¿Cómo influye el patrón de disposición de los tubos (triangular frente a cuadrado) en el flujo lateral de la carcasa-y en la transferencia de calor en un intercambiador de PTFE?

Cuando el fluido del lado-de la carcasa pasa sobre un haz de tubos de PTFE, el patrón de los tubos, llamado patrón de "paso", influye en si el flujo zigzaguea de manera turbulenta o fluye con menos resistencia. La selección del diseño es una decisión operativa básica-y duradera. Los ingenieros que están desarrollando o especificando un intercambiador de calor de PTFE deben apreciar las ventajas y desventajas entre los patrones de paso triangular y cuadrado para equilibrar el rendimiento de la transferencia de calor con la capacidad de mantenimiento a largo plazo.

Geometría de disposiciones de tubos
Los patrones de disposición de los tubos se describen como la posición de los centros de los tubos en relación con la dirección del flujo en el lado de la carcasa. Los arreglos más populares son el de paso triangular (incluido el triangular girado) y el de paso cuadrado (incluido el cuadrado girado). En todas las circunstancias, el paso del tubo--el espacio de centro a centro entre tubos adyacentes suele ser de 1,25 a 1,5 veces el diámetro exterior del tubo. El espaciado está diseñado para proporcionar una resistencia mecánica adecuada, evitar el contacto de los tubos y permitir que el fluido fluya a través del haz desde el lado de la carcasa.

Paso (escalonado) Triangular
En un paso triangular, cada tubo de la segunda fila está escalonado medio paso desde la primera fila. Esto conduce a una disposición escalonada de modo que las rutas de flujo no estén en línea recta a lo largo del haz. El fluido del lado de la carcasa-se ve obligado a serpentear entre los tubos, cambiando continuamente de dirección.

Características clave:

Más tubos por unidad de sección transversal-de carcasa (mayor densidad de tubos)

Mayor turbulencia en el flujo.

Mayor caída de presión en el lado-de la carcasa

Coeficiente de transferencia de calor mucho mayor.

Paso cuadrado (en línea)
Los tubos tienen un paso cuadrado, están dispuestos en filas y columnas, formando corredores o carriles rectos en la dirección del flujo del lado-. El líquido puede atravesar estos conductos prácticamente sin obstáculos.

Características clave:

Menor densidad de tubos (menos tubos para el mismo diámetro de carcasa)

Turbulencia con flujo reducido.

Caída de presión del lado inferior de la carcasa

Coeficiente de transferencia de calor más bajo (para un caudal másico similar)

Carriles para limpieza mecánica con acceso directo

Efecto de la cáscara-Flujo lateral y transferencia de calor
El escalonamiento de tono triangular destruye las capas límite laminares e induce una mezcla continua de estelas. El fluido no viaja en corrientes suaves sino que choca, se separa y se vuelve a unir a los tubos. Este movimiento caótico aumenta la transmisión de calor por convección en las superficies de los tubos. Para un caudal determinado en el lado de la carcasa, el coeficiente de transferencia de calor de un haz de brea-triangular puede ser entre un 20% y un 30% mayor que el de un haz de brea-cuadrado igual.

Lo negativo es la caída de presión. La turbulencia que aumenta la transmisión de calor también utiliza energía de bombeo. Sin embargo, en muchas aplicaciones de intercambiadores de PTFE donde los fluidos del lado de la carcasa-normalmente son agua, vapor o medios de enfriamiento limpios, el ligero aumento en la pérdida de presión es aceptable.

El diseño lineal mantiene carriles de flujo limpios en un paso cuadrado. El fluido en el lado de la carcasa también se acelera en los espacios estrechos entre los tubos, pero el flujo es más laminar o transicional con menos mezcla cruzada-. Como resultado, se reduce el coeficiente de transmisión de calor. Para el mismo servicio térmico, un haz de paso cuadrado-puede necesitar un diámetro de carcasa mayor o una longitud de tubo más larga.

Comparación de densidad de tubos
Con un paso triangular, puede tener aproximadamente un 15 % más de tubos con el mismo diámetro de carcasa que con un paso cuadrado. Esto es consecuencia de la eficiencia del embalaje. Para los intercambiadores de PTFE, las paredes de los tubos suelen ser bastante gruesas y tienen una baja conductividad térmica (en comparación con los tubos metálicos), por lo que a menudo es deseable maximizar el número de tubos para compensar la resistencia térmica inherente del PTFE. El diseño triangular aumenta la superficie de transferencia de calor sin aumentar el tamaño de la carcasa.

Acceso a limpieza mecánica, un problema importante a largo plazo
La gran consideración a largo plazo es el acceso para la limpieza. La capacidad de eliminar los depósitos de suciedad del lado de la carcasa de un intercambiador determinará si la unidad puede restaurar su rendimiento anterior después de meses o años de uso.

En el paso triangular, la geometría escalonada no permite líneas de visión directas y sin obstáculos en todo el paquete. Entre los tubos no se pueden introducir instrumentos de limpieza mecánicos, como lanzas giratorias, chorros de agua a alta presión o cepillos de alambre. Para un paquete de brea-triangular, la única forma de limpieza es la limpieza química (ácidos, disolventes o detergentes circulantes). La limpieza química es eficaz para eliminar muchos tipos de incrustaciones (incrustaciones, depósitos orgánicos, lodos ligeros), pero los depósitos duros y persistentes o aquellos que no se disuelven en productos químicos seguros pueden tratarse con menos éxito.

Un paso cuadrado proporciona un acceso claro con pasillos rectos entre las filas de tubos. Se puede pasar una lanza de limpieza mecánica a través del lado de la carcasa, normalmente desde el extremo del canal desmontable, para limpiar con chorro de arena o con un cepillo los depósitos de los tubos. El paso cuadrado es la opción predeterminada cuando se sabe que el fluido del lado-de la carcasa se ensucia mucho-por ejemplo, agua de refrigeración sucia, corrientes de procesos de polimerización o fluidos que contienen partículas suspendidas que se adhieren a las superficies.

Aplicación en intercambiadores de calor-en PTFE
Para servicio corrosivo en el lado de los tubos (fluido dentro de los tubos), lo más habitual es que se especifiquen intercambiadores de calor de PTFE. Los tubos de PTFE resisten daños causados ​​por ácidos fuertes, álcalis y disolventes orgánicos. En muchas plantas, el lado de la carcasa transporta un fluido útil limpio, como agua de refrigeración, vapor o aceite de transferencia de calor. La contaminación es baja ya que los fluidos del lado-de la carcasa generalmente están limpios. Como resultado, el paso triangular prevalece en los intercambiadores de PTFE. Mejora directamente el rendimiento con un mayor coeficiente de transferencia de calor y una mayor densidad del tubo sin penalización por limpieza.

Sin embargo, existe un problema diferente cuando el fluido corrosivo o incrustante debe estar en el lado de la carcasa. Esto sucede en algunas disposiciones de proceso -, por ejemplo, donde el lado de la carcasa debe abrirse para su inspección o donde el lado del tubo está reservado para un fluido limpio para reducir la caída de presión. Si el fluido del lado de la carcasa se contamina, entonces se prefiere un paso cuadrado. La pérdida de rendimiento térmico se compensa con la capacidad de limpiar mecánicamente el exterior de los tubos de PTFE durante las paradas de mantenimiento anuales.

La compensación en pocas palabras
Característica de paso triangularPitch Square
Densidad del tubo Mayor (~15% más tubos)Abajo.
Turbulencia del lado de la conchaAlta (flujo escalonado)Baja a moderada (carriles paralelos)
Coeficiente de transferencia de calor Superior Inferior
Caída de presión del lado de la carcasa Superior Inferior
Acceso de limpieza mecánica. Ninguno (solo limpieza química) Bueno (carriles de acceso directo)
Uso habitual de intercambiadores de calor de PTFE Fluido limpio (agua, vapor, aceite) en el lado de la carcasa Incrustaciones en el fluido del lado - de la carcasa
De hecho, la elección entre paso triangular y cuadrado para un patrón de disposición de tubo intercambiador de PTFE cuadrado triangular rara vez es una cuestión de pura supremacía. Es una compensación entre rendimiento y mantenibilidad. La forma triangular proporciona un intercambiador más compacto y eficaz para tareas limpias en el lado de la carcasa-. El patrón cuadrado compromete un poco el rendimiento térmico para ganar la posibilidad de restaurar el rendimiento utilizando una lanza o un cepillo para un servicio de incrustaciones.

El efecto del diseño en el costo del ciclo de vida de los intercambiadores de PTFE
Además de los problemas térmicos e hidráulicos inmediatos, el patrón de disposición de los tubos influye en el coste total de propiedad. Un intercambiador de paso-triangular puede tener un costo inicial más económico (carcasa más pequeña para la misma área de superficie) y menor energía de funcionamiento (mejor eficiencia de transferencia de calor), pero si el lado de la carcasa se ensucia y la limpieza química no restablece el rendimiento, es posible que sea necesario reemplazar la unidad prematuramente. Un intercambiador de paso cuadrado-, por otro lado, puede tener una carcasa más grande y un costo inicial más alto, pero puede limpiarse mecánicamente repetidamente, prolongando así la vida útil hasta el infinito.