¿Cómo afecta la relación de paso de un inserto de cinta retorcida a la transferencia de calor en tubos de PTFE?

Una cinta retorcida colocada dentro de un tubo de PTFE genera un flujo giratorio que aumenta la transmisión de calor. El grado de este remolino y la compensación de rendimiento resultante están directamente controlados por la relación de paso del giro, representada como la tensión del giro.

¿Qué es la relación de paso en inserciones de cinta retorcida?
La relación de paso es la relación entre la longitud necesaria para realizar un giro completo de 360 ​​grados (la longitud del paso) y el ancho de la cinta. Por ejemplo, una cinta que da una vuelta completa en una distancia igual a su propio ancho tiene una relación de paso de 1. Si la cinta se enrolla completamente a lo largo de cinco veces su ancho, la relación de paso es 5. Relación de paso baja=torsión muy apretada y violenta. Relación de tono alto=torsión más suelta y suave.

En realidad, los insertos de cinta retorcida para tubos de PTFE están fabricados con PTFE o PFA (alcano perfluoroalcoxi) para garantizar una compatibilidad química total con fluidos de proceso altamente corrosivos. Esto garantiza que no se produzcan contaminaciones metálicas ni problemas de corrosión galvánica, incluso con ácidos potentes, disolventes o medios ultrapuros.

Efecto de la relación de paso sobre la turbulencia y la transferencia de calor
A medida que el fluido pasa a través de un tubo que contiene una cinta retorcida, la cinta empuja la corriente para que siga un patrón helicoidal. Este remolino genera fuerzas centrífugas que impulsan el fluido más pesado hacia la pared del tubo, adelgazando así efectivamente la capa límite térmica. Esto corresponde a un coeficiente de transferencia de calor por convección mayor o a un número de Nusselt mayor.

La proporción de tono es directamente responsable de la fuerza del remolino. El componente de velocidad tangencial más fuerte es causado por un giro más fuerte (relación de paso más baja, por ejemplo, . 2). De modo que la mejora en la transferencia de calor, normalmente indicada como la relación entre el número de Nusselt con el inserto y el de un tubo simple, puede ser de hasta el 150% o más. Sin embargo, este giro rápido también conduce a una fricción del fluido sustancialmente mayor, lo que conduce a un enorme aumento de la caída de presión, a menudo en el rango del 200-600% en comparación con un tubo vacío.

Por otro lado, un giro más flojo (proporción de tono más alta, por ejemplo, . 5 o 6) producirá un remolino más suave. La mejora de la transferencia de calor es relativamente modesta,-normalmente un 50-80 % por encima del valor del tubo simple, pero la penalización por caída de presión es proporcionalmente menor, a menudo solo entre un 100 y un 200 % mayor.

La relación de paso de la cinta torcida y el rendimiento de la transferencia de calor del PTFE no están relacionados-linealmente. La reducción de la relación de paso de 6 a 2 da como resultado un aumento desproporcionadamente significativo tanto de la transferencia de calor como de la fricción. Por lo tanto, la relación de paso óptima no es una cifra fija, sino que depende totalmente de la potencia de bombeo permitida y del rendimiento térmico deseado.

Recomendaciones prácticas de diseño para tubos de PTFE
En el caso de los tubos de PTFE, a menudo se elige una relación de paso de 3 a 5 si la caída de presión no es un factor limitante. Este rango representa un buen compromiso: un aumento en el coeficiente de transferencia de calor de aproximadamente un 80-120 % con un aumento en la caída de presión de un 200-350 %. En general, estos valores son tolerables en la mayoría de las aplicaciones de procesos químicos, particularmente cuando la longitud del tubo es moderada (por ejemplo, intercambiadores de calor de carcasa y tubos o de serpentín de inmersión).

Cabe señalar que los propios tubos de PTFE tienen una conductividad térmica relativamente baja (ca. 0.25 W/mK). Generalmente, la principal resistencia al calor se encuentra en la pared del tubo o en la película interna del fluido. El uso de un inserto de cinta retorcida con una relación de paso adecuada puede reducir significativamente la resistencia de la película interna y, por lo tanto, mover la resistencia de control al otro lado del intercambiador de calor. Esto hace que el diseño completo sea más equilibrado y rentable.

Se puede seleccionar una relación de paso alta de 6 a 8 para aplicaciones donde la caída de presión está muy restringida, como sistemas alimentados por gravedad-o calentadores de gas de baja-presión. Esto proporciona suficiente remolino para restringir el flujo laminar y aumentar la mezcla radial, pero la penalización por fricción aún es tolerable.

Alternativamente, se puede seleccionar una relación de paso de 2 a 3 si se requiere una máxima transferencia de calor independientemente de la pérdida de presión (por ejemplo, en calentamiento de alta viscosidad o cuando los costos de bombeo son insignificantes). En tales casos, el coeficiente de transferencia de calor se puede aumentar hasta en un 150%. El diseñador debe asegurarse de que la bomba o el soplador puedan proporcionar la altura de presión más alta.

Otras consideraciones de ingeniería
La longitud de la entrada térmica se reduce aún más mediante inserciones de cinta retorcida en tubos de PTFE, lo que produce un comportamiento turbulento-completamente desarrollado incluso con números de Reynolds bajos (Re < 2000). Esto es particularmente útil en flujos lentos o en tuberías de diámetro pequeño donde una turbulencia genuina requeriría velocidades de flujo poco prácticas.

Hay que tener en cuenta las tolerancias de fabricación. La sustancia PTFE es más flexible, lo que dificulta la fabricación de una cinta muy retorcida (relación de paso baja). Para relaciones de paso muy bajas (por debajo de aproximadamente 2,5), generalmente se prefiere el PFA debido a su mayor rigidez y mejor retención de la forma de torsión a temperaturas crecientes.

La proporción de paso también afecta la limpieza y el mantenimiento. Las cintas con proporciones de paso muy bajas (giros fuertes) tienden a acumular partículas más fácilmente y son más difíciles de eliminar para su limpieza. En su mayor parte, una relación de paso de 4 o mayor proporciona una ruta axial suficientemente abierta para que pasen los desechos o para que se inserte un raspador de limpieza.

Resumen
La relación de paso de un inserto de cinta retorcida es la principal palanca de diseño para controlar la transmisión de calor frente a la compensación de caída de presión-en los tubos de PTFE. Se obtienen una fuerte turbulencia y una gran mejora-en la transferencia de calor con una relación de paso más baja (giro más apretado) al precio de un gran aumento en las pérdidas por fricción. Las proporciones de tono más altas (giros más sueltos) dan como resultado un impulso más suave y energéticamente-más eficiente. Una relación de paso entre 3 y 5 proporciona un equilibrio excelente para la mayoría de las aplicaciones de manipulación de fluidos corrosivos. La optimización de la forma del inserto, incluida la relación de paso, sigue siendo un factor crucial para mejorar el rendimiento del intercambiador de calor sin comprometer la compatibilidad química o la integridad del material.