El repte del càlcul a l'aire lliure
Un intercanviador de calor de PTFE instal·lat a l'exterior experimenta temperatures ambientals que oscil·len entre 15 i 20 graus entre el dia i la nit i entre 30 i 40 graus entre l'estiu i l'hivern. La pèrdua de calor de l'intercanviador i les seves canonades d'interconnexió a l'entorn varia proporcionalment. Un disseny que només té en compte la temperatura mitjana de l'hivern pot ser subdimensionat durant una olla de fred. Un disseny per a la capacitat de residus de temperatura mínima extrema durant el funcionament normal.
El càlcul de la pèrdua de calor ha de tenir en compte tant la diferència de temperatura mitjana que provoca la pèrdua de calor com la pèrdua màxima que determina la capacitat màxima requerida de l'intercanviador. També ha d'abordar el risc de congelació durant l'aturada, quan no s'introdueix calor i l'intercanviador es refreda a temperatura ambient.
A diferència dels intercanviadors metàl·lics, el PTFE té un marge de seguretat contra danys per congelació. El fluoropolímer flexible permet l'expansió de l'aigua congelada sense fracturar-una propietat que influeix en l'estratègia de protecció contra la congelació.
Els components de pèrdua de calor
La pèrdua de calor d'una instal·lació exterior d'intercanviador de calor de PTFE té tres components. La pèrdua del cos del tanc o de l'intercanviador es produeix des de les superfícies exposades del dipòsit o la carcassa de l'intercanviador a l'aire ambient. La taxa de pèrdua depèn de la superfície, la diferència de temperatura entre el fluid de procés i l'aire ambiental i el coeficient de transferència de calor global a través de qualsevol aïllament més la pel·lícula d'aire exterior.
Les pèrdues de canonades d'interconnexió es produeixen a partir de la-tubada del terra entre l'intercanviador i el procés. Fins i tot amb aïllament, cada metre de canonada aporta una pèrdua de calor mesurable. La pèrdua total de la canonada depèn de la longitud de la canonada exposada i de la diferència de temperatura.
La pèrdua-del vent augmenta el coeficient de transferència de calor externa. Un vent de 5 m/s pot duplicar la pèrdua de calor en comparació amb l'aire quiet. Les dades del vent del lloc d'instal·lació s'han d'incloure en el càlcul de la pèrdua de calor.
Taula 1: Factors de càlcul de pèrdues de calor per condicions ambientals (fluid de procés de 50 graus, superfície exposada de 10 m², aïllament de llana mineral de 25 mm)
| Condició ambiental | Diferència de temperatura (graus) | Velocitat del vent (m/s) | Coeficient de pel·lícula externa (W/m²·K) | Pèrdua de calor (kW) | Percentatge del deure de disseny (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tarda d'estiu (35 graus, encara) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| Nit d'estiu (22 graus, encara) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| Tarda d'hivern (10 graus, ventós) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| Nit d'hivern (-5 graus, ventós) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| Onada de fred (-20 graus, vent) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| Mínim extrem (-30 graus, vent) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
Els valors de pèrdua de calor per a la superfície del dipòsit no aïllada serien 4-6 vegades més alts. L'aïllament és essencial per a instal·lacions exteriors.
L'optimització de l'aïllament
Els càlculs de pèrdues de calor guien la selecció del gruix de l'aïllament. L'òptim econòmic equilibra el cost d'un aïllament més gruixut amb el valor de l'energia estalviada durant la vida útil de l'equip. Per a instal·lacions exteriors en climes freds, el càlcul sovint dóna lloc a gruixos d'aïllament de 50-75 mm.
L'aïllament ha d'estar impermeable. L'aïllament exterior exposat a la pluja, la neu i els raigs UV es degrada ràpidament sense un revestiment protector. El recobriment d'alumini o d'acer inoxidable protegeix l'aïllament i proporciona una superfície duradora i netejable. Totes les juntes s'han de segellar per evitar l'entrada d'aigua, que destrueix l'eficàcia de l'aïllament.
Els intercanviadors de PTFE presenten un repte específic d'aïllament a les connexions de brida i als punts d'accés de capçalera. El sistema d'aïllament ha de permetre l'accés periòdic per a la inspecció i manteniment sense que es faci malbé durant la retirada i substitució. Les mantes aïllants extraïbles en aquests llocs proporcionen l'accés necessari.
Estratègia de protecció contra congelació
Quan un intercanviador de calor de PTFE exterior s'apaga a l'hivern, el fluid de procés atrapat dins dels tubs es pot congelar. L'aigua s'expandeix aproximadament un 9% quan es congela, generant pressió que pot dividir tubs i recipients rígids.
Els tubs de PTFE permeten l'expansió del gel sense fracturar-se. L'allargament del material a la ruptura supera el 200% i la seva flexibilitat a baixes temperatures-PTFE continua sent dúctil fins a -200 graus -permet que el tub s'expandeixi amb l'aigua congelada. Tanmateix, les capçaleres metàl·liques, les brides i les canonades d'interconnexió connectades a l'intercanviador de PTFE no comparteixen aquesta tolerància a la congelació.
Per tant, l'estratègia de protecció contra la congelació se centra en els components metàl·lics. El traçat de calor de canonades, capçals i vàlvules metàl·liques exposades evita la congelació durant l'aturada. Els propis tubs de PTFE no requereixen protecció contra la congelació, tot i que el líquid dins dels tubs s'ha de drenar o deixar que circuli lentament si persisteixen les condicions de congelació.
Resum
Els canvis de temperatura ambiental afecten les instal·lacions d'intercanviador de calor de PTFE a l'aire lliure mitjançant la pèrdua de calor variable que s'ha d'acomodar pel dimensionament de l'intercanviador. El gruix de l'aïllament està optimitzat per al clima local, amb un revestiment impermeable essencial per a la durabilitat. Els efectes del vent sobre la pèrdua de calor són importants i s'han d'incloure en els càlculs.
Els tubs de PTFE toleren l'expansió per congelació sense danys, proporcionant una protecció inherent contra les conseqüències més greus de les parades hivernals. Els esforços de protecció contra congelació se centren en components metàl·lics del sistema connectats a l'intercanviador de PTFE.
Les recomanacions d'enginyeria per a l'aïllament de l'intercanviador de calor de PTFE a l'aire lliure i el disseny de protecció contra la congelació estan disponibles després de l'enviament de dades meteorològiques del lloc, propietats del fluid de procés, perfils de temperatura d'operació i apagada i disseny de canonades.
