transferencia de calor necesaria. Sin embargo, el impacto en la conductividad es aún más obvio en el caso de mayores coeficientes-de película del lado del proceso (por ejemplo, vapores condensados ​​o líquidos de alta-velocidad) donde la resistencia de la pared del tubo-del PTFE se vuelve dominante. En tales casos, la ventaja de área del grafito puede ser de hasta un factor de cinco a diez.

Este desajuste en la conductividad conduce a un resultado drástico. Un ejemplo cualitativo proporciona un orden de magnitud. Para enfriar 100 kW de ácido clorhídrico caliente de 80 grados a 40 grados con agua de refrigeración podría implicar el uso de un intercambiador de carcasa-y-tubos de PTFE del tamaño de un automóvil pequeño (por ejemplo, de 2 a 3 m de largo, 0,6 m de diámetro, con cientos de tubos). El mismo trabajo que realizaría un intercambiador de bloques de grafito podría realizarse con una unidad del tamaño de una maleta grande (por ejemplo, 0,5 × 0,5 × 0,6 m). La diferencia de volumen puede ser 5:1 o mayor.

Peso y consecuencias estructurales.
Cuanto menor sea el tamaño físico menos pesará. Un intercambiador de calor compacto de conductividad térmica de grafito suele ser entre un 50 y un 70 % más ligero que un intercambiador de PTFE que realiza la misma función térmica. El núcleo interno de grafito ocupa menos espacio, lo que significa que se necesita menos material de carcasa (principalmente acero al carbono o acero inoxidable). Los equipos más livianos requieren menos soportes estructurales sustanciales, ahorran costos de envío y facilitan la instalación, especialmente en sitios altos o congestionados.

En aplicaciones de modernización, donde los cimientos o vías de acceso existentes limitan el espacio disponible, la compacidad de los intercambiadores de grafito generalmente determina si se puede instalar una solución resistente a la corrosión. Los intercambiadores de PTFE requieren grandes espacios y espacios considerables para retirar el haz de tubos y es posible que simplemente no encajen en un lugar con tuberías y equipos existentes.

Ejemplos de aplicaciones donde la compacidad es importante
Las industrias farmacéutica y de química fina trabajan en costosas salas blancas o en condiciones verificadas. Cada metro cuadrado de superficie es costoso de construir y gestionar. Los intercambiadores de grafito permiten a los ingenieros de procesos instalar refrigeración o calefacción de alto-rendimiento en patines de proceso estrechos, dejando espacio para otros equipos. El pequeño tamaño también puede minimizar la potencia necesaria de los sistemas de calefacción, ventilación y aire-acondicionado (HVAC) para entornos limpios.

El acceso limitado alrededor de los tanques y sistemas transportadores es común en las operaciones de decapado y acabado de superficies. Los intercambiadores de bloques de grafito se pueden fijar directamente a las paredes del tanque o esconderse debajo de plataformas. Un paquete de PTFE tendría que tener una carcasa independiente-independiente con mucho espacio-para tirar de los tubos.

Se requieren un volumen muerto bajo y una respuesta rápida de la temperatura para la fabricación de semiconductores y productos químicos ultrapuros. El diseño compacto del grafito minimiza el volumen de retención, mejora el control del proceso y disminuye la pérdida de producto durante el cambio de calidad.

Cuándo sacrificar la compacidad por otras consideraciones
Pero hay que pagar un precio por el pequeño diseño de los intercambiadores de grafito. Como se describe en otras páginas, el grafito es frágil y no resiste golpes mecánicos ni vibraciones. El PTFE, aunque de mayor tamaño, proporciona resistencia contra golpes de ariete y desalineación. El PTFE, aunque más grande, puede seguir siendo la opción para aplicaciones donde el espacio no es un problema y la confiabilidad mecánica es importante.

Sin embargo, para cualquier instalación nueva o ampliación que se caracterice por bienes inmuebles costosos o patines de proceso muy compactos, el diseño de intercambiador de calor compacto de grafito de alta conductividad térmica suele ser la alternativa más económica. La unidad más pequeña también reduce el volumen de costosas carcasas de aleación, accesorios de boquilla y aislamiento.

Conclusión:
El gran atractivo del grafito es que puede proporcionar altas tasas de transferencia de calor en un paquete pequeño- algo que el PTFE simplemente no puede hacer en un nivel fundamental. Una conductividad térmica 300 veces mayor que la del PTFE da como resultado coeficientes generales de transferencia de calor de tres a diez veces mayores, y un intercambiador mucho más pequeño y liviano puede realizar una tarea determinada. El grafito es atractivo para aplicaciones como la farmacéutica, la química fina y el acabado de superficies, donde el espacio, la carga estructural y los costos de instalación son cruciales. La selección del material debe incluir no sólo la compatibilidad química sino también el costo total de la instalación considerando consideraciones estructurales y de espacio. La compacidad del grafito no es sólo una mejora cuando una instalación existente está limitada por el tamaño de un gran intercambiador de PTFE, sino que también podría ser el factor que hace posible la transferencia de calor resistente a la corrosión-.