¿Cómo elegir el diámetro de tubo correcto para un intercambiador de PTFE que manipula una suspensión fibrosa?

Una fábrica de papel o una industria textil genera un flujo de residuos cargado de fibras largas, rígidas y fibrosas. Pase esto por un intercambiador de calor de PTFE convencional con tubos estrechos de 6 mm y tendrá la receta para un tapón rápido, total y molesto. Los hilos llegarán hasta la entrada del tubo, creando una estera enredada y la transferencia de calor colapsará. El primer paso, y el más importante, en la construcción del intercambiador es elegir un tubo lo suficientemente grande como para que un fajo de fibras del peor-caso pueda viajar recto sin engancharse. Seleccionar el intercambiador de PTFE con el diámetro de tubo correcto para lodos fibrosos es el primer paso y el más crítico para lograr un sistema de enfriamiento o calefacción confiable y mantenible.

La lógica del diseño: sacrificar la eficiencia térmica para garantizar el flujo
Por qué generalmente se recomiendan diámetros pequeños
La principal ventaja térmica de un tubo de PTFE es su enorme relación entre superficie y volumen, que se logra mejor con un diámetro pequeño. Los tubos estrechos (de 4 a 6 mm de diámetro interior, por ejemplo) concentran más área de transferencia de calor en un volumen de carcasa determinado, cuestan menos material e inducen un flujo turbulento a velocidades más bajas. Es el mejor diseño para fluidos limpios. Pero para una suspensión fibrosa esta lógica de calor no se aplica si los tubos se obstruyen. Un tubo bloqueado no transporta calor.

La regla de oro: el diámetro del tubo es mayor que la longitud de la fibra
The engineer must select a tube with an inner diameter that is much greater than the longest fibres in the slurry. A good safe place to start is a 10mm or 12mm inner diameter (ID) tube. For very long fibres (e.g., >10 mm) pueden ser necesarios diámetros de 15 a 20 mm. Obviamente, esto conducirá a un intercambiador más grande para el mismo rendimiento térmico y una velocidad lateral de la carcasa más baja, lo que puede necesitar deflectores adicionales o un caudal total más alto. La desventaja es obvia: un intercambiador un poco más grande y menos eficiente térmicamente que realmente funciona frente a uno pequeño y térmicamente eficiente que siempre está enchufado.

Para mantener el flujo de calor, los grupos de fibras deben poder viajar a lo largo de una gran carretera abierta; un canal estrecho y retorcido simplemente se convertirá en un conducto obstruido e inutilizable. Todavía es necesario que haya un colador o una rejilla aguas arriba para eliminar los residuos más grandes, pero el tubo debe poder pasar las fibras que pasen.

Aspectos técnicos para una operación confiable
Velocidad en el lado del tubo
La velocidad lateral del tubo también debe mantenerse alta (normalmente por encima de 2 m/s) para evitar que las fibras se asienten o se peguen a la pared del tubo. A bajas velocidades, la acumulación de materiales fibrosos en el fondo de los tubos horizontales es causada por la gravedad, con lo que se construye gradualmente un lecho que obstruye el flujo. Las velocidades más altas (hasta 3 a 4 m/s, limitadas por la caída de presión) mantienen las fibras en suspensión y ayudan a eliminar cualquier acumulación transitoria a través del intercambiador. Este requisito de velocidad también afecta la elección del diámetro del tubo, porque los tubos más grandes requieren un mayor caudal para producir la misma velocidad, y esto puede aumentar la potencia requerida para el bombeo.

Disposición del tubo y aspectos laterales de la carcasa-
En el caso de lodos fibrosos en el lado del tubo, la obstrucción es menos necesaria para el diseño del lado de la carcasa, pero el acceso para la limpieza sigue siendo importante. Se elige la disposición del tubo cuadrado en lugar del paso triangular porque proporciona pasajes rectos y sin obstrucciones entre las filas de tubos y permite la limpieza mecánica del lado de la carcasa en caso de suciedad. Pero el diámetro del tubo sigue siendo la principal protección contra la obstrucción. Independientemente de cuán perfecta sea la arquitectura, si el orificio del tubo es demasiado pequeño, ningún deflector lateral de la carcasa o acceso de limpieza evitará la obstrucción del tubo.

Otros aspectos del diseño.
Geometría de entrada del tubo: un radio suave o ensanchado en la entrada evita que las fibras se enganchen en los bordes afilados. Los tubos deberán estar al ras con la cara de la placa de tubos sin labios que sobresalgan.

Tube length: A shorter tube (e.g. 1-2 m) is easier to rod out if a blockage occurs. For very long tubes (>3 m) la limpieza mecánica no es práctica.

Reversibilidad El intercambiador debe estar construido para inversión de flujo (es decir, capaz de tomar flujo en cualquier dirección) de modo que los bloqueos temporales puedan eliminarse mediante retrolavado.

Directrices prácticas para la selección
Longitud máxima de fibraID mínimo recomendado del tuboUso típico < 3 mm 6-8 mm Pulpa de papel fino, acabados textiles
10 mm 3–6 mm Residuos biológicos, aguas blancas normales de la industria papelera-
12-15 mm 6-10 mm Pulpa gruesa, desechos triturados, lechadas de alimentos ocasionales > 10 mm 15-20 mm o a medida Contenido de trapo, fibras sintéticas largas
Los números son para una suspensión diluida (< 5% fibres by weight). Larger diameters and lower velocities are necessary at greater concentrations to avoid bridging.

La inevitable compensación-: tamaño frente a obstrucción
El diámetro del tubo afecta directamente al tamaño y coste del intercambiador. El área de superficie por unidad de longitud es proporcional al diámetro, por lo que para obtener la misma superficie para una determinada carga de calor, un tubo de 10 mm de diámetro interior necesita aproximadamente un 44 % más de tubos (o tubos más largos) que un tubo de 12 mm de diámetro interior. Esto requiere un aumento del diámetro de la carcasa y, por tanto, de los costes de material y de producción. Sin embargo, el gasto del tiempo de inactividad regular para limpiar un intercambiador obstruido es casi siempre mayor que la prima de capital inicial para un tipo más grande y desconectable. El tamaño del agujero es generalmente el aspecto de diseño más crucial en batallas sólidas-a-sólidas.

Conclusión: ganar la guerra contra el taponamiento
The simple bold decision of a large-bore tube wins the war against plugging in a PTFE exchanger handling a fibrous slurry. Tube inlet bridging avoided with inner diameter of 10 mm or more, sufficient tube-side velocity (>2 m/s) y deformación aguas arriba. Esta alternativa es una solución de transferencia de calor confiable, fácil de mantener y de larga duración, pero ofrece cierta eficiencia en la transferencia de calor y aumenta el tamaño del intercambiador. En el caso de los sólidos, el tamaño del agujero suele ser el elemento de diseño más importante.