La relazione tra diametro-di trasferimento di calore
Il vapore che si condensa all'interno del tubo dello scambiatore di calore in PTFE forma un sottile film di condensa sulla parete interna. La pellicola scorre lungo il tubo sotto l'influenza della gravità e dello sforzo di taglio dovuto al flusso di vapore. Lo spessore di questo film determina il coefficiente di trasferimento termico interno-più spesso è il film, maggiore è la resistenza termica tra il vapore e la parete del tubo.
Lo spessore del film dipende dalla portata della condensa, dal diametro e dall'orientamento del tubo. Per un dato carico di condensa, un tubo di diametro inferiore ha una pellicola più spessa (la condensa occupa una frazione maggiore della sezione trasversale-) e un coefficiente di trasferimento termico interno inferiore. Un tubo di diametro maggiore ha una pellicola più sottile e un coefficiente più elevato.
Tuttavia, i tubi di diametro maggiore hanno una velocità del vapore inferiore per lo stesso flusso di massa, il che riduce lo stress di taglio che aiuta a spostare la condensa. La minore sollecitazione di taglio può portare a una pellicola più spessa vicino all'uscita del tubo, compensando parzialmente il vantaggio in termini di diametro. Il diametro ottimale del tubo bilancia questi effetti concorrenti.
Il calcolo dello spessore del film
Per un flusso di condensa laminare sulla parete interna di un tubo orizzontale, lo spessore del film è: δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3), dove μ è la viscosità del condensato, Γ è il flusso di massa del condensato per unità di larghezza del perimetro del tubo, ρ è la densità del condensato, ρ_v è la densità del vapore e g è gravità.
Il flusso di condensa per unità di larghezza è: Γ=m_cond / (π × D), dove m_cond è il flusso di massa di condensa per tubo e D è il diametro interno del tubo. Un diametro maggiore distribuisce lo stesso flusso di condensa su un perimetro maggiore, riducendo Γ e assottigliando il film.
Per un tubo con diametro interno di 10 mm che trasporta 1,5 kg/h di condensa, lo spessore della pellicola all'uscita del tubo è di circa 0,15 mm. Per un tubo con diametro interno di 6 mm con lo stesso carico di condensa, lo spessore della pellicola è circa 0,22 mm-50% più spesso. Il coefficiente di scambio termico interno è proporzionale a 1/δ, quindi il tubo più piccolo ha un coefficiente interno inferiore di circa il 30%.
| Diametro interno del tubo (mm) | Carico di condensa (kg/h) | Spessore della pellicola all'uscita (mm) | h interna (W/m²·K) | Rischio di ponte |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 0.22 | 1,100 | Moderato (diametro piccolo) |
| 8 | 1.5 | 0.17 | 1,400 | Basso |
| 10 | 1.5 | 0.15 | 1,600 | Basso |
| 12 | 1.5 | 0.13 | 1,800 | Molto basso |
Valori per tubo orizzontale, film laminare, vapore saturo a 3 barg.
Il rischio di colmare la condensa
Nei tubi orizzontali la condensa scorre lungo il fondo del tubo. Se lo spessore della pellicola diventa troppo grande rispetto al diametro del tubo, la condensa può formare un ponte sul tubo-riempiendo l'intera sezione-trasversale ad un certo punto. Ciò crea un pezzo di liquido che blocca il flusso di vapore e provoca un colpo d'ariete quando il pezzo viene spinto dalla pressione del vapore.
Il rischio di ponti aumenta al diminuire del diametro del tubo e all'aumentare del carico di condensa. Per i tubi con diametro interno di 6 mm, i ponti costituiscono un problema in caso di carichi di condensa elevati (superiori a circa 2 kg/h per tubo). Per i tubi con diametro interno di 10 mm, è improbabile che si creino ponti con carichi di condensa tipici per il servizio dello scambiatore di calore (0,5-3 kg/h per tubo). Il diametro interno minimo consigliato per i tubi orizzontali riscaldati a vapore è 8 mm per fornire un margine adeguato contro la formazione di ponti.
La raccomandazione progettuale
Per la maggior parte delle applicazioni con scambiatori di calore in PTFE, un diametro interno del tubo di 8-10 mm (diametro esterno 10-12 mm con parete da 1 mm) fornisce un buon equilibrio tra trasferimento di calore interno, drenaggio della condensa e resistenza ai ponti. Tubi più piccoli (diametro interno 6 mm) possono essere utilizzati per carichi di condensa bassi o per l'orientamento verticale dove la gravità favorisce il drenaggio e i ponti non costituiscono un problema. I tubi più grandi (diametro interno superiore a 12 mm) forniscono un migliore trasferimento di calore interno ma aumentano il costo del tubo e riducono la densità della superficie.
Riepilogo
Il diametro del tubo influisce sullo spessore del film di condensa e sul coefficiente di trasferimento del calore interno in uno scambiatore di calore in PTFE. Diametri più piccoli producono pellicole più spesse e coefficienti interni inferiori e aumentano il rischio di formazione di ponti di condensa. Per i tubi orizzontali si consiglia un diametro interno di 8-10 mm. I tubi verticali possono utilizzare diametri più piccoli perché la gravità impedisce la formazione di ponti. Il diametro ottimale bilancia il trasferimento di calore interno, l'affidabilità del drenaggio e la densità della superficie.
Il supporto tecnico per la selezione del diametro del tubo in PTFE è disponibile previa presentazione del carico di condensa per tubo, dell'orientamento del tubo, della pressione del vapore e del carico termico richiesto.
