L'importanza del valore U-
Il coefficiente di trasferimento di calore complessivo-U-valore-determina la quantità di calore che uno scambiatore di calore in PTFE trasferisce per metro quadrato per grado di differenza di temperatura. Una stima imprecisa del valore U- produce uno scambiatore di calore di dimensioni errate. La bobina è troppo piccola per soddisfare il carico termico oppure è inutilmente grande e costosa.
La stima del valore U-per gli scambiatori di calore in PTFE differisce da quella per gli scambiatori in metallo per un aspetto critico: la resistenza della parete del tubo è significativa. Per l’acciaio inossidabile la resistenza delle pareti è spesso trascurabile. Per il PTFE, con conduttività termica 60 volte inferiore, la resistenza delle pareti è un componente importante del valore U- totale. Ignorarlo porta a sostanziali errori di dimensionamento.
Una stima accurata del valore U- richiede la somma di tre resistenze in serie: la pellicola interna sul lato del vapore-, la parete del tubo in PTFE e la pellicola sul lato del processo esterno-. Ciascuno contribuisce al totale. La resistenza più grande domina il valore U-.
Le tre resistenze in serie
Il coefficiente di scambio termico complessivo è l'inverso della somma delle singole resistenze. Ogni resistenza rappresenta una barriera che il calore deve attraversare.
La resistenza del film interno dipende dal coefficiente di trasferimento termico del lato vapore-. Per la condensazione del vapore all'interno di un tubo, questo coefficiente è elevato-tipicamente 5.000-10.000 W/m²·K. La resistenza è piccola, spesso inferiore al 10% del totale.
La resistenza della parete del tubo dipende dalla conduttività termica del PTFE e dallo spessore della parete. Per tubi in PTFE con parete da 1,0 mm con conduttività di 0,25 W/m·K, la resistenza della parete è 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Questa resistenza è fissata dalla scelta del materiale e dallo spessore della parete. Rappresenta tipicamente il 20-40% della resistenza totale.
La resistenza del film esterno dipende dalla convezione-laterale del processo. In convezione forzata con velocità del fluido di 0,5-0,8 m/s oltre i tubi, il coefficiente esterno varia da 400-800 W/m²·K per soluzioni acquose. La resistenza è 0,00125-0,0025 m²·K/W. Questa è spesso la resistenza singola più grande, rappresentando il 40-60% del totale.
Tabella 1: Componenti per il calcolo del valore U- per lo scambiatore di calore in PTFE (diametro esterno 10 mm, parete 1 mm, convezione forzata)
| Componente di resistenza | Coefficiente (W/m²·K) | Resistenza (m²·K/W) | % della resistenza totale |
|---|---|---|---|
| Interno (vapore condensante) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Parete del tubo in PTFE (1,0 mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Esterno (convezione forzata, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Indennità per incrostazione (servizio pulito) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Valore U-complessivo | 167 | 0.006 | 100% |
Calcolo per una soluzione acquosa di acido a 60 gradi con velocità di flusso incrociato di 0,6 m/s. Tolleranza di incrostazione per una superficie in PTFE inizialmente pulita. Il valore U-effettivo del campo diminuisce con l'accumulo di incrostazioni.
Effetti della convezione forzata sul valore U-
La convezione forzata aumenta il coefficiente di trasferimento del calore esterno, riducendo la resistenza del film esterno. Ciò migliora il valore U-complessivo. Ma il miglioramento ha dei limiti perché la resistenza delle pareti in PTFE è fissa e sostanziale.
Raddoppiando la velocità del fluido da 0,3 m/s a 0,6 m/s si aumenta il coefficiente esterno da circa 350 a 600 W/m²·K. Il valore U-complessivo migliora da 145 a 167 W/m²·K-con un aumento solo del 15%. Ulteriori aumenti di velocità producono rendimenti decrescenti poiché la resistenza della parete fissa diventa dominante.
Questo comportamento differisce dagli scambiatori di calore metallici, dove l'aumento della velocità può migliorare notevolmente il valore U- perché la resistenza della parete è trascurabile. Per gli scambiatori in PTFE, la resistenza della parete stabilisce un limite massimo al valore U-ottenibile indipendentemente dalle condizioni del flusso.
Misurazione sul campo e calcolo
I valori U-calcolati forniscono stime di progettazione. La misurazione sul campo conferma le prestazioni effettive. Il valore U- del campo viene determinato misurando il carico termico (dalla portata e dalla variazione di temperatura su entrambi i lati) e dividendo per l'area superficiale nota e l'LMTD misurato.
Un valore U- del campo significativamente inferiore alla stima calcolata indica incrostazioni, allagamenti di condensa o cattiva distribuzione del flusso. L'andamento regolare del valore U- fornisce un avviso tempestivo dello sviluppo di problemi prima che incidano sulla produzione.
Per i nuovi scambiatori di calore in PTFE, è necessario stabilire un valore U-di base durante la messa in servizio. Questa base di riferimento diventa il riferimento per tutti i futuri confronti delle prestazioni.
Riepilogo
La stima del valore U- dello scambiatore di calore in PTFE somma le resistenze del film interno, della parete del tubo e del film esterno. La resistenza della parete in PTFE, determinata dalla conduttività e dallo spessore del materiale, rappresenta una frazione significativa del totale-tipicamente il 30-45%. Questa resistenza della parete limita il valore U massimo ottenibile indipendentemente dai miglioramenti del flusso.
La convezione forzata migliora il coefficiente del film esterno ma produce rendimenti decrescenti poiché domina la resistenza della parete. I valori U-calcolati devono essere verificati mediante misurazione sul campo e trend nel tempo per rilevare incrostazioni o altri degradi.
L'analisi ingegneristica per il calcolo del valore U- dello scambiatore di calore in PTFE in condizioni di processo specifiche è disponibile previa presentazione delle proprietà del fluido, della velocità del flusso, delle specifiche del tubo, delle condizioni del vapore e dei dati sulla temperatura operativa.
