A importância do U-valor
O valor-U{1}}-do coeficiente geral de transferência de calor determina quanto calor um trocador de calor de PTFE transfere por metro quadrado por grau de diferença de temperatura. Uma estimativa imprecisa do valor U- produz um trocador de calor dimensionado incorretamente. A bobina é muito pequena para atender à carga térmica ou é desnecessariamente grande e cara.
A estimativa do valor U-para trocadores de calor de PTFE difere dos trocadores de metal em um aspecto crítico: a resistência da parede do tubo é significativa. Para o aço inoxidável, a resistência da parede é muitas vezes insignificante. Para o PTFE, com condutividade térmica 60 vezes menor, a resistência da parede é um componente importante do valor total de U-. Ignorá-lo leva a erros substanciais de dimensionamento.
A estimativa precisa do valor U-requer a soma de três resistências em série: a película lateral-do vapor interna, a parede do tubo de PTFE e a película lateral-do processo externo. Cada um contribui para o total. A maior resistência domina o valor U-.
As três resistências em série
O coeficiente geral de transferência de calor é o inverso da soma das resistências individuais. Cada resistência representa uma barreira que o calor deve atravessar.
A resistência interna do filme depende do coeficiente de transferência de calor do lado-do vapor. Para condensar vapor dentro de um tubo, esse coeficiente é alto-normalmente 5.000-10.000 W/m²·K. A resistência é pequena, muitas vezes inferior a 10% do total.
A resistência da parede do tubo depende da condutividade térmica do PTFE e da espessura da parede. Para tubos de PTFE de parede de 1,0 mm com condutividade de 0,25 W/m·K, a resistência da parede é 0,001 / 0.25=0.004 m²·K/W. Esta resistência é fixada pela seleção do material e pela espessura da parede. Normalmente representa 20-40% da resistência total.
A resistência externa do filme depende da convecção-do lado do processo. Sob convecção forçada com velocidade do fluido de 0,5-0,8 m/s após os tubos, o coeficiente externo varia de 400-800 W/m²·K para soluções aquosas. A resistência é 0,00125-0,0025 m²·K/W. Esta é frequentemente a maior resistência individual, representando 40-60% do total.
Tabela 1: Componentes de cálculo de valor U- para trocador de calor de PTFE (10 mm de diâmetro externo, parede de 1 mm, convecção forçada)
| Componente de resistência | Coeficiente (W/m²·K) | Resistência (m²·K/W) | % da resistência total |
|---|---|---|---|
| Interno (vapor condensado) | 8,000 | 0.000125 | 6% |
| Parede do tubo PTFE (1,0mm) | 250 (k/δ) | 0.004 | 43% |
| Externo (convecção forçada, 0,6 m/s) | 600 | 0.00167 | 38% |
| Subsídio de incrustação (serviço limpo) | 5,000 | 0.0002 | 13% |
| Valor geral de U- | 167 | 0.006 | 100% |
Cálculo para solução ácida aquosa a 60 graus com velocidade de fluxo cruzado de 0,6 m/s. Substância de incrustação para superfície de PTFE inicialmente limpa. O valor real do campo U-se degrada à medida que a incrustação se acumula.
Efeitos de convecção forçada no valor U-
A convecção forçada aumenta o coeficiente de transferência de calor externo, reduzindo a resistência externa do filme. Isso melhora o valor geral de U-. Mas a melhoria tem limites porque a resistência da parede de PTFE é fixa e substancial.
Dobrar a velocidade do fluido de 0,3 m/s para 0,6 m/s aumenta o coeficiente externo de aproximadamente 350 para 600 W/m²·K. O valor geral de U-melhora de 145 para 167 W/m²·K-um aumento de apenas 15%. Aumentos adicionais de velocidade produzem retornos decrescentes à medida que a resistência fixa da parede se torna dominante.
Esse comportamento difere dos trocadores de calor metálicos, onde o aumento da velocidade pode melhorar drasticamente o valor U-porque a resistência da parede é insignificante. Para trocadores de PTFE, a resistência da parede estabelece um limite máximo para o valor U-alcançável, independentemente das condições de vazão.
Medição de Campo vs. Cálculo
Os valores U-calculados fornecem estimativas de projeto. A medição em campo confirma o desempenho real. O valor do campo U-é determinado medindo a carga térmica (da taxa de fluxo e da mudança de temperatura em ambos os lados) e dividindo pela área de superfície conhecida e LMTD medido.
Um valor de campo U-significativamente inferior à estimativa calculada indica incrustações, inundação de condensado ou má distribuição de fluxo. A tendência regular do valor U- fornece aviso antecipado de problemas em desenvolvimento antes que eles afetem a produção.
Para novos trocadores de calor de PTFE, um valor U{0}}de referência deve ser estabelecido durante o comissionamento. Esta linha de base torna-se a referência para todas as comparações futuras de desempenho.
Resumo
A estimativa do valor U-do trocador de calor de PTFE soma as resistências do filme interno, da parede do tubo e do filme externo. A resistência da parede de PTFE, fixada pela condutividade e espessura do material, representa uma fração significativa do total-normalmente 30-45%. Esta resistência da parede limita o valor U máximo alcançável, independentemente das melhorias de fluxo.
A convecção forçada melhora o coeficiente do filme externo, mas produz retornos decrescentes à medida que a resistência da parede domina. Os valores calculados de U-devem ser verificados por medição de campo e tendências ao longo do tempo para detectar incrustações ou outras degradações.
A análise de engenharia para cálculo do valor U-do trocador de calor de PTFE em condições específicas do processo está disponível mediante envio de propriedades do fluido, velocidade do fluxo, especificações do tubo, condições do vapor e dados de temperatura operacional.
