Qual è il vantaggio di utilizzare un design multi-passaggio per uno scambiatore in PTFE con un approccio a temperatura ridotta?

Uno dei lavori termici più difficili è un approccio rigido alla temperatura, in cui l'uscita fredda deve essere calda quasi quanto l'entrata calda. Uno scambiatore in PTFE a passaggio singolo dovrebbe avere un’ampia area di trasferimento del calore a causa della bassa velocità e della cattiva correzione LMTD. La suddivisione del flusso in più passaggi comporta una modifica fondamentale dell'equilibrio idraulico e termico.

Sfida termica per applicazioni di avvicinamento-di prossimità
In un lavoro con scambiatore in PTFE multi passaggio con approccio ristretto alla temperatura, il fattore limitante non è solo il carico termico ma anche la piccola differenza di temperatura disponibile per favorire il trasferimento di calore. Quando la temperatura di avvicinamento diminuisce, la quantità di superficie di trasferimento del calore richiesta aumenta rapidamente.

Nel caso di una configurazione a passaggio singolo-, la velocità sul lato del tubo è spesso più lenta, poiché il flusso viene condiviso tra tutti i tubi disponibili contemporaneamente. Ciò si traduce in numeri di Reynolds più bassi, turbolenza più debole e coefficiente di trasferimento di calore più basso. Allo stesso tempo, il fattore di regolazione LMTD potrebbe essere meno favorevole a causa dello scarso comportamento incrociato della temperatura nelle configurazioni lunghe a passaggio singolo.

Il risultato netto è un grande ingombro dello scambiatore che diventa proibitivo per molte installazioni.

Design multi-passaggio per prestazioni termiche migliorate
Maggiore velocità sul lato del tubo
In una disposizione multi-passaggio , il numero totale di tubi disponibili per ogni passaggio viene ridotto . Di conseguenza, la stessa portata viene convogliata attraverso una regione di flusso più piccola in ciascun passaggio.

Ciò aumenta la velocità laterale del tubo che aumenta immediatamente il numero di Reynolds. Un grande miglioramento nel trasferimento di calore convettivo si ottiene perché i coefficienti di trasferimento di calore del flusso interno dipendono fortemente dal numero di Reynolds.

In pratica aumenta l’intensità della turbolenza, diminuisce lo spessore dello strato limite e diminuisce la resistenza al calore sul lato tubo.

Migliore utilizzo del trasferimento di calore efficace
È prevista una penalità in termini di riduzione del fattore di correzione LMTD con un sistema multi-pass. Tuttavia, in condizioni di avvicinamento stretto, questa penalità viene generalmente compensata. Questo perché il coefficiente di trasferimento del calore domina quando le variazioni di temperatura sono minime.

All’aumentare della velocità, il miglioramento delle prestazioni di trasferimento del calore solitamente supera la perdita dovuta alla correzione LMTD. Ciò si traduce in un miglioramento complessivo dell'efficacia dello scambiatore e nell'ottenimento dello stesso rendimento termico con una superficie ridotta.

Questa configurazione di approccio stretto alla temperatura dello scambiatore in PTFE multi passaggio consente situazioni di incrocio di temperature più strette senza gravi incrostazioni delle apparecchiature.

Considerazioni meccaniche e compromessi-
I progetti multi-passaggio introducono complessità idraulica e meccanica. La caduta di pressione sul lato del tubo aumenta con il numero di cambiamenti di direzione del flusso e con la lunghezza effettiva del percorso del flusso. Anche la distribuzione lato mantello deve essere in grado di far fronte a soluzioni di aspirazione e scarico sempre più complesse.

Ciò aumenta l’importanza della progettazione dell’intestazione, poiché il flusso deve essere equamente distribuito tra i passaggi per evitare maldistribuzioni e sottoprestazioni localizzate.

Devono essere presi in considerazione anche i fattori di stress termico. Passaggi multipli producono differenze di temperatura lungo la lunghezza del tubo che possono produrre differenziali di espansione. In realtà il PTFE è abbastanza flessibile e può sopportare molta dilatazione termica, quindi lo stress meccanico è molto meno preoccupante rispetto agli scambiatori metallici.

Il design del collettore deve essere adeguato per consentire lo sviluppo termico e il movimento senza limitare l'integrità del tubo.

Quadro di progettazione e standard
Le configurazioni multi-passaggio sono ampiamente consolidate negli standard di progettazione degli scambiatori di calore come TEMA, dove i fattori di correzione di LMTD vengono forniti in base alla disposizione dei passaggi e alla configurazione del flusso. Questi parametri sono importanti per la corretta previsione delle prestazioni termiche in geometrie di flusso non-ideali.

La convalida del progetto spesso comporta calcoli termici e idraulici iterativi per soddisfare contemporaneamente i requisiti di caduta di pressione e trasferimento di calore.

Equilibrio di progetto sotto vincoli operativi
L'obiettivo principale della progettazione è ottenere una caduta di pressione e una complessità meccanica accettabili, pur mantenendo le prestazioni migliorate di trasferimento di calore. La scelta è spesso la configurazione a 2 o 4 passaggi, come equilibrio tra miglioramento della velocità e semplicità del sistema.

Ciò è compensato dal maggiore coefficiente di trasferimento del calore e dai minori requisiti di superficie nonostante l'aumento della caduta di pressione, soprattutto nei sistemi ad accoppiamento stretto o nei sistemi con spazio limitato.

In sintesi
Per gli scambiatori di calore in PTFE, le topologie multi-passaggio sono una soluzione efficace e comunemente utilizzata quando il servizio termico richiede un approccio ristretto alla temperatura.

Ciò costringe il fluido a intraprendere un percorso più lungo e più regolato consentendo allo scambiatore di funzionare in modo più efficiente con un ingombro ridotto. Ciò rende la progettazione multi-passaggio un metodo vitale per fornire uno scambio termico ad alte-prestazioni con rigorosi limiti di temperatura.