Un repte freqüent en les indústries de processos corrosius sorgeix quan s'ha d'especificar un nou servei de calefacció o refrigeració àcid. L'enginyer de processos pot tenir els cabals necessaris i les temperatures d'entrada/sortida, però pot ser poc clar traduir aquests valors en una especificació d'equip significativa per a un intercanviador de calor de PTFE. Sense un càlcul estructurat de càrrega de calor, la selecció de l'intercanviador corre el risc de basar-se en conjectures més que en una enginyeria sòlida.
El punt de partida per a una selecció adequada és la determinació de la càrrega tèrmica{0}}també anomenada càrrega tèrmica. Un cop establerta la càrrega de calor, es converteix en la base quantitativa per dimensionar l'intercanviador i seleccionar-ne la configuració.
Pas 1: establiu el càlcul de càrrega de calor
L'equació fonamental per a la transferència de calor sensible és:
Q=m × Cp × ΔT
On:
Q=càrrega de calor (kW o BTU/h)
m=cabal massiu (kg/s o lb/h)
Capacitat calorífica específica de Cp=(kJ/kg·K o BTU/lb· grau F)
ΔT=canvi de temperatura del fluid de procés
Cada terme s'ha de determinar amb precisió.
Caudal i cabal massiu
El cabal està sovint disponible com a cabal volumètric (m³/h o GPM). Com que l'equació requereix un flux de massa, s'ha d'utilitzar la densitat per a la conversió:
m=ρ × cabal volumètric
Per a fluids corrosius com ara àcids o corrents químics mixtes, la densitat varia amb la concentració i la temperatura. Es poden obtenir valors de densitat fiables a partir de fulls de dades de proveïdors de productes químics, manuals d'enginyeria o programari de simulació de processos.
A la pràctica, la font d'error més comuna en el càlcul de la càrrega de calor són les dades de cabal inexactes. És possible que les corbes de la bomba no reflecteixin les condicions reals de funcionament i que la instrumentació instal·lada no estigui calibrada. La verificació del cabal-mitjançant mesuradors de cabal temporals o instrumentació validada-sovint evita un sobredimensionament o una subdimensionament significatius.
Capacitat calorífica específica (Cp)
La capacitat calorífica específica representa la quantitat d'energia necessària per canviar la temperatura d'una unitat de massa en un grau. Per a l'aigua, Cp és ben conegut. Per a àcids corrosius, mescles de dissolvents o productes químics especials, el Cp s'ha d'obtenir a partir de dades del proveïdor, mesures de laboratori o bases de dades termodinàmiques.
Els reptes sorgeixen quan es tracta de fluxos de composició mixtes o variables-. En aquests casos, és possible que s'hagi d'estimar el Cp a partir de mitjanes ponderades o calcular-lo mitjançant eines de simulació de processos. Per a la mida preliminar, es recomana fer supòsits conservadors, però el disseny final s'ha de basar en dades de propietat validades en el rang de temperatura rellevant.
Canvi de temperatura (ΔT)
La diferència de temperatura es defineix normalment pels requisits del procés. Per a la calefacció, ΔT és igual a la temperatura de sortida menys la temperatura d'entrada. Per a la refrigeració, és a la inversa. Els objectius de temperatura s'han de confirmar en comparació amb l'equilibri general de calor del procés per garantir la coherència amb els equips aigües amunt i aigües avall.
Un matís crític és si la funció és la calefacció o la refrigeració. La magnitud de la càrrega de calor pot ser idèntica per a un determinat ΔT, però les tasques de calefacció poden requerir vapor o oli tèrmic, mentre que les tasques de refrigeració poden implicar aigua refrigerada o aigua de refrigeració. Aquestes utilitats influeixen en la força motriu de la temperatura i la configuració de l'intercanviador.
Pas 2: tradueix la càrrega de calor a la mida de l'intercanviador
Un cop calculat Q, el següent pas connecta la càrrega de calor amb la mida de l'intercanviador físic mitjançant:
Q=U × A × LMTD
On:
U=coeficient global de transferència de calor (W/m²·K)
Un=àrea de transferència de calor necessària (m²)
LMTD=logaritme de diferència de temperatura mitjana entre fluids calents i freds
Determinació de LMTD
L'LMTD depèn de les temperatures d'entrada i sortida dels corrents de procés i d'utilitat. S'han d'establir perfils de temperatura precisos, incloent-hi els cabals de subministrament suficients per absorbir o subministrar la càrrega de calor calculada.
Per als intercanviadors de calor-i-tubs de PTFE, la disposició del flux (contracorrent, multipass) afecta la diferència de temperatura efectiva. Es poden requerir factors de correcció si la configuració es desvia del contracorrent pur.
Selecció d'un valor U-adequat
El coeficient global de transferència de calor reflecteix les resistències combinades:
Process-convecció lateral
Conducció de paret del tub (PTFE)
Convecció del costat d'utilitat{0}
Capes de contaminació
El PTFE té una conductivitat tèrmica significativament més baixa que els metalls, la qual cosa resulta en valors U- inferiors en comparació amb els intercanviadors d'acer inoxidable. Per a moltes aplicacions d'aigua-àcida, els valors preliminars de U-poden caure en el rang de 200 a 400 W/m²·K, tot i que els valors reals depenen de les velocitats, viscositats i factors de contaminació.
La selecció conservadora del valor U-ajuda a evitar la subdimensionament, però s'ha d'equilibrar amb les limitacions de cost i caiguda de pressió.
Pas 3: Inclou l'encrassement i el marge de disseny
La resistència a la contaminació redueix la transferència efectiva de calor al llarg del temps. Fins i tot en serveis corrosius amb peces mullades de PTFE, es poden produir descamació o deposició al costat de la instal·lació. Els factors de contaminació s'incorporen al valor U-suposat o s'inclouen explícitament en els càlculs de resistència.
Normalment, s'aplica un marge de disseny-sovint del 10 al 20% d'àrea addicional- per tenir en compte les incerteses de les propietats del fluid, la variació del cabal i els canvis operatius futurs. Un marge excessiu, però, pot augmentar el cost de capital innecessàriament.
Pas 4: Confirmeu la viabilitat hidràulica i mecànica
Després de calcular l'àrea requerida, l'intercanviador proposat s'ha d'avaluar per a la caiguda de pressió, la velocitat del flux i els límits mecànics. Els tubs de PTFE tenen classificacions de pressió que depenen de la temperatura-i la velocitat afecta tant la transferència de calor com el risc d'erosió.
El dimensionament tèrmic i el disseny hidràulic s'han de considerar conjuntament. Un intercanviador que compleix el deure tèrmic però supera la caiguda de pressió permesa no és viable.
Conclusió
El càlcul precís de la càrrega de calor és la base no-negociable de la selecció adequada de l'intercanviador de calor de PTFE. La verificació fiable del cabal, les dades de capacitat tèrmica específiques validades i l'equilibri tèrmic del procés coherent garanteixen que el servei tèrmic es defineix correctament. Aleshores, aquesta càrrega de calor condueix a l'estimació de la superfície mitjançant la relació Q=U × A × LMTD, incorporant valors U- realistes, factors de contaminació i marge de disseny.
Per a processos complexos que impliquen múltiples corrents d'interacció o oportunitats de recuperació de calor, un estudi exhaustiu d'integració de calor pot revelar possibilitats d'optimització més enllà dels càlculs de treball individuals. Una metodologia sòlida en l'etapa de càrrega de calor determina finalment si l'intercanviador seleccionat ofereix un rendiment fiable i eficient.
