A troca do comprimento do tubo-off
Tubos mais longos em um trocador de calor de PTFE de{0}}passagem única fornecem mais área de superfície por tubo, reduzindo o número de tubos necessários e simplificando o projeto do coletor. Mas tubos mais longos também aumentam a queda de pressão do vapor da entrada para a saída. A pressão na extremidade do condensado do tubo é menor do que na entrada do vapor. Como a temperatura de saturação do vapor diminui com a pressão, a força motriz efetiva da temperatura para a transferência de calor é reduzida ao longo do comprimento do tubo.
A relação entre o comprimento do tubo e a queda de pressão determina o comprimento máximo prático para um projeto de-passagem única. Além deste comprimento, a perda de temperatura de saturação na extremidade de saída reduz a transferência de calor na porção a jusante do tubo a um nível inaceitável.
O cálculo da queda de pressão
A queda de pressão do vapor em um tubo reto de PTFE é calculada a partir da equação de Darcy-Weisbach: ΔP=f × (L/D) × (ρ × v² / 2), onde f é o fator de atrito de Darcy, L é o comprimento do tubo, D é o diâmetro interno do tubo, ρ é a densidade do vapor e v é a velocidade do vapor.
Para fluxo de vapor em tubos lisos de PTFE, o fator de atrito depende do número de Reynolds. Em velocidades típicas de vapor de 5 a 20 m/s em tubos de diâmetro interno de 6 a 10 mm, o número de Reynolds é de 5.000 a 50.000 no regime turbulento. O fator de atrito para tubos lisos é de aproximadamente 0,02-0,03.
À medida que o vapor se condensa ao longo do tubo, a velocidade do vapor diminui. A queda de pressão não é linear com o comprimento-a seção a montante, com velocidade mais alta, tem uma queda de pressão por metro maior do que a seção a jusante.
| Comprimento do tubo (m) | Pressão de entrada (barg) | Pressão de saída (barg) | Queda de pressão (bar) | Temperatura de saturação de saída (graus) | Perda de LMTD (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 3.0 | 2.96 | 0.04 | 142.5 | 0.5 |
| 2.0 | 3.0 | 2.91 | 0.09 | 141.8 | 1.2 |
| 3.0 | 3.0 | 2.85 | 0.15 | 140.8 | 2.2 |
| 5.0 | 3.0 | 2.70 | 0.30 | 138.5 | 4.8 |
| 8.0 | 3.0 | 2.45 | 0.55 | 135.0 | 9.5 |
Calculado para tubo PTFE de 10 mm de diâmetro externo x 8 mm de diâmetro interno, fluxo de massa de vapor de 1,5 kg/h por tubo, pressão de entrada de 3 barg.
A diferença efetiva de temperatura
A redução na temperatura de saturação ao longo do tubo reduz o LMTD local na extremidade de saída. Se o fluido do processo estiver a 60 graus, o LMTD na entrada do tubo (vapor de 143 graus) será de aproximadamente 83 graus. Na saída do tubo com uma queda de pressão de 0,15 bar (tubo de 2,0 m), a temperatura do vapor é de 140,8 graus e o LMTD é de aproximadamente 80,8 graus -uma redução de 2,6%.
O LMTD médio ao longo do comprimento do tubo é usado para cálculos de transferência de calor. Para um tubo de 2,0 m, o LMTD médio é de aproximadamente 82 graus. Para um tubo de 5,0 m com uma queda de pressão de 0,30 bar, o LMTD médio cai para aproximadamente 79 graus -uma redução de 5% em relação ao caso de 2,0 m.
A perda de LMTD significa que um tubo mais longo proporciona menos transferência de calor por unidade de comprimento do que um tubo mais curto. A transferência total de calor aumenta com o comprimento, mas com rendimentos decrescentes.
O comprimento máximo prático do tubo
O comprimento máximo prático do tubo para um trocador de calor de PTFE de{0}}passagem única é de aproximadamente 3-4 metros. Além desse comprimento, a penalidade de queda de pressão-tanto a perda de LMTD quanto o aumento da contrapressão no purgador de vapor compensam a área de superfície adicional. Para aplicações que exigem mais área de superfície, vários tubos mais curtos em paralelo são preferidos a menos tubos mais longos.
Para projetos verticais de passagem única-, onde o condensado é drenado por gravidade e o fluxo de-vapor condensado é co-descendente, comprimentos de tubo de até 5 metros podem ser aceitáveis porque a gravidade auxilia na drenagem e reduz o componente de queda de pressão-relacionado ao condensado.
Resumo
A queda de pressão do vapor em um tubo trocador de calor de PTFE de passagem única aumenta com o comprimento do tubo, reduzindo a temperatura de saturação na saída e o LMTD efetivo. O comprimento máximo prático do tubo é de 3 a 4 metros para tubos horizontais e de até 5 metros para projetos de fluxo descendente de co-corrente vertical. Além desses comprimentos, a diminuição do retorno da transferência de calor e o aumento da contrapressão no sistema de condensado favorecem vários tubos mais curtos em paralelo.
O suporte de engenharia para a otimização do comprimento do tubo do trocador de calor PTFE está disponível mediante envio da pressão do vapor, da carga térmica, das dimensões do tubo e da temperatura do fluido do processo.
