O desafio do estresse de rendimento
Fluidos não{0}}newtonianos com tensão de escoamento-lamas de perfuração, soluções de polímeros, pastas alimentícias e certas pastas farmacêuticas-comportam-se como sólidos até que uma tensão de cisalhamento crítica seja aplicada. Somente quando a tensão de cisalhamento local excede a tensão de escoamento é que o fluido flui. Em um tanque aquecido, o fluido adjacente aos tubos do trocador de calor pode ser aquecido o suficiente para diminuir sua viscosidade, mas se as forças de empuxo térmico estiverem abaixo da tensão de escoamento, o fluido aquecido não sobe. Permanece estagnado ao redor dos tubos. A transferência de calor entra em colapso da convecção para a condução.
Projetos convencionais de trocadores de calor, desenvolvidos para fluidos newtonianos, onde a convecção natural garante o movimento contínuo do fluido, apresentam desempenho insatisfatório em fluidos de tensão-de rendimento. O espaçamento dos tubos e a geometria do feixe devem ser projetados especificamente para criar tensões de cisalhamento que excedam a tensão de escoamento em todo o volume do fluido, garantindo circulação contínua e aquecimento uniforme.
Um trocador de calor de PTFE com geometria personalizada de feixe de tubos resolve isso concentrando a superfície de aquecimento em zonas onde a flutuabilidade natural é mais forte e fornecendo canais de fluxo que orientam a circulação do fluido.
Os Princípios do Projeto Geométrico
O feixe de tubos é organizado para criar um padrão de convecção estruturado. Em vez de uma grade uniforme, os tubos são agrupados em colunas verticais com espaçamento maior entre colunas do que dentro das colunas. As colunas funcionam como chaminés aquecidas. O fluido dentro das colunas é aquecido, sua viscosidade cai e a flutuabilidade cria um fluxo ascendente. As lacunas mais largas entre as colunas fornecem caminhos de fluxo de retorno para o fluido mais frio que desce das zonas superiores do tanque.
O espaçamento entre tubos dentro de cada coluna é ajustado para produzir uma tensão de cisalhamento no fluido entre tubos adjacentes que excede a tensão de escoamento na temperatura operacional. A tensão de cisalhamento é calculada a partir da força de empuxo no elemento de fluido aquecido e da área superficial do tubo. Se a tensão de cisalhamento calculada estiver abaixo da tensão de escoamento, o espaçamento entre tubos será reduzido para aumentar a taxa de cisalhamento.
Na parte inferior do feixe, onde o fluido é mais frio e a tensão de escoamento é mais alta, os tubos são compactados mais densamente. A maior densidade do tubo aumenta a taxa de aquecimento local e a força de empuxo, ajudando a superar a tensão de escoamento e iniciar a circulação. No topo do feixe, onde o fluido é mais quente e a tensão de escoamento é menor, o espaçamento entre tubos pode ser maior.
| Parâmetro de geometria do pacote | Projeto de Fluidos Newtonianos | Rendimento-Projeto de fluido de estresse |
|---|---|---|
| Arranjo de tubo | Grade uniforme | Colunas verticais com espaços-maiores entre colunas |
| Espaçamento intra{0}}do tubo da coluna | 2,0-2,5 × diâmetro externo do tubo | 1,5-2,0 × diâmetro externo do tubo (mais apertado para maior cisalhamento) |
| Espaço entre-colunas | O mesmo que intra-coluna | 3,0-5,0 × diâmetro externo do tubo (canais de fluxo de retorno) |
| Densidade do tubo da zona inferior | Uniforme | 20-30% maior que uniforme |
| Densidade do tubo da zona superior | Uniforme | 20-30% menor que o uniforme |
| Altura da coluna | Profundidade do tanque | Profundidade do tanque (imersão total) |
| Número de colunas | N/A (padrão de grade) | 3-8 (depende do diâmetro do tanque) |
| Projeto da placa de suporte | Padrão de furo uniforme | Assimétrico; corresponde ao layout da coluna |
A estratégia-de aquecimento inicial
Os fluidos-de tensão de escoamento apresentam um desafio-de inicialização: todo o conteúdo do tanque pode estar abaixo da tensão de escoamento e nenhuma circulação ocorre quando o aquecimento começa. O projeto do trocador de calor de PTFE incorpora uma estratégia-de aquecimento inicial. A pressão do vapor é inicialmente limitada para produzir uma temperatura moderada na parede do tubo que aquece o fluido localmente sem causar degradação térmica. O aquecimento localizado reduz gradualmente a tensão de escoamento no fluido imediatamente ao redor dos tubos.
Uma vez que um volume suficiente de fluido ao redor dos tubos tenha sido aquecido acima da transição da tensão de escoamento, a circulação começa. A circulação expande progressivamente a zona aquecida até que todo o conteúdo do tanque esteja circulando. A pressão do vapor pode então ser aumentada para o nível operacional normal. O processo é análogo ao descongelamento de uma fusão sólida-localizada seguida pelo aumento progressivo da zona fundida até que a convecção seja estabelecida.
A vantagem do PTFE para fluidos-de estresse de rendimento
A baixa energia superficial do PTFE oferece uma vantagem específica para fluidos de tensão-de escoamento. Estes fluidos aderem frequentemente fortemente às superfícies metálicas, formando uma camada estagnada que resiste ao início da circulação. A superfície antiaderente de PTFE reduz a adesão, permitindo que o fluido aquecido se separe da superfície do tubo e suba com uma força de empuxo menor do que seria necessária em uma superfície metálica. A circulação inicia-se mais cedo e a zona estagnada é eliminada de forma mais eficaz.
Resumo
A geometria personalizada do feixe de tubos do trocador de calor de PTFE para fluidos não{0}newtonianos com tensão de escoamento usa colunas verticais com espaçamento intra{1}}estreito entre colunas para gerar cisalhamento que excede a tensão de escoamento e amplos espaços entre-colunas para fluxo de retorno. A maior densidade do tubo na parte inferior do feixe supera a maior tensão de escoamento do fluido mais frio. Uma estratégia de inicialização-controlada inicia a circulação progressivamente. A baixa energia superficial do PTFE auxilia no desprendimento de fluidos das superfícies dos tubos, promovendo o início mais precoce da convecção.
O suporte de engenharia para projeto de trocador de calor de fluido de tensão-de escoamento está disponível mediante envio de dados de reologia de fluido (tensão de escoamento versus temperatura, viscosidade versus taxa de cisalhamento), dimensões do tanque, faixa de temperatura operacional e serviço de aquecimento.
