Il compromesso sulla lunghezza del tubo-
I tubi più lunghi in uno scambiatore di calore in PTFE a passaggio singolo- forniscono una maggiore superficie per tubo, riducendo il numero di tubi necessari e semplificando il design del collettore. Ma i tubi più lunghi aumentano anche la caduta di pressione del vapore dall’ingresso all’uscita. La pressione all'estremità del tubo della condensa è inferiore a quella all'ingresso del vapore. Poiché la temperatura di saturazione del vapore diminuisce con la pressione, la forza motrice della temperatura effettiva per il trasferimento di calore si riduce lungo la lunghezza del tubo.
La relazione tra la lunghezza del tubo e la caduta di pressione determina la lunghezza massima pratica per un progetto a passaggio singolo-. Oltre questa lunghezza, la perdita di temperatura di saturazione all'estremità di uscita riduce il trasferimento di calore nella porzione a valle del tubo ad un livello inaccettabile.
Il calcolo della caduta di pressione
La caduta di pressione del vapore in un tubo dritto in PTFE viene calcolata dall'equazione di Darcy-Weisbach: ΔP=f × (L/D) × (ρ × v² / 2), dove f è il fattore di attrito di Darcy, L è la lunghezza del tubo, D è il diametro interno del tubo, ρ è la densità del vapore e v è la velocità del vapore.
Per il flusso di vapore in tubi lisci di PTFE, il fattore di attrito dipende dal numero di Reynolds. A velocità tipiche del vapore di 5-20 m/s in tubi con diametro interno di 6-10 mm, il numero di Reynolds è 5.000-50.000 in regime turbolento. Il fattore di attrito per i tubi lisci è di circa 0,02-0,03.
Man mano che il vapore si condensa lungo il tubo, la velocità del vapore diminuisce. La caduta di pressione non è lineare con la lunghezza-la sezione a monte, con velocità maggiore, ha una caduta di pressione per metro maggiore rispetto alla sezione a valle.
| Lunghezza del tubo (m) | Pressione in ingresso (barg) | Pressione di uscita (barg) | Caduta di pressione (bar) | Temp. saturazione uscita (gradi) | Perdita LMTD (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 3.0 | 2.96 | 0.04 | 142.5 | 0.5 |
| 2.0 | 3.0 | 2.91 | 0.09 | 141.8 | 1.2 |
| 3.0 | 3.0 | 2.85 | 0.15 | 140.8 | 2.2 |
| 5.0 | 3.0 | 2.70 | 0.30 | 138.5 | 4.8 |
| 8.0 | 3.0 | 2.45 | 0.55 | 135.0 | 9.5 |
Calcolato per tubo in PTFE con diametro esterno di 10 mm x diametro interno di 8 mm, flusso di massa del vapore 1,5 kg/h per tubo, pressione di ingresso 3 barg.
La differenza di temperatura effettiva
La riduzione della temperatura di saturazione lungo il tubo riduce la LMTD locale all'estremità di uscita. Se il fluido di processo è a 60 gradi, l'LMTD all'ingresso del tubo (vapore a 143 gradi) è di circa 83 gradi. All'uscita del tubo con una caduta di pressione di 0,15 bar (tubo da 2,0 m), la temperatura del vapore è di 140,8 gradi e l'LMTD è di circa 80,8 gradi -una riduzione del 2,6%.
L'LMTD medio sulla lunghezza del tubo viene utilizzato per i calcoli del trasferimento di calore. Per un tubo da 2,0 m, l'LMTD medio è di circa 82 gradi. Per un tubo da 5,0 m con una caduta di pressione di 0,30 bar, l'LMTD medio scende a circa 79 gradi -una riduzione del 5% rispetto al caso da 2,0 m.
La perdita di LMTD significa che un tubo più lungo fornisce un minore trasferimento di calore per unità di lunghezza rispetto a un tubo più corto. Il trasferimento di calore totale aumenta con la lunghezza, ma con rendimenti decrescenti.
La lunghezza massima pratica del tubo
La lunghezza massima pratica del tubo per uno scambiatore di calore in PTFE a passaggio singolo- è di circa 3-4 metri. Oltre questa lunghezza, la penalizzazione della caduta di pressione-sia la perdita di LMTD che l'aumento della contropressione sullo scaricatore di vapore compensano la superficie aggiuntiva. Per le applicazioni che richiedono una maggiore superficie, sono preferibili più tubi più corti in parallelo rispetto a meno tubi più lunghi.
Per i progetti verticali a passaggio singolo-, dove la condensa viene drenata per gravità e il flusso di vapore-condensa è co-corrente verso il basso, lunghezze dei tubi fino a 5 metri possono essere accettabili perché la gravità favorisce il drenaggio e riduce la componente di caduta di pressione-correlata alla condensa.
Riepilogo
La caduta di pressione del vapore in un tubo dello scambiatore di calore in PTFE a passaggio singolo- aumenta con la lunghezza del tubo, riducendo la temperatura di saturazione all'uscita e l'LMTD effettivo. La lunghezza massima pratica del tubo è di 3-4 metri per i tubi orizzontali e fino a 5 metri per i modelli con flusso discendente in equicorrente verticale. Al di là di queste lunghezze, la diminuzione del ritorno del trasferimento di calore e la maggiore contropressione sul sistema di condensa favoriscono più tubi più corti in parallelo.
Il supporto tecnico per l'ottimizzazione della lunghezza del tubo dello scambiatore di calore in PTFE è disponibile previa presentazione della pressione del vapore, del carico termico, delle dimensioni del tubo e della temperatura del fluido di processo.
