La disposizione del flusso che determina l'efficacia
Un impianto di trattamento chimico richiede uno scambiatore di calore in PTFE per riscaldare un fluido di processo da 40 gradi a 80 gradi utilizzando un fluido di servizio che entra a 120 gradi ed esce a 90 gradi. Il carico termico è di 50 kW.
Per una disposizione in contro-flusso, il fluido di processo scorre nella direzione opposta al fluido di servizio. Le differenze di temperatura alle due estremità sono: estremità calda (ingresso di servizio 120 gradi − uscita di processo 80 gradi)=40 gradi e estremità fredda (uscita di servizio 90 gradi − ingresso di processo 40 gradi)=50 gradi. La differenza di temperatura media logaritmica (LMTD) è di circa 44,8 gradi.
Per una disposizione a flusso- parallelo, il fluido di processo scorre nella stessa direzione del fluido di servizio. Le differenze di temperatura alle due estremità sono: estremità di ingresso (ingresso di servizio 120 gradi − ingresso di processo 40 gradi)=80 gradi e estremità di uscita (uscita di servizio 90 gradi − uscita di processo 80 gradi)=10 gradi. L'LMTD è di circa 34,2 gradi.
Per una disposizione a flusso incrociato- con entrambi i fluidi non miscelati, l'LMTD è compreso tra i valori del flusso-controcorrente e del flusso-parallelo. In questo caso, l'LMTD è di circa 41,5 gradi.
La disposizione in contro-flusso fornisce il LMTD più elevato e la superficie minima richiesta. La disposizione del flusso parallelo-fornisce il LMTD più basso e la più ampia superficie richiesta. La disposizione del flusso incrociato-fornisce un valore intermedio.
Il metodo dell'efficacia-NTU
Il metodo dell'efficacia-NTU fornisce una descrizione più completa dell'effetto della disposizione del flusso. L'efficacia è il rapporto tra il trasferimento di calore effettivo e il massimo trasferimento di calore possibile. NTU è il numero di unità di trasferimento, definite come NTU=UA/C_min, dove U è il coefficiente di trasferimento di calore complessivo, A è l'area superficiale e C_min è il più piccolo dei due valori di capacità termica del fluido.
Per una data NTU, l'efficacia dipende dalla disposizione del flusso e dal rapporto tra capacità termica. La disposizione in contro-flusso fornisce la massima efficacia per tutti i valori di NTU e rapporto di capacità termica. La disposizione del flusso parallelo-fornisce il valore più basso. La disposizione a flusso incrociato-fornisce un valore intermedio che dipende dal fatto che i fluidi siano miscelati o non miscelati.
Per un rapporto di capacità termica di 0,5 e un NTU di 2,0, l'efficacia del contro-flusso è di circa 0,75, l'efficacia del-flusso incrociato è di circa 0,70 e l'efficacia del flusso parallelo- è di circa 0,62.
La penalità di superficie del flusso parallelo
Il LMTD inferiore della disposizione a flusso parallelo- richiede una superficie maggiore per lo stesso carico termico. Nel caso di esempio, la disposizione a flusso-controcorrente richiede una superficie di 5,6 m², la disposizione a flusso incrociato- richiede 6,0 m² e la disposizione a flusso-parallelo richiede 7,3 m².
La disposizione a flusso- parallelo richiede il 30% di superficie in più rispetto alla disposizione a flusso-controcorrente. In uno scambiatore di calore in PTFE, dove la superficie è costosa, l'area aggiuntiva aumenta il costo di capitale di circa il 25-30%.
La disposizione a flusso incrociato- richiede il 7% di superficie in più rispetto alla disposizione a flusso in contro-flusso. L'area aggiuntiva aumenta i costi di capitale di circa il 5–7%.
Perché gli scambiatori di calore in PTFE sono sensibili alla disposizione del flusso
Gli scambiatori di calore in PTFE sono più sensibili alla disposizione del flusso rispetto agli scambiatori di calore in metallo perché la resistenza della parete del tubo è elevata e il coefficiente di trasferimento termico complessivo è basso. Il basso coefficiente significa che è necessaria un’ampia superficie e l’effetto della disposizione del flusso sull’LMTD si traduce direttamente in una penalizzazione della superficie.
In uno scambiatore di calore metallico, l’elevato coefficiente complessivo significa che l’area superficiale è piccola e l’effetto della disposizione del flusso è meno significativo in termini assoluti. La penalità in termini di costi di capitale del flusso parallelo è minore.
In uno scambiatore di calore in PTFE, il basso coefficiente significa che l'area superficiale è ampia e l'effetto della disposizione del flusso è significativo in termini assoluti. La penalità in termini di costi di capitale del flusso parallelo è maggiore.
Quantificazione dell'effetto di disposizione del flusso
La tabella seguente riassume l'LMTD, la superficie richiesta e il costo di capitale per diverse disposizioni di flusso in uno scambiatore di calore in PTFE con un carico termico di 50 kW e un coefficiente complessivo di 200 W/m²·K.
| Disposizione del flusso | LMTD | Superficie richiesta | Area superficiale relativa | Costo del capitale | Costo relativo del capitale |
|---|---|---|---|---|---|
| Contro-flusso | 44,8 gradi | 5.6 m² | 100% | $28,000 | 100% |
| Flusso incrociato-, entrambi i fluidi non miscelati | 41,5 gradi | 6.0 m² | 107% | $29,500 | 105% |
| Flusso incrociato-, un fluido miscelato | 39,8 gradi | 6.3 m² | 113% | $31,000 | 111% |
| Flusso incrociato-, entrambi i fluidi miscelati | 37,5 gradi | 6.7 m² | 120% | $33,000 | 118% |
| Flusso-parallelo | 34,2 gradi | 7.3 m² | 130% | $35,500 | 127% |
| Contro-flusso con 2 passaggi di shell | 43,5 gradi | 5.7 m² | 102% | $28,500 | 102% |
| Contro-flusso con 4 passaggi di shell | 44,2 gradi | 5.65 m² | 101% | $28,200 | 101% |
I valori dei costi di capitale sono stime basate sulla superficie e su un costo di 5.000 dollari al m² per lo scambiatore di calore in PTFE. La disposizione in contro-flusso fornisce il costo di capitale più basso, mentre la disposizione in-flusso parallelo fornisce il più alto.
I limiti pratici della disposizione del flusso
I limiti pratici della disposizione del flusso sono determinati dalla geometria dello scambiatore di calore e dai requisiti del processo.
Contro-flusso.Il contro-flusso fornisce la massima efficacia ma richiede una geometria che consenta ai due fluidi di fluire in direzioni opposte. Uno scambiatore di calore a fascio tubiero-e-con deflettori può approssimare il controflusso-, ma i deflettori creano un flusso-incrociato. Una vera disposizione in controflusso- richiede un tubo concentrico o una geometria dello scambiatore di calore a piastre.
Flusso-incrociato.Il flusso incrociato-è la disposizione più comune negli scambiatori di calore-e-tubi perché i deflettori dirigono il fluido del lato-fascio attraverso i tubi. La disposizione a flusso incrociato-fornisce un'efficacia intermedia ed è più facile da produrre rispetto al vero contro{6}}flusso.
Flusso-parallelo.Il flusso parallelo-fornisce l'efficacia più bassa e viene utilizzato raramente negli scambiatori di calore perché richiede la superficie più ampia. Viene utilizzato solo in applicazioni in cui la differenza di temperatura è elevata e la riduzione dell'area superficiale è accettabile.
Caratteristiche di progettazione che migliorano l'efficacia della disposizione del flusso
Numerose caratteristiche di progettazione migliorano l'efficacia della disposizione del flusso in uno scambiatore di calore in PTFE.
Passaggi multipli di shell.Uno scambiatore di calore con più passaggi shell si avvicina maggiormente al contro-flusso rispetto a un singolo passaggio shell. I passaggi multipli riducono l'incrocio di temperature e aumentano l'LMTD.
Design del deflettore.Il design del deflettore determina il modello di flusso del lato del guscio-. Un design con deflettore che promuove il flusso incrociato- fornisce un coefficiente di trasferimento termico più elevato rispetto a un design che promuove il flusso parallelo.
Disposizione del passaggio del tubo.La disposizione del passaggio del tubo determina la direzione del flusso sul lato del tubo-. Una disposizione a passaggio multi-con i passaggi disposti in uno schema-in controflusso fornisce un'efficacia maggiore rispetto a una disposizione a passaggio singolo-.
Alette o superfici migliorate.Una superficie del tubo con alette o superfici migliorate aumenta il coefficiente di scambio termico e riduce la sensibilità alla disposizione del flusso.
Intestazione di distribuzione del flusso.Un collettore di distribuzione del flusso garantisce un flusso uniforme attraverso il fascio tubiero, migliorando l'efficacia della disposizione del flusso.
Confronto delle disposizioni di flusso per diverse applicazioni
La tabella seguente riassume la disposizione del flusso consigliata per le diverse applicazioni dello scambiatore di calore in PTFE.
| Applicazione | Disposizione del flusso consigliata | Motivo | Alternativa |
|---|---|---|---|
| Riscaldamento a vapore | Contro-flusso | LMTD massimo, superficie minima | Flusso incrociato-con passaggi multipli |
| Raffreddamento ad acqua refrigerata | Contro-flusso | LMTD massimo, superficie minima | Flusso-incrociato |
| Da processo-a-processo di scambio | Contro-flusso | Massimo recupero di calore | Flusso-incrociato |
| Riscaldamento di fluidi viscosi | Flusso-incrociato | Migliore distribuzione del flusso, minore perdita di carico | Flusso-parallelo |
| Servizio ad alta-temperatura | Contro-flusso | Temperatura minima della parete | Flusso-incrociato |
| Servizio di incrostazione | Flusso-incrociato | Migliore purga, minore tasso di incrostazione | Flusso-parallelo |
| Installazione compatta | Flusso-incrociato | Geometria più semplice, ingombro ridotto | Contro-flusso con passaggi multipli |
La disposizione in contro-flusso è preferita per la maggior parte delle applicazioni perché fornisce la massima efficacia e la superficie più piccola. La disposizione a flusso incrociato- è preferita per fluidi viscosi e servizi di incrostazione perché fornisce una migliore distribuzione del flusso e una minore incrostazione.
Parametri di specifica per la disposizione del flusso
I tecnici dell'attrezzatura che specificano uno scambiatore di calore in PTFE devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Temperature di processo.Specificare le temperature di ingresso e uscita del fluido di processo.
Temperature di servizio.Specificare le temperature di ingresso e uscita del fluido di servizio.
Carico termico.Specificare il carico termico e l'intervallo previsto.
Disposizione dei flussi.Specificare la disposizione del flusso in base ai requisiti del processo e allo spazio disponibile.
LMTD.Specificare l'LMTD per la disposizione del flusso selezionata.
Superficie.Specificare la superficie richiesta per il carico termico e l'LMTD.
Numero di passaggi di shell.Specificare il numero di passaggi di shell. I passaggi multipli si avvicinano maggiormente al contro-flusso.
Design del deflettore.Specificare il design del deflettore per il modello di flusso lato guscio-.
Abbinamento della disposizione del flusso ai requisiti del processo
La disposizione del flusso determina l'LMTD, la superficie richiesta e il costo di capitale di uno scambiatore di calore in PTFE. Il contro-flusso fornisce il LMTD più elevato e la superficie più piccola. Il flusso incrociato-fornisce un valore intermedio. Il flusso parallelo-fornisce il LMTD più basso e la superficie più ampia.
La disposizione del flusso deve essere selezionata in base alle temperature di processo, al carico termico e allo spazio disponibile. Per la maggior parte delle applicazioni è preferibile il contro-flusso. Il flusso incrociato- è preferito per fluidi viscosi e servizi di fouling.
Per gli impianti di trattamento chimico che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, la disposizione del flusso deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore può essere una disposizione a flusso incrociato-che è più semplice da produrre ma ha un'efficacia inferiore rispetto a una disposizione a flusso-controcorrente.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per il trattamento chimico o altri servizi di trasferimento di calore possono richiedere una revisione del progetto che copra le temperature di processo, le temperature di servizio, il carico termico, la disposizione del flusso, LMTD e l'area superficiale per confermare che l'unità corrisponde ai requisiti di processo effettivi e alla struttura dei costi della struttura.
