Sovint es representa un intercanviador de carcassa i tub com un feix de tubs petits tancats dins d'una carcassa cilíndrica més gran. La forma externa és senzilla i robusta. A l'interior, però, es desenvolupa un procés de transferència de calor curosament dissenyat. Dos fluids entren a temperatures diferents, viatgen per passatges separats i surten amb estats tèrmics alterats-sense barrejar-se mai.
Entendre com passa això requereix una mirada més propera al disseny de la carcassa i el tub, els camins de flux al costat del tub i al costat de la carcassa i els mecanismes que permeten que la calor es mogui de manera eficient a través de les parets del tub de PTFE.
El costat del tub: flux controlat a través de múltiples passades
En un intercanviador de calor de carcassa i tub de PTFE típic, un fluid-sovint el flux de procés corrosiu-flueix dins dels tubs. Aquest camí s'anomena costat del tub. El fluid entra a través d'un cap de canal, es distribueix en molts tubs de PTFE paral·lels i recorre la longitud de l'intercanviador.
En lloc de fluir directament una vegada, el fluid pot seguir una disposició de flux de múltiples-passes. En una configuració de dos-passes, per exemple, el fluid viatja a l'extrem més llunyà de l'intercanviador, inverteix la direcció dins d'un cap de canal dividit i torna a través d'un conjunt diferent de tubs. Les passades addicionals augmenten la longitud efectiva del camí.
El flux de-passes múltiples té dos propòsits. En primer lloc, augmenta el temps de residència, donant més oportunitats per a la transferència de calor. En segon lloc, augmenta la velocitat dins de cada tub. Una velocitat més alta millora el coeficient de convecció afavorint la turbulència i reduint el gruix de la capa límit a la paret del tub. La convecció millorada millora el rendiment tèrmic general.
Els tubs de PTFE solen tenir un diàmetre relativament petit. Una pregunta comuna es refereix a aquesta elecció. Els tubs més petits permeten que més tubs encaixin dins de la carcassa, augmentant la superfície total de transferència de calor. Això compensa la menor conductivitat tèrmica del PTFE en comparació amb els metalls. El disseny aconsegueix una gran densitat de superfície en una empremta compacta.
El costat de la carcassa: flueix al voltant del paquet de tubs
El segon fluid flueix pel costat de la closca, és a dir, viatja per l'espai entre les superfícies exteriors dels tubs i la paret interior de la carcassa. La closca no és una cavitat buida. Conté estructures internes anomenades deflectors.
Els deflectors realitzen diverses funcions crítiques. Donen suport mecànicament al feix de tubs, evitant vibracions i mantenint l'alineació. Més important encara, dirigeixen el fluid-del costat de la closca a través dels tubs en lloc de permetre que flueixi directament de l'entrada a la sortida.
Sense deflectors, el fluid-del costat de la closca tendiria a seguir el camí de menor resistència, canalitzant-se a través de zones obertes i passant gran part de la superfície del tub. Això reduiria la transferència de calor efectiva. En forçar el fluid a fluir cap endavant i cap enrere a través del feix de tubs en un patró en ziga-zaga, els deflectors augmenten la turbulència i milloren el contacte entre el fluid i les superfícies del tub.
A la pràctica, el disseny del deflector és fonamental. Si s'instal·len massa pocs deflectors, la canalització redueix l'eficiència de la transferència de calor. Si s'utilitzen massa, la caiguda de pressió al costat de la carcassa pot arribar a ser excessiva, augmentant els costos de bombeig i limitant potencialment el cabal. El disseny efectiu de carcassa i tub equilibra el rendiment tèrmic i la resistència hidràulica.
La ruta de transferència de calor: pas a pas
Dins de l'intercanviador, la transferència de calor segueix una seqüència consistent.
En primer lloc, la convecció es produeix al costat del tub. L'energia tèrmica es mou des del fluid a granel dins del tub fins a la paret interior de PTFE. La velocitat depèn de la velocitat del flux, les propietats del fluid i la turbulència.
En segon lloc, la conducció transporta la calor a través de la fina paret del tub de PTFE. Tot i que el PTFE té una conductivitat tèrmica més baixa que els metalls, el gruix de la paret es redueix al mínim per reduir la resistència tèrmica. El pas de conducció connecta els dos fluids sense permetre que es barregin.
En tercer lloc, la convecció es torna a produir al costat de la closca. La calor es transfereix des de la superfície exterior del tub al fluid del costat de la closca-que hi flueix. La turbulència induïda-deflector millora aquest pas renovant contínuament el fluid a la superfície del tub.
Aquesta seqüència-convecció, conducció, convecció-es repeteix contínuament al llarg de cada tub. Cada petit segment de tub aporta una fracció de la transferència de calor total. El servei global de l'intercanviador és igual a la suma d'aquestes transferències incrementals a través de tota la superfície de transferència de calor.
Perfils de temperatura i disposició del cabal
A mesura que els fluids es mouen, la seva temperatura canvia. El corrent calent es refreda al llarg de la longitud del tub. El corrent fred s'escalfa a mesura que travessa successives finestres deflectores.
Molts intercanviadors de carcassa i tub funcionen en configuració a contracorrent, és a dir, el fluid-del costat de la carcassa entra per l'extrem oposat de l'entrada del costat del tub-. El contracorrent manté una diferència de temperatura mitjana més alta al llarg de l'intercanviador, millorant l'eficiència en comparació amb el flux paral·lel.
La diferència de temperatura entre els fluids és més alta a prop de la regió d'entrada on interactuen primer els corrents freds i calents. A mesura que es transfereix energia, aquesta diferència disminueix gradualment cap a la sortida. El perfil de temperatura interna reflecteix el resultat acumulat dels esdeveniments locals de transferència de calor.
Per què el disseny de carcassa i tub és comú per a les aplicacions de PTFE
El disseny de la carcassa i el tub ofereix diversos avantatges en entorns corrosius. El feix de tubs proporciona una àmplia superfície de transferència de calor dins d'una closca que conté una forta pressió-. Els tubs de PTFE ofereixen una resistència química excepcional, protegint contra àcids, àlcalis i fluids de procés agressius que degradarien ràpidament els components metàl·lics.
La separació mecànica del costat del tub i del costat de la carcassa permet utilitzar diferents materials quan sigui necessari. El costat del tub pot ser completament de PTFE per a la resistència a la corrosió, mentre que la carcassa i els components estructurals es poden construir amb acer o altres materials robusts.
Aquesta modularitat, combinada amb l'escalabilitat i el rendiment provat, explica per què les configuracions de carcassa i tub s'utilitzen àmpliament en el processament químic, galvanoplastia i altres condicions de servei dures.
Una solució robusta i versàtil
Un intercanviador de calor de PTFE de carcassa i tub funciona guiant un fluid a través dels tubs i un altre al seu voltant, forçant una interacció controlada a través de camins de flux dissenyats. Impedeix el moviment-lateral de la carcassa, el flux de múltiples-passes optimitza el rendiment-lateral del tub i les parets primes de PTFE permeten que la calor passi tot mantenint l'aïllament químic.
El resultat és una gran superfície de transferència de calor tancada en un paquet durador, capaç de manejar fluids corrosius de manera fiable. Per a dipòsits oberts i instal·lacions més senzilles, un altre enfocament-la bobina d'immersió-ofereix una configuració i un conjunt d'avantatges diferents, ampliant la gamma de solucions de transferència de calor de PTFE més enllà del disseny de la carcassa i el tub.
