Em um trocador de-e-tubo de PTFE, o fluido do lado-do tubo pode fazer uma única viagem da entrada até a saída ou pode ser direcionado para frente e para trás através do pacote diversas vezes. O número de passagens influencia a velocidade do fluido, a eficiência da transferência de calor e a potência de bombeamento necessária. Como o PTFE tem uma condutividade térmica inerentemente baixa (aproximadamente 0,25 W/m·K), maximizar o coeficiente de transferência de calor no lado do tubo é muitas vezes uma prioridade. No entanto, a escolha entre um projeto de-passagem única e-de múltiplas passagens não é simples-ela envolve uma troca deliberada-entre o aumento da transferência de calor e a penalidade pela queda de pressão.
Compreendendo os arranjos de passagem de tubo
O número de passagens no tubo refere-se a quantas vezes o fluido que passa pelos tubos atravessa o comprimento do trocador. As passagens são criadas instalando divisórias (partições de passagem) no canal ou na cobertura em uma ou ambas as extremidades do trocador. Esses divisores forçam o fluido a fluir através de apenas uma parte dos tubos antes de inverter a direção e entrar em outro conjunto de tubos.
Design de passe único-
Em um trocador de-passagem única (1-passagem), o fluido do lado do tubo entra no canal por uma extremidade, flui diretamente por todos os tubos em paralelo e sai pela extremidade oposta. Não são utilizadas divisórias internas. Esta é a configuração de fluxo mais simples.
Design de-passagens múltiplas (2 passagens, 4 passagens etc.)
Em um projeto de-passagens múltiplas, o fluido faz múltiplas travessias pelo feixe de tubos. Por exemplo, em um trocador de 2-passagens, o canal de entrada é dividido em duas seções. O fluido entra em uma seção, flui através de metade dos tubos até a extremidade oposta, inverte a direção em uma tampa de retorno, flui de volta através dos tubos restantes e sai pela segunda seção do canal do lado de entrada. Num trocador de 4 passagens, o processo se repete duas vezes.
O número de passagens é sempre uniforme para manter os bicos de entrada e saída na mesma extremidade do trocador, simplificando as conexões das tubulações.
Principais diferenças no desempenho térmico-hidráulico
A decisão entre umtrocador de calor PTFE de passagem única vs passagem múltiplao projeto depende de como a velocidade do fluido, o coeficiente de transferência de calor, a queda de pressão e a diferença média de temperatura logarítmica (LMTD) são afetados.
Velocidade do fluido e coeficiente de transferência de calor
Para uma determinada vazão total-do lado do tubo, a velocidade do fluido dentro de cada tubo é determinada pelo número de tubos ativos em cada passagem. Em um projeto de{2}passagem única, todos os tubos estão ativos simultaneamente. A área-da seção transversal disponível para fluxo é a área total de fluxo de todos os tubos. Portanto, a velocidade é relativamente baixa, a menos que a vazão total seja alta.
Em um projeto de-passagens múltiplas, o mesmo fluxo total é forçado através de apenas uma fração dos tubos por passagem. Para um trocador de 2-passagens com dois grupos de tubos iguais, cada passagem contém metade do total de tubos. A velocidade em cada tubo dobra em comparação com o caso de passagem única (para a mesma vazão total). Para um projeto de 4 passagens, a velocidade quadruplica.
Uma velocidade mais alta aumenta o número de Reynolds do lado-do tubo, o que, por sua vez, aumenta o coeficiente de transferência de calor por convecção. Como os tubos de PTFE já têm baixa condutividade térmica, a resistência limitante à transferência de calor geralmente está no filme de fluido do lado-do tubo (se o fluido-do lado do invólucro for um vapor condensado ou um líquido de alta-condutividade). Aumentar a velocidade lateral do tubo pode melhorar substancialmente o coeficiente geral de transferência de calor.
Consequências da queda de pressão
Maior velocidade tem um custo: a queda de pressão aumenta com o quadrado da velocidade (aproximadamente). Para um projeto de 2-passagens, a queda de pressão no lado-do tubo é aproximadamente quatro vezes maior que a de um projeto de passagem única (velocidade dobrada, mais perdas adicionais na tampa de retorno). Para um projeto de 4 passagens, a queda de pressão pode ser 16 vezes maior, além de perdas significativas nas câmaras de reversão.
Na prática, a potência de bombeamento disponível ou a queda de pressão permitida na linha de processo muitas vezes limitam o número de passagens que podem ser utilizadas. Uma configuração comum para trocadores de calor de PTFE é 2-passagens ou 4-passagens quando o fluido do lado-do tubo é um líquido com viscosidade moderada e a bomba tem altura manométrica suficiente. Projetos de passagem única são preferidos quando o fluido do lado do tubo é um gás (onde a queda de pressão é mais crítica) ou quando a vazão já é alta.
Correção da diferença média de temperatura do registro (LMTD)
Uma sutileza importante é que os projetos de-passagens múltiplas se desviam do contrafluxo puro, reduzindo a força motriz efetiva da temperatura. Em um trocador de-passagem única com arranjo de contrafluxo (fluido do lado-do tubo na direção oposta ao fluido do lado-do casco), o LMTD está em seu máximo. Em um trocador de múltiplas passagens, o padrão de fluxo se aproxima do fluxo misto ou cruzado, exigindo um fator de correção (normalmente denotado como F) aplicado ao LMTD em contracorrente.
Para um trocador de 2-passagens, o fator de correção LMTD geralmente fica entre 0,95 e 0,99 para a maioria das condições operacionais-uma pequena redução. Para trocadores de 4-passagens, o fator pode cair para 0,90–0,95. Para aplicações de alta-temperatura cruzada (onde as temperaturas de entrada e saída são muito próximas), o fator de correção pode ser significativamente menor, anulando potencialmente os benefícios de uma velocidade mais alta. Portanto, os projetos multipasse são mais eficazes quando a mudança de temperatura no lado do tubo é moderada.
Relevância para trocadores de calor de PTFE
Como o PTFE tem baixa condutividade térmica, a resistência da película lateral-do tubo geralmente domina a transferência geral de calor. Melhorar o coeficiente lateral-do tubo é, portanto, um objetivo principal do projeto. Os projetos-de múltiplas passagens conseguem isso sem exigir uma vazão total mais alta da bomba da planta, tornando-os atraentes para retrofits ou aplicações onde a vazão é fixa.
No entanto, os tubos de PTFE são mecanicamente macios e propensos a vibrações em altas velocidades de fluxo. A velocidade excessiva pode causar vibração do tubo, causando atrito contra defletores ou danos à placa do tubo. As velocidades laterais típicas recomendadas para tubos de PTFE variam de 0,5 a 2,0 m/s (1,6 a 6,6 pés/s). Um projeto de-passagens múltiplas que aumenta a velocidade de 0,5 m/s para 1,0 m/s é benéfico; aumentá-lo para 3,0 m/s pode causar problemas mecânicos. O número de passagens deve ser selecionado para manter a velocidade dentro da faixa recomendada pelo fabricante.
Também é importante equilibrar os ganhos de transferência de calor em relação ao custo de bombeamento. Em muitas operações de acabamento superficial, a bomba de processo já existe para a circulação do tanque, e a queda de pressão adicional de um trocador de PTFE com múltiplas passagens pode ser aceitável. Em outros casos, um projeto de passagem única com um casco maior (mais tubos em paralelo) pode atingir a mesma função com menor queda de pressão, embora com um custo de capital mais elevado.
Tabela de comparação: trocadores de calor PTFE de passagem única- vs. passagem múltipla-
A tabela abaixo compara características típicas de desempenho para uma vazão total fixa no lado-do tubo e uma área fixa de transferência de calor. Os valores são ilustrativos; o desempenho real depende de dimensões específicas e propriedades do fluido.
| Número de passagens de tubo | Velocidade relativa do tubo* | Coeficiente de transferência de calor lateral-do tubo relativo** | Queda de pressão relativa (lado do tubo) | Faixa do fator de correção LMTD | Aplicações Típicas |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 (Passe único-) | 1,0 (linha de base) | 1,0 (linha de base) | 1,0 (linha de base) | 1,00 (puro contrafluxo possível) | Sistemas de baixa-queda de pressão-; gases; líquidos de-vazão-alta |
| 2 (dois-passes) | 2.0 | 1.3 – 1.5 | 3.5 – 4.5 | 0.95 – 0.99 | Mais comum para trocadores de PTFE líquido; bom equilíbrio |
| 4 (Quatro-passes) | 4.0 | 1.6 – 1.9 | 12 – 18 | 0.90 – 0.95 | Líquidos de alta-viscosidade ou quando for necessário um valor U-muito alto; verificar custo de bombeamento |
| 6 ou 8 passes | 6 – 8 | 1.9 – 2.3 | > 30 | < 0.90 | Cru; somente com fluidos de baixa-viscosidade e alto ΔP permitido |
* Velocidade relativa ao projeto de-passagem única com a mesma contagem de tubos e taxa de fluxo.
**Estimado para escoamento turbulento ou de transição. O aprimoramento real depende do expoente do número de Reynolds (normalmente h ~ v ^ 0,8 para fluxo turbulento).
Considerações Práticas para Acabamento de Superfície
Em aplicações de acabamento de superfície (revestimento, anodização, decapagem), o fluido-do lado do tubo geralmente é o próprio banho do processo-uma solução ácida ou alcalina com sólidos suspensos ou metais dissolvidos. As seguintes diretrizes práticas se aplicam:
Projetos-de passagem únicasão freqüentemente usados quando o banho circula em uma vazão alta para mistura ou filtração em tanque. Nesses casos, a velocidade pode já ser suficiente e a adição de passes apenas aumentaria a queda de pressão sem um ganho proporcional na transferência de calor.
Dois-projetos de passagemsão a configuração mais comum para trocadores de calor de PTFE em linhas de galvanização-de tamanho moderado. Eles fornecem um aumento significativo na transferência de calor, ao mesmo tempo que mantêm a queda de pressão dentro da capacidade das bombas centrífugas padrão (normalmente perda de 1–3 bar).
Quatro-designs de passessão empregados quando a área de transferência de calor disponível é limitada (por exemplo, um trocador adaptado que deve caber no espaço existente) e a bomba tem cabeçote sobressalente. Eles também são usados para aquecer fluidos viscosos como ácido fosfórico concentrado ou certos banhos de processos orgânicos.
Vale a pena observar que a disposição-do lado do casco também influencia o número ideal de passagens do tubo. Se o fluido do lado do-casco estiver condensando vapor (que tem um coeficiente de transferência de calor muito alto), a resistência do lado-do tubo dominará e os projetos de-passagens múltiplas serão altamente benéficos. Se o fluido do lado do casco for uma água de resfriamento com um coeficiente baixo, melhorar apenas o lado do tubo pode não produzir uma grande melhoria geral.
Exemplo de projeto: seleção do número de passagens
Considere um trocador de calor de PTFE aquecendo um banho de níquel de 55 a 60 graus usando vapor no lado do casco. A taxa térmica necessária é de 100 kW. A bomba de circulação disponível fornece 30 m³/h de fluido de banho através do trocador. Um projeto preliminar de passagem única usando 200 tubos de diâmetro interno de 6 mm produz uma velocidade lateral do tubo de 0,5 m/s, uma queda de pressão de 0,3 bar e um coeficiente geral de transferência de calor (U) calculado de 200 W/m²·K. A área necessária é de 12 m².
Ao mudar para um projeto de 2-passagens (100 tubos por passagem), a velocidade dobra para 1,0 m/s. O coeficiente lateral-do tubo aumenta em aproximadamente 40%, elevando U para 260 W/m²·K. A área necessária cai para 9,2 m² (um trocador menor e de menor custo). A queda de pressão aumenta para cerca de 1,2 bar, o que ainda está dentro da capacidade da bomba. O design de 2 passagens é claramente superior.
Se for considerado um projeto de 4 passes (50 tubos por passe), a velocidade atinge 2,0 m/s e U aumenta para aproximadamente 300 W/m²·K. A área necessária cai para 8 m². Porém, a queda de pressão sobe para aproximadamente 5 bar, o que pode ultrapassar a altura manométrica da bomba ou causar consumo excessivo de energia. O fator de correção LMTD cai para 0,93, reduzindo ligeiramente a força motriz real. Neste caso, o design de 2 passagens oferece o melhor equilíbrio.
Conclusão
O número ideal de passagens de tubo em um trocador de calor de PTFE depende da queda de pressão disponível e da necessidade de melhorar a transferência de calor dentro dos tubos de PTFE de baixa{0}}condutividade. Projetos de passagem única minimizam a queda de pressão e mantêm o LMTD em contracorrente total, tornando-os adequados para gases ou sistemas com capacidade de bombeamento limitada. Projetos de múltiplas-passagens (normalmente 2-passagens ou 4-passagens) aumentam a velocidade do lado do tubo, aumentando o coeficiente de transferência de calor ao custo de maior queda de pressão e uma pequena redução no LMTD. Para a maioria das aplicações de acabamento superficial líquido, um projeto de duas passagens oferece um compromisso eficaz, proporcionando ganhos significativos de desempenho sem demandas excessivas de bombeamento.
A otimização-térmica e hidráulica é uma parte padrão do projeto do trocador de calor de PTFE. O número correto de passagens é determinado equilibrando a melhoria da transferência de calor com as restrições de queda de pressão, ao mesmo tempo que respeita os limites de velocidade do PTFE para evitar vibração do tubo. Quando especificado corretamente, o arranjo de passagem selecionado garante que o trocador cumpra sua função de maneira confiável e eficiente durante sua vida útil.
