Como o uso de inserções de fita torcida feitas de material condutor (por exemplo, metal) afeta o desempenho em comparação com inserções de PTFE?

É uma fita simples torcida de PTFE que promove a transferência de calor girando o fluxo. Uma fita metálica faz o mesmo, mas também transmite calor da parede do tubo para si mesma, funcionando essencialmente como uma aleta interna. Isso leva a um aprimoramento convectivo sobre o condutivo.

Dois mecanismos de inserção de fita torcida
Qualquer inserção de fita torcida em qualquer material produz um canal de fluxo helicoidal dentro do tubo. O redemoinho gerado produz forças centrífugas que empurram o fluido em direção à parede do tubo, resultando num adelgaçamento da camada limite térmica e num aumento no coeficiente de transferência de calor convectivo. Este mecanismo de turbilhão por si só pode aumentar o número de Nusselt em 100-150% em um tubo vazio, dependendo da proporção do passo.

Um efeito de aleta adicional está presente se a própria fita for um material termicamente condutor (por exemplo, aço inoxidável, Hastelloy, titânio, ligas de cobre). A fita está em contato direto com a parede do tubo (geralmente ajuste por mola ou ajuste com interferência suave). o calor flui da parede quente para a fita e todo o corpo da fita é aquecido. A fita então fornece a energia armazenada ao fluido que passa por ambas as superfícies amplas. Isso dá à seção transversal do tubo uma área extra de transferência de calor, como uma espécie de aleta longitudinal interna.

Desempenho de fita condutora e não condutora
Uma fita torcida de um material não{0}condutor, como PTFE ou PFA, pode fornecer apenas o aprimoramento do redemoinho convectivo. O PTFE tem uma condutividade térmica muito baixa (aproximadamente . 0.25 W/mK), portanto quase não há transmissão de calor da parede para a fita. A fita permanece próxima à temperatura local do fluido e não causa impacto nas aletas.

Por outro lado, uma fita metálica torcida pode ter uma condutividade térmica na ordem de grandeza superior. Aço inoxidável (~15 W/m·K), Hastelloy (~10 W/m·K) ou cobre (~400 W/m·K). Com um bom contato térmico mantido entre a fita e a parede do tubo, a vantagem condutiva aumenta muito a transferência geral de calor. No arranjo de tubo de PTFE com inserção de fita condutora torcida, o efeito redemoinho mais aleta geralmente fornece um aumento extra de transferência de calor de 20-30% em relação à fita não condutora sob as mesmas circunstâncias de fluxo.

Para uma fita torcida de PTFE, o número de Nusselt aumenta em 120% (2,2 vezes o valor em um tubo vazio), mas uma fita de metal bem-projetada na mesma geometria pode aumentá-lo em 150-170% (2,5-2,7 vezes). O ganho real depende da espessura da fita, da condutância de contato térmico e das características do fluido. A vantagem condutiva é maior quando o coeficiente de película na parede do tubo já é grande, de modo que o efeito da aleta não é limitado pela resistência da interface fita-parede.

Conclusão: bom contato térmico
A fita metálica deve estar em contato térmico íntimo com a parede interna do tubo de PTFE para obter o efeito de aleta. Isso geralmente é feito aumentando a largura da fita um pouco maior que o diâmetro interno do tubo, para que ela seja inserida com um ajuste de mola. A flexibilidade intrínseca da fita metálica (ou a modesta torção de sobredimensionamento) empurra as bordas da fita contra a parede do tubo. No entanto, um ajuste-muito apertado pode danificar o tubo de PTFE ou impossibilitar a inserção. Um ajuste muito frouxo cria um entreferro, que é um bom isolante térmico e anula o efeito de aleta.

Na prática, as fitas metálicas torcidas para tubos de PTFE são comumente fabricadas com uma largura de 0,95 a 1,00 do diâmetro interno do tubo, usando o formato helicoidal para fornecer contatos pontuais em vez de contato de linha completa. A área de contato real é limitada e a eficácia das aletas diminui. Mas mesmo quando o contato é apenas parcial, a condutividade aumenta um pouco, pois a fita absorve calor nos pontos de contato e o transporta ao longo de seu comprimento. Projetos mais sofisticados empregam uma fita mais grossa ou uma borda dobrada para melhorar a área de contato.

Risco de corrosão e contaminação
Um dos principais riscos a controlar é a corrosão galvânica e a contaminação metálica. Mesmo quando a própria fita metálica é selecionada para compatibilidade com o fluido do processo (por exemplo, Hastelloy C-276 para cloretos agressivos ou titânio para ácidos oxidantes), a introdução de um componente metálico dentro de um tubo de PTFE apresenta dois cenários potenciais de falha.

Primeiro, se o fluido do processo corroer o metal na temperatura operacional, a fita corroerá lentamente. Produtos de corrosão (íons ou partículas metálicas) podem penetrar no fluido e contaminar o produto. Isso é inadequado em aplicações farmacêuticas, alimentícias ou químicas ultra-puras. O objetivo de um tubo de PTFE geralmente é evitar o contato com o metal. O uso de fita metálica vai contra esse propósito.

Em segundo lugar, mesmo que a própria fita seja resistente à corrosão, um par galvânico ainda pode ser criado se qualquer outro componente metálico estiver presente no sistema (por exemplo, uma chapa metálica de tubo, um impulsor de bomba ou uma válvula a jusante). Contanto que não toque em nenhum item metálico externo, a fita é eletricamente isolada deles - o tubo de PTFE é um isolante elétrico. Entretanto, se a fita entrar em contato com uma extremidade metálica ou se o fluido utilizado for eletricamente condutor (por exemplo, eletrólito aquoso), um circuito galvânico poderá ser construído através do fluido. O metal mais nobre (por exemplo, titânio) pode promover a corrosão dos menos nobres (por exemplo, aço carbono) em outras partes do sistema.

Quando usar fita torcida de metal versus PTFE
Dependendo das prioridades da aplicação, a escolha é entre uma fita metálica condutora ou uma fita-de PTFE não condutora.

Quando usar fita metálica torcida:

O fluido do processo não é-corrosivo para o metal selecionado (por exemplo, água deionizada, solventes orgânicos suaves, salmouras neutras).

Necessita de máxima transmissão de calor por unidade de comprimento, com potência de bombeamento já limitada.

A compatibilidade de fluidos é permitida e a contaminação do produto não é um problema (por exemplo, produtos químicos industriais não-farmacêuticos).

É possível um bom contato térmico sem danificar o tubo de PTFE.

O fluido do processo é muito corrosivo (ácidos fortes, álcalis, halogênios, agentes oxidantes).

Evitar contaminação com íons metálicos (síntese de APIs farmacêuticas, resfriamento de semicondutores, processamento de alimentos).

A temperatura de trabalho está além do limite de corrosão das ligas disponíveis, mas abaixo de 110 graus (PTFE) ou 260 graus (PFA).

A simplicidade e a comprovada inércia química superam a melhoria de desempenho de 20-30% de uma fita metálica.

Para serviços extremamente corrosivos, apesar da perda do efeito da aleta, as fitas PTFE ou PFA são utilizadas, pois a confiabilidade e a pureza que elas fornecem não são{0}}negociáveis.

Resumo de desempenho de fitas condutivas e não{0}}condutivas
Parâmetro Fita PTFE (não{0}}condutiva) Fita metálica (condutiva)
Mecanismo de transferência de calorBasta girar Redemoinho + impacto da aleta
Aumento típico de Nu (sobre tubo vazio) 100-150% 130-180%
Ganho extra de condutividade - +20-30% em relação à fita PTFE
Requisito de contato térmico Não aplicável (sem impacto nas aletas) Crítico - ajuste de mola essencial
Risco de corrosão Nenhum (inerte a todos os produtos químicos até 110 graus) Dependente da compatibilidade do fluido-metal
Risco de contaminação metálicaNenhum possível (corrosão ou desgaste)
Temperatura máxima 110 graus (PTFE); 260 graus (PFA) Dependente da liga (por exemplo, inoxidável 400 graus)
Custo Moderado (PTFE extrudado) Maior (metal usinado ou estampado)
Um exemplo prático: aquecimento de um fluxo neutro aquoso
Suponha que um trocador de calor de PTFE seja usado para aquecer um fluxo de água neutro-sem cloreto de 20 a 60 graus . O redemoinho por si só melhoraria a transmissão de calor com uma inserção de fita torcida de PTFE. O efeito aleta pode ser introduzido substituindo-o por uma fita torcida em aço inoxidável 316, devidamente encaixada na parede do tubo. O coeficiente global de transferência de calor pode ser aumentado de 150 W/m²·K para 190 W/m²·K (27%). O fluido não é-corrosivo para o aço inoxidável a 60 graus e não produz lixiviação considerável de metal. O aumento de desempenho permite um trocador de calor reduzido ou uma vazão menor para o mesmo serviço.

Na mesma aplicação, mas com uma salmoura ligeiramente ácida (pH 4, cloreto de 1000 ppm), o aço inoxidável 316 estaria sujeito à corrosão por pites. O custo seria muito alto, exigindo uma fita Hastelloy C-276. Outra opção é optar pelo desempenho mais barato da fita de PTFE, que evita totalmente o problema de corrosão.

Resumo
Ao aplicar fitas metálicas torcidas nas fitas plásticas, um efeito de aleta condutora pode ser alcançado, o que pode melhorar o desempenho da transferência de calor em cerca de 20-30%. Contudo, este benefício só é alcançado se for mantido um bom contato térmico com a parede do tubo e, mais importante ainda, se o metal for totalmente compatível com o fluido do processo. Para operações delicadas, como síntese farmacêutica ou processamento químico de alta pureza, o benefício térmico é eclipsado por qualquer risco de corrosão ou contaminação metálica. A seleção de materiais para dispositivos de aprimoramento deve ser tão cuidadosa quanto para o próprio trocador; para muitos serviços corrosivos ou sensíveis à pureza, a inércia de uma fita de PTFE ou PFA continua sendo a escolha superior, apesar da ausência do efeito aleta.