A relação de transferência de calor-do diâmetro
A condensação do vapor dentro de um tubo trocador de calor de PTFE forma uma fina película de condensado na parede interna. O filme flui ao longo do tubo sob a influência da gravidade e da tensão de cisalhamento do fluxo de vapor. A espessura deste filme determina o coeficiente interno de transferência de calor-quanto mais espesso o filme, maior será a resistência térmica entre o vapor e a parede do tubo.
A espessura do filme depende da taxa de fluxo de condensado, do diâmetro do tubo e da orientação do tubo. Para uma determinada carga de condensado, um tubo de diâmetro menor tem uma película mais espessa (o condensado ocupa uma fração maior da seção-transversal) e um coeficiente de transferência de calor interno menor. Um tubo de diâmetro maior possui um filme mais fino e um coeficiente mais alto.
No entanto, tubos de maior diâmetro têm menor velocidade de vapor para o mesmo fluxo de massa, o que reduz a tensão de cisalhamento que ajuda a mover o condensado. A menor tensão de cisalhamento pode levar a uma película mais espessa perto da saída do tubo, compensando parcialmente o benefício do diâmetro. O diâmetro ideal do tubo equilibra esses efeitos concorrentes.
O cálculo da espessura do filme
Para fluxo laminar de condensado na parede interna de um tubo horizontal, a espessura do filme é: δ=(3 × μ × Γ / (ρ × (ρ - ρ_v) × g))^(1/3), onde μ é a viscosidade do condensado, Γ é o fluxo de massa do condensado por unidade de largura do perímetro do tubo, ρ é a densidade do condensado, ρ_v é a densidade do vapor e g é a gravidade.
O fluxo de condensado por unidade de largura é: Γ=m_cond / (π × D), onde m_cond é o fluxo de massa de condensado por tubo e D é o diâmetro interno do tubo. Um diâmetro maior espalha o mesmo fluxo de condensado por um perímetro maior, reduzindo Γ e afinando o filme.
Para um tubo de diâmetro interno de 10 mm transportando 1,5 kg/h de condensado, a espessura do filme na saída do tubo é de aproximadamente 0,15 mm. Para um tubo ID de 6 mm com a mesma carga de condensado, a espessura do filme é aproximadamente 0,22 mm a 50% mais espessa. O coeficiente interno de transferência de calor é proporcional a 1/δ, portanto o tubo menor tem aproximadamente 30% menor coeficiente interno.
| ID do tubo (mm) | Carga de condensado (kg/h) | Espessura do Filme na Saída (mm) | H interno (W/m²·K) | Risco de ponte |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 1.5 | 0.22 | 1,100 | Moderado (diâmetro pequeno) |
| 8 | 1.5 | 0.17 | 1,400 | Baixo |
| 10 | 1.5 | 0.15 | 1,600 | Baixo |
| 12 | 1.5 | 0.13 | 1,800 | Muito baixo |
Valores para tubo horizontal, filme laminar, vapor saturado de 3 barg.
O risco de ponte de condensado
Nos tubos horizontais, o condensado flui ao longo da parte inferior do tubo. Se a espessura do filme se tornar muito grande em relação ao diâmetro do tubo, o condensado poderá preencher o tubo-preenchendo toda a seção transversal-em algum ponto. Isso cria um jato de líquido que bloqueia o fluxo de vapor e causa golpe de aríete quando o jato é impulsionado pela pressão do vapor.
O risco de formação de ponte aumenta à medida que o diâmetro do tubo diminui e à medida que a carga de condensado aumenta. Para tubos com diâmetro interno de 6 mm, a ponte é uma preocupação em altas cargas de condensado (acima de aproximadamente 2 kg/h por tubo). Para tubos com diâmetro interno de 10 mm, a formação de ponte é improvável em cargas típicas de condensado para serviço de trocador de calor (0,5-3 kg/h por tubo). O diâmetro interno mínimo recomendado do tubo para tubos horizontais aquecidos a vapor é de 8 mm para fornecer margem adequada contra formação de pontes.
A recomendação de design
Para a maioria das aplicações de trocadores de calor de PTFE, um diâmetro interno do tubo de 8-10 mm (OD 10-12 mm com parede de 1 mm) fornece um bom equilíbrio entre transferência de calor interna, drenagem de condensado e resistência à formação de pontes. Tubos menores (6mm DI) podem ser usados para baixas cargas de condensado ou orientação vertical onde a gravidade auxilia na drenagem e a formação de pontes não é uma preocupação. Tubos maiores (acima de 12 mm de diâmetro interno) proporcionam melhor transferência de calor interna, mas aumentam o custo do tubo e reduzem a densidade da área superficial.
Resumo
O diâmetro do tubo afeta a espessura do filme condensado e o coeficiente interno de transferência de calor em um trocador de calor de PTFE. Diâmetros menores produzem filmes mais espessos e coeficientes internos mais baixos, e aumentam o risco de formação de pontes de condensado. Um diâmetro interno do tubo de 8 a 10 mm é recomendado para tubos horizontais. Os tubos verticais podem usar diâmetros menores porque a gravidade impede a formação de pontes. O diâmetro ideal equilibra a transferência interna de calor, a confiabilidade da drenagem e a densidade da área superficial.
Suporte de engenharia para seleção do diâmetro do tubo de PTFE está disponível mediante envio da carga de condensado por tubo, orientação do tubo, pressão do vapor e carga térmica necessária.
