¿Cómo seleccionar el número correcto de deflectores para un intercambiador de PTFE con flujo lateral de carcasa bajo-?

Se puede acceder a una corriente de producto corrosivo caliente para enfriarla sólo con un modesto chorrito de agua refrigerante. En un intercambiador de carcasa y tubos típico, este bajo flujo del lado de la carcasa flotaría perezosamente a través de deflectores muy espaciados, provocando zonas estancadas y una mala transferencia de calor. Por lo tanto, el diseño del deflector debe ajustarse con precisión para obtener cada unidad de servicio térmico disponible a partir de este flujo limitado.

El problema de ingeniería en el diseño del intercambiador de PTFE de bajo flujo con número de deflectores es particularmente un equilibrio preciso entre la caída de presión y la transmisión de calor. Demasiados deflectores podrían obstruir el flujo y sobrecargar una pequeña bomba de circulación. Muy pocos pueden hacer que el intercambiador sea hidráulicamente silencioso pero térmicamente ineficaz.

Por qué los deflectores son importantes en los intercambiadores de calor de PTFE
Los deflectores cumplen numerosas funciones importantes dentro de un intercambiador de carcasa y tubos:

Dirección del flujo sobre el haz de tubos en el lado de la carcasa

Turbulencia y transferencia de calor mejoradas

Soporte para tubos flexibles de PTFE

Reducción de regiones de flujo muerto

Evitar la vibración del tubo

En los intercambiadores de PTFE el diseño de los deflectores es mucho más crucial, ya que los tubos de PTFE son mecánicamente flexibles a diferencia de los tubos metálicos. El espaciado adecuado de los soportes ayuda a mantener la geometría del haz y controlar el comportamiento del flujo del fluido.

En condiciones de bajo flujo, la eficiencia del intercambiador es bastante sensible al espacio y la disposición de los deflectores.

Compromiso tradicional del deflector segmentario
La mayoría de los intercambiadores de carcasa y tubos tradicionales utilizan deflectores segmentarios. Estas placas cortadas, parcialmente, hacen que el fluido del lado de la carcasa atraviese el haz de tubos en forma de zigzag, con frecuencia.

Este diseño da como resultado una alta velocidad de flujo cruzado-y mejora la turbulencia.

Deflectores muy espaciados
Cuando se colocan varios deflectores a poca distancia:

Aumento de la velocidad lateral del proyectil

El coeficiente de transferencia de calor aumenta.

Mejoras en el rendimiento térmico

Podría mejorar la resistencia a las incrustaciones

El fluido se acelera y gira repetidamente a través del haz provocando una mezcla más vigorosa alrededor de los tubos.

Pero esto tiene un precio.

La caída de presión aumenta rápidamente
Para el lado de la carcasa, el uso de deflectores estrechamente espaciados da como resultado una mayor resistencia hidráulica a caudales generales bajos.

El resultado puede contener:

Caída de presión alta.

Menos circulación general

Sobrecarga de la bomba

hambre de flujo

Operaciones inestables

En circunstancias graves, es posible que el cabezal de la bomba suministrado no sea suficiente para mantener una circulación significativa en el lado de la carcasa-.

El problema de la falta de deflectores
Con menos deflectores hay menos resistencia y el fluido fluye más fácilmente a través de la carcasa.

Este método reduce:

Pérdida de presión

Requisitos para bombear

Restricción de flujo

Lamentablemente, el rendimiento térmico suele degradarse al mismo tiempo.

Flujo laminar con baja velocidad
Si los deflectores están muy extendidos, la velocidad en el lado del casco puede ser muy baja. En tal caso, el flujo puede tender a ser predominantemente laminar y no turbulento en el flujo cruzado.

Ahora lo que pasa es:

Bajos coeficientes de transferencia de calor.

Estratificación térmica

Zonas muertas

Asentamiento de sólidos

Acumulación-de incrustaciones

En cambio, el fluido puede serpentear lentamente a través de regiones abiertas con poca mezcla, en lugar de ser barrido eficientemente por todo el haz.

Estas zonas estacionarias pueden ser particularmente problemáticas en servicios que transportan corrosivos o sólidos-.

Por qué los intercambiadores de PTFE de bajo-flujo deben manejarse de forma diferente
Debido a que los tubos de PTFE son flexibles, las disposiciones de los deflectores se pueden personalizar más que con los haces de tubos metálicos duros.

Los haces de PTFE se pueden montar mediante:

Geometrías de espaciador personalizado

Espaciado de deflectores ajustable

Acuerdos de asistencia no-estándar

Espiral de trayectorias de flujo

Esta versatilidad hace que los diferentes conceptos de deflectores sean muy interesantes en aplicaciones de bajo flujo.

Deflectores helicoidales: una solución contemporánea
El diseño de deflector helicoidal es una nueva alternativa a los típicos deflectores segmentarios.

En lugar de forzar el fluido a través de patrones de flujo cruzado-en zigzag, los deflectores helicoidales guían la corriente del lado-de la carcasa a lo largo de una trayectoria espiral continua a través del intercambiador.

Los deflectores helicoidales toman una corriente débil y serpenteante y la convierten en una espiral agradable y concentrada.

Cómo el flujo helicoidal mejora el rendimiento
Este movimiento en espiral tiene numerosas ventajas importantes:

Velocidad más constante en el lado del proyectil

Áreas menos estáticas

Flujo hidráulico más fácilmente

Menor pérdida de presión

Mejor distribución térmica

El fluido fluye continuamente a lo largo del haz en forma de tapón-flujo-, sin aceleración ni desaceleración.

Esto da como resultado una utilización más efectiva de la energía de flujo limitado.

Ángulo de hélice y por qué es importante
El rendimiento de un intercambiador de deflectores helicoidales es bastante sensible al ángulo de la hélice.

Los ángulos de hélice típicos son los siguientes:

15 grados

25 grados

35 grados

Hasta 45 grados

Ángulos de hélice reducidos
Una hélice de paso largo-con un ángulo menor produce:

Guía de flujo más suave

Caída de presión reducida

Vías de flujo más largas

Cruz de velocidad de flujo moderada

Esta disposición se prefiere generalmente para intercambiadores de PTFE de bajo flujo.

Ángulos de hélice más grandes
Ángulos helicoidales más altos (más pronunciados):

Intensidad del flujo cruzado

Turbulencias locales.

Coeficiente de transferencia de calor

Pero la disminución de la presión también aumenta proporcionalmente.

Por lo tanto, el ángulo óptimo es un compromiso entre la carga de trabajo térmica y la capacidad de bombeo disponible.

Comparación de diseños de deflectores segmentarios y helicoidales
Las variaciones en el funcionamiento son más visibles cuando se comparan directamente los dos enfoques.

Característica Deflectores segmentarios Deflectores helicoidales
Patrón de flujo Cruz-flujo en zigzagEspiral, continuo
Caída de presión Mayor Menor
Zonas muertas posibles reducidas
Rendimiento de flujo bajo Mejor a menudo Débil
Tendencia a la contaminación Moderada a alta Baja
Distribución de velocidades Desigual Más igual
La disposición helicoidal es un mejor compromiso entre el rendimiento hidráulico y térmico en términos de estabilidad para muchos servicios de bajo flujo.

Consideraciones de diseño: prácticas
Hay muchas consideraciones para determinar la configuración del intercambiador de PTFE de bajo flujo de muchos deflectores.

Cabezal de bomba a la venta
La mayor resistencia aceptable del deflector está limitada por las capacidades de presión del lado de la carcasa del sistema de circulación.

Potencial de contaminación
Los diseños que minimizan las zonas estacionarias son deseables para sólidos-fluidos que contienen sólidos o cristalización.

Especificaciones de servicio térmico
Las tasas de transferencia de calor más altas necesarias pueden requerir una guía de flujo más estricta.

Soporte de tubo de PTFE
Sin embargo, los tubos de PTFE son flexibles y la separación del soporte debe ser lo suficientemente buena para evitar una deflexión o vibración excesiva.

Acceso para mantenimiento
Configuraciones de deflectores menos complicadas y más abiertas podrían proporcionar un mejor acceso para la limpieza en aplicaciones propensas a incrustaciones-.

Cuando los diseños estándar no funcionan
Las disposiciones de carcasa y tubos estándar generalmente están diseñadas para caudales del lado de la carcasa-de moderados a altos. Esas geometrías similares pueden funcionar mal en circunstancias de circulación débil.

Los síntomas típicos de falla son:

Capacidad de refrigeración insuficiente

Altas temperaturas de salida

Reducción de sobrepresión

Depósito Sólido

Inhomogeneidad en la distribución del flujo

La ventaja de una gestión optimizada del flujo interno es sustancialmente mayor en los sistemas de PTFE de bajo-flujo.

Resumen
Para aplicaciones de bajo flujo lateral de carcasa, la selección adecuada de deflectores se convierte en uno de los aspectos más esenciales para determinar el rendimiento del intercambiador de PTFE. Los deflectores segmentarios convencionales representan un compromiso difícil: los deflectores muy espaciados brindan una buena transferencia de calor pero una pérdida de presión severa, mientras que los deflectores muy espaciados minimizan la resistencia pero permiten patrones de flujo débiles y mal mezclados.

Los diseños de deflectores helicoidales son una opción más equilibrada, ya que guían el fluido del lado-de la carcasa a lo largo de una suave trayectoria en espiral que mantiene la velocidad, pero reduce las pérdidas hidráulicas y las zonas de estancamiento. En muchas aplicaciones de bajo-flujo, una disposición helicoidal de paso largo-ofrece un rendimiento general mejorado en comparación con los diseños segmentarios tradicionales.

La flexibilidad del espaciado de soporte y la geometría interna de los haces de tubos de PTFE permite que estos intercambiadores se ajusten para servicios difíciles de bajo flujo donde los diseños tradicionales fallan.

En el diseño de sistemas térmicos, la opción más eficiente no siempre es la que empuja el fluido con más fuerza. A veces, la mejor actuación es empujar suave y constantemente el flujo en la dirección que quiere ir.