A superfície vítrea-lisa de um tubo de PTFE parece escorregadia ao toque, e essa sensação se traduz diretamente na dinâmica dos fluidos dentro de um trocador de calor. Quando água ou solução química corre pela parte externa desses tubos, a resistência hidráulica é ligeiramente menor do que seria em tubos metálicos ásperos ou oxidados. Embora a diferença possa parecer sutil à primeira vista, o efeito cumulativo pode reduzir a queda de pressão no lado-do casco e melhorar ligeiramente a eficiência-do trocador a longo prazo.
A relação entrePermutador de PTFE com queda de pressão lateral da carcaça e suavidade do tuboo desempenho está enraizado em um princípio fundamental: superfícies mais lisas geram menos arrasto friccional durante o fluxo do fluido.
Por que a rugosidade da superfície é importante no fluxo do trocador de calor
Em um trocador-e{1}}de tubos, o fluido que flui através do feixe de tubos encontra resistência de:
Geometria do tubo
Arranjo defletor
Velocidade de fluxo
Viscosidade do fluido
Atrito superficial ao longo das paredes do tubo
Parte da queda total de pressão vem da energia perdida quando o fluido que flui entra em contato com as superfícies do tubo. Em escala microscópica, superfícies rugosas criam saliências e fendas que perturbam a camada limite e aumentam a intensidade da turbulência perto da parede.
À medida que a rugosidade da superfície aumenta, as perdas por atrito também aumentam.
O PTFE se comporta de maneira diferente porque sua superfície é excepcionalmente lisa.
A natureza ultra{0}suave dos tubos de PTFE
O PTFE é naturalmente anti-aderente e altamente polido em nível microscópico. Os valores típicos de rugosidade do tubo de PTFE geralmente estão abaixo:
Rá<0.5 μmR_a<0.5\ \mu mRa<0.5 μm
Este nível de rugosidade é significativamente mais suave do que muitos tubos metálicos industriais, especialmente após exposição à corrosão, incrustação ou oxidação.
A superfície polida permite que o fluido deslize com menos arrasto, reduzindo a resistência dentro da camada limite turbulenta.
Embora o fluxo lateral-do casco seja fortemente influenciado pela geometria do feixe e pelos efeitos de fluxo cruzado, a condição da superfície do tubo ainda contribui de forma mensurável para as perdas hidráulicas totais.
Fator de Fricção e Gráfico Moody
O efeito da rugosidade da superfície torna-se especialmente importante no fluxo turbulento.
O conhecido-gráfico do fator de atrito da Moody demonstra que o fator de atrito varia com ambos:
Número de Reynolds
Rugosidade relativa
Na região turbulenta, superfícies mais rugosas projetam-se através da subcamada viscosa e geram turbulência adicional perto da parede. Isso aumenta a dissipação de energia e aumenta a queda de pressão.
Superfícies lisas se comportam de maneira diferente.
À medida que a rugosidade relativa se aproxima de zero, o fator de atrito se move em direção ao limite inferior da curva-tubo suave no gráfico Moody.
Os tubos de PTFE operam muito próximos a essa condição-de superfície lisa.
Como o PTFE reduz a queda de pressão lateral-da carcaça
Em trocadores de casco-e-de tubos, o fluxo lateral-do casco passa por grandes feixes de tubos compactados. A queda de pressão total depende de interações repetidas de aceleração, desaceleração e atrito à medida que o fluido navega pelo feixe.
Como as superfícies de PTFE apresentam rugosidade extremamente baixa, as perdas por atrito ao longo das paredes do tubo são ligeiramente reduzidas em comparação com tubos metálicos equivalentes com acabamentos de superfície industriais típicos.
O efeito resultante é geralmente modesto e não dramático.
Sob condições de fluxo turbulento, a redução pode traduzir-se em:
Queda de pressão lateral do casco-alguns por cento menor
Eficiência hidráulica ligeiramente melhorada
Energia de bombeamento reduzida durante longos períodos de operação
A melhoria depende de diversas variáveis:
Regime de fluxo
Viscosidade do fluido
Passo do tubo
Geometria do pacote
Rugosidade relativa do material de comparação
Embora o efeito possa não dominar o projeto do trocador, continua sendo uma vantagem hidráulica consistente.
Por que o efeito é mais perceptível no fluxo turbulento
No fluxo laminar, as forças viscosas dominam e a rugosidade da superfície desempenha um papel menor porque as camadas de fluido permanecem relativamente ordenadas.
No escoamento turbulento, entretanto, os elementos de rugosidade interagem diretamente com redemoinhos e flutuações da camada limite.
Esta interação aumenta a tensão de cisalhamento na parede.
Como os trocadores industriais-do lado da carcaça geralmente operam em condições turbulentas para maximizar a transferência de calor, a vantagem de suavidade do PTFE se torna mais significativa em serviços práticos.
Uma velocidade de fluxo mais alta geralmente amplifica a importância dos efeitos de rugosidade relativa.
Uma vantagem de bombeamento pequena, mas útil
A melhoria hidráulica da suavidade do PTFE é geralmente incremental e não transformadora, mas ainda assim oferece valor prático.
A queda de pressão no lado inferior-do casco pode permitir:
Dimensionamento da bomba um pouco menor
Consumo reduzido de energia da bomba
Maior vazão alcançável dentro da mesma curva da bomba
Maior flexibilidade operacional
Em grandes instalações de processos{0}}contínuos, mesmo pequenas reduções de pressão podem se acumular em economias de energia mensuráveis-de longo prazo.
Esta vantagem torna-se especialmente atraente quando combinada com os principais pontos fortes do PTFE:
Resistência à corrosão
Inércia química
Resistência a incrustações
O benefício hidráulico atua, portanto, como um bônus de desempenho adicional e não como o principal critério de seleção.
Tendência de incrustação reduzida em superfícies lisas de PTFE
A textura microscópica da superfície também influencia o comportamento de incrustação.
Superfícies rugosas contêm vales e fendas onde partículas, filmes biológicos ou sólidos precipitados podem ancorar-se mais facilmente. Uma vez formados os depósitos iniciais, a incrustação adicional tende a acumular-se progressivamente.
A superfície lisa do PTFE reduz esses pontos de fixação.
Como resultado:
Os depósitos aderem de forma menos agressiva
A limpeza fica mais fácil
Camadas incrustantes podem se desenvolver mais lentamente
Esta característica é particularmente valiosa em serviços químicos, tratamento de águas residuais e fluxos de processo contendo sólidos suspensos ou compostos incrustantes.
Embora a incrustação não possa ser totalmente eliminada, superfícies mais lisas reduzem a probabilidade de depósitos se enraizarem profundamente na superfície do material.
Rugosidade superficial comparada com metais industriais
O aço inoxidável recentemente polido pode atingir acabamentos relativamente lisos, mas as condições operacionais industriais muitas vezes alteram as superfícies metálicas ao longo do tempo através de:
Corrosão
Oxidação
Dimensionamento
Ataque químico
Erosão
O PTFE mantém suas características de superfície de baixo{0}}fricção de forma mais consistente porque não oxida nem corrói no sentido metálico convencional.
Essa estabilidade superficial-de longo prazo ajuda a preservar o desempenho hidráulico durante toda a vida útil do trocador.
Equilibrando o desempenho hidráulico e térmico
Embora o PTFE ofereça vantagens de suavidade hidráulica, a seleção do trocador ainda deve levar em conta as limitações de condutividade térmica.
Comparado com os metais, o PTFE tem uma condutividade térmica relativamente baixa. Como resultado, os trocadores de PTFE são normalmente selecionados principalmente pela resistência à corrosão, em vez da máxima eficiência de transferência de calor.
No entanto, o fator de atrito inferior-do lado do casco compensa parcialmente algumas penalidades operacionais, reduzindo ligeiramente as demandas de bombeamento.
Em aplicações corrosivas onde o PTFE já é necessário para compatibilidade química, o comportamento hidráulico mais suave torna-se um benefício operacional adicional.
Conclusão
A superfície inerentemente lisa dos tubos de PTFE oferece uma vantagem hidráulica pequena, mas consistente, em trocadores de calor de casco-e-tubo. Ao operar próximo ao limite de superfície-suave da relação do fator de atrito Moody, a tubulação de PTFE gera uma resistência ao atrito ligeiramente menor durante o fluxo turbulento no lado do casco-em comparação com alternativas metálicas mais ásperas.
A redução resultantePermutador de PTFE com queda de pressão lateral da carcaça e suavidade do tuboa operação pode permitir custos de bombeamento marginalmente mais baixos, capacidade de fluxo melhorada e tendência reduzida de incrustação ao longo da vida útil do trocador.
Embora a resistência à corrosão continue sendo a principal razão pela qual o PTFE foi selecionado, a escorregadia natural do material também contribui silenciosamente para melhorar o comportamento hidráulico.
No projeto de sistemas térmicos, as propriedades dos materiais influenciam não apenas a resistência à corrosão, mas também a forma como os fluidos se movem através do próprio equipamento.
