¿Cuáles son las ventajas relativas de los diseños de intercambiadores de calor de PTFE de un solo-paso y de varios-pasos?

En un intercambiador de carcasa-y-tubo de PTFE, el fluido del lado del tubo-puede pasar desde la entrada hasta la salida una vez o puede recircularse a través del paquete varias veces. El número de pasadas determina la velocidad del fluido, la eficiencia de la transferencia de calor y la potencia de bombeo requerida. A menudo, el objetivo es maximizar el coeficiente de transferencia de calor del lado del tubo-, porque el PTFE tiene una conductividad térmica intrínsecamente baja (aproximadamente 0,25 W/m·K). Sin embargo, la selección de un diseño de paso único-o de múltiples-pasos no es trivial:-es una compensación consciente-entre el aumento de la transferencia de calor y la penalización por la caída de presión.

Arreglos de pase de metro explicados
El número de pasos de los tubos es el número de veces que el fluido que pasa a través de los tubos fluye a lo largo del intercambiador. Los pases se producen colocando divisores (particiones de paso) en el canal o bonete en uno o ambos extremos del intercambiador. Estos divisores permiten que el fluido fluya a través de solo algunos de los tubos, antes de invertirse y fluir hacia el otro conjunto de tubos.

Construcción de un solo paso-
En un intercambiador de un solo-paso (1-paso), el fluido del lado del tubo ingresa al canal por un extremo, pasa directamente a través de todos los tubos en paralelo y sale por el extremo opuesto. No hay paredes interiores. Este es el diseño de flujo más simple.

Diseño de múltiples-pasos (2 pases, 4 pases, etc.)
En una disposición de múltiples-pasos, el fluido pasa a través del haz de tubos varias veces. Por ejemplo, con un intercambiador de 2-pasos, el canal de entrada se separa en dos partes. El fluido se introduce en una parte, pasa a través de la mitad de los tubos hasta el otro extremo, cambia de dirección en un capó de retorno, vuelve a pasar a través de los tubos restantes y sale por la segunda parte del canal del lado de entrada. En un intercambiador de 4 pasos esta operación se repite dos veces.

El número de pasadas es siempre par de manera que las boquillas de entrada y salida se encuentran en el mismo extremo del intercambiador, lo que simplifica las conexiones de las tuberías.

Principales diferencias en el comportamiento térmico-hidráulico
La elección de un diseño de intercambiador de calor de PTFE de paso único o de paso múltiple está influenciada por el impacto en la velocidad del fluido, el coeficiente de transferencia de calor, la caída de presión y la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD).

Coeficiente de transferencia de calor y velocidad del fluido
La velocidad del fluido en cada tubo es función del número de tubos en uso para cada paso para un caudal lateral total particular del tubo. En un diseño de paso único, todos los tubos están activos al mismo tiempo. El área de flujo disponible es la suma de las áreas de flujo de todos los tubos. Por lo tanto, la velocidad es bastante pequeña a menos que el caudal total sea grande.

En un diseño de múltiples-pasos, se conduce el mismo flujo total por pasada utilizando solo una fracción de los tubos. En un intercambiador de 2-pasos con dos grupos de tubos idénticos, cada paso contiene la mitad del total de tubos. La velocidad en cada tubo se duplica con respecto al escenario de paso único (para el mismo caudal total). La velocidad se cuadriplica con una configuración de 4 pasadas.

El coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta con el aumento del número de Reynolds del lado del tubo debido al aumento de la velocidad. El obstáculo limitante para la transmisión de calor es a menudo la película de fluido del lado del tubo-(ya sea que el fluido del lado de la carcasa-sea un vapor condensado o un líquido de alta-conductividad). Dado que los tubos de PTFE ya tienen poca conductividad térmica, aumentar la velocidad lateral del tubo puede mejorar en gran medida el coeficiente general de transferencia de calor.

Efectos de la caída de presión
Costos de velocidad más altos: la caída de presión aumenta con el cuadrado de la velocidad (aproximadamente). Para un diseño de 2-pasos, la caída de presión en el lado del tubo es aproximadamente 4 veces mayor que la de un diseño de un solo paso (velocidad dos veces + pérdidas adicionales en el casquete de retorno). Para un diseño de 4 pasos, la caída de presión puede ser 16 veces mayor, además de grandes pérdidas en las cámaras de inversión.

En la práctica, el número de pasadas empleadas generalmente está restringido por la potencia de bombeo disponible o la pérdida de presión permitida en la línea de proceso. La disposición habitual para los intercambiadores de calor de PTFE es de 2-pasos o 4-pasos. Si el fluido del lado del tubo es un líquido de viscosidad moderada y la bomba tiene suficiente altura, se prefieren los diseños de paso único con un fluido del lado del tubo de gas (donde la caída de presión se vuelve más importante) o con un caudal ya alto.

Corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
Una distinción importante es que los sistemas multi-pasos no son puro contraflujo, lo que reduce la fuerza impulsora de temperatura efectiva. El LMTD es más alto en un intercambiador de paso único con disposición de contraflujo (fluido del lado del tubo en dirección opuesta al fluido del lado de la carcasa). En un intercambiador de múltiples-pasos, el patrón de flujo es cercano al flujo mixto o cruzado y se aplica un factor de corrección (a veces llamado F) al LMTD contracorriente.

Para un intercambiador de 2-pasos, el factor de corrección LMTD normalmente se encuentra en el rango de 0,95 a 0,99 para la mayoría de las situaciones operativas - una pequeña reducción. Para intercambiadores de 4 pasos, el factor puede ser tan bajo como 0,90-0,95. Para aplicaciones cruzadas de alta temperatura (donde las temperaturas de entrada y salida son muy cercanas), el factor de corrección puede ser sustancialmente inferior a 1, ya que se pueden anular los beneficios de una mayor velocidad. Por lo tanto, los diseños de múltiples pasos son más exitosos para cambios modestos de temperatura en el lado del tubo.

Importancia del intercambiador de calor de PTFE
Dado que el PTFE tiene una baja conductividad térmica, la resistencia de la película del lado del tubo- suele ser la dominante para la transferencia general de calor. Por lo tanto, uno de los objetivos de diseño importantes es mejorar el coeficiente del lado del tubo-. Los diseños de múltiples-pasos logran esto sin requerir un mayor caudal general de la bomba de la planta, lo que los hace deseables para adaptaciones o cuando el caudal es fijo.

Sin embargo, los tubos de PTFE son mecánicamente blandos y pueden vibrar a altas velocidades de flujo. Una velocidad excesiva puede producir vibraciones en los tubos y provocar fricción contra los deflectores o daños en la placa del tubo. Para tubos de PTFE, las velocidades laterales del tubo típicas sugeridas son de 0,5 a 2,0 m/s (1,6 a 6,6 pies/s). Un diseño de múltiples pasadas que aumenta la velocidad de 0,5 m/s a 1,0 m/s es bueno, pero aumentarla a 3,0 m/s puede causar problemas mecánicos. El número de pasadas debe elegirse para mantener la velocidad en el rango especificado por el fabricante.

Además, las ventajas de la transferencia de calor deben equilibrarse con el costo de bombeo. Ya se encuentra disponible una bomba de proceso para la circulación del tanque. La caída de presión de un intercambiador de PTFE de múltiples pasos puede ser aceptable en muchos procesos de acabado de superficies. Alternativamente, un diseño de paso único con una carcasa más grande (más tubos en paralelo) puede lograr la misma función con una menor caída de presión pero con un mayor costo de capital.

Tabla comparativa: intercambiadores de calor de PTFE de un solo-paso versus de múltiples-pasos
La siguiente tabla muestra estadísticas de rendimiento típicas para un caudal total fijo-del lado del tubo y un área de transferencia de calor fija. Los valores son representativos; El rendimiento real dependerá de los detalles del tamaño y las características del fluido.

Recuento de pasos de tubo Velocidad relativa del tubo* Coeficiente de transferencia de calor del lado-del tubo relativo** Caída de presión relativa (lado del tubo) Rango del factor de corrección LMTD Aplicaciones típicas
1 (paso único-) 1,0 (línea base) 1,0 (línea base) 1,0 (línea base) 1,00 (contraflujo puro concebible) Líquidos de alto caudal; gases; sistemas de baja caída de presión
2 (Dos-Pases) 2.0 1.3 - 1.5 3.5 - 4.5 0.95 - 0.99Buen equilibrio Más frecuente en intercambiadores de líquidos de PTFE
4 (Cuatro-Pase) 4.0 1.6 – 1.9 12 – 18 0.90 – 0,95 Se requieren líquidos de alta viscosidad o valor U-extremadamente alto; comprobar el costo de bombeo
6 u 8 Pasa 6 – 8 1.9 – 2,3 > 30 < 0,90 Raro; solo con fluidos de baja viscosidad y alta velocidad ΔP permitida en relación con el diseño de paso único con el mismo número de tubos y caudal. Estimado para flujo turbulento o de transición. La mejora real depende del exponente del número de Reynolds (normalmente h ~ v^0,8 para flujo turbulento).

Consideraciones prácticas en el acabado de superficies
En muchas aplicaciones de acabado de superficies (enchapado, anodizado, decapado), el fluido del lado del tubo suele ser el propio baño de proceso, una solución ácida o alcalina que contiene partículas suspendidas o metales disueltos. Se aplican las siguientes directrices prácticas:

Las circulaciones de alto flujo del baño para la mezcla o filtración en tanque a menudo ocasionan diseños de paso único. En tales circunstancias, la velocidad puede ser ya suficiente y más pases simplemente aumentarían la caída de presión sin el correspondiente aumento en la transferencia de calor.

El diseño de dos pasos es el diseño de intercambiador de calor de PTFE más utilizado para líneas de revestimiento de tamaño modesto. La transferencia de calor mejora considerablemente mientras la caída de presión se mantiene dentro de los límites de las bombas centrífugas normales (normalmente una pérdida de 1 a 3 bar).

Se utilizan diseños de cuatro-pasos cuando el área de transferencia de calor disponible es limitada (por ejemplo, un intercambiador modernizado que debe caber en el espacio existente) y la bomba tiene cabezal de repuesto. También se utilizan para calentar fluidos viscosos como ácido fosfórico concentrado u otros baños de procesos químicos.

También se menciona que el número óptimo de pasos de tubo está influenciado por el diseño del lado de la carcasa-. Si el fluido del lado de la carcasa-es condensación de vapor (que tiene un coeficiente de transferencia de calor muy alto), la resistencia del lado del tubo-domina y los diseños de múltiples-pasos son muy ventajosos. Si el fluido del lado de la carcasa es agua de refrigeración de bajo coeficiente, es posible que mejorar únicamente el lado del tubo no proporcione un beneficio general sustancial.

Ejemplo de diseño: cuántas pasadas elegir
Considere un intercambiador de calor de PTFE que calienta un baño de niquelado de 55 grados C a 60 grados C usando vapor en el lado de la carcasa. La potencia térmica requerida es de 100 kW. La bomba de circulación puede hacer circular un fluido de baño de 30 m3/h a través del intercambiador. El diseño preliminar de un solo paso con 200 tubos de 6 mm de diámetro interior da como resultado una velocidad lateral del tubo de 0,5 m/s, una caída de presión de 0,3 bar y un coeficiente de transferencia de calor total calculado (U) de 200 W/m2.K. La superficie necesaria es de 12 m².

El diseño de 2 pasadas (100 tubos/pasada) duplica la velocidad a 1,0 m/s. El coeficiente del lado del tubo aumenta casi un 40%, dando un U de 260 W/m2K. la superficie necesaria se reduce a 9,2 m2 (intercambiador más pequeño y económico). La pérdida de presión aumenta hasta aproximadamente 1,2 bar, lo que todavía está dentro de la capacidad de la bomba. El diseño de 2 pasadas es ciertamente mejor.

Para una configuración de 4 pasadas (50 tubos en cada pasada), la velocidad es de 2,0 m/s y U se incrementa a aproximadamente 300 W/m2.K. Área requerida 8 m2 Sin embargo, la caída de presión es de aproximadamente 5 bar, lo que puede ser mayor que la altura de la bomba o provocar un alto consumo de energía. El factor de ajuste del LMTD es 0,93, lo que reduce algo la fuerza motriz real. En este escenario, el compromiso ideal es el diseño de 2 pasos.

Palabras finales