La velocidad del tubo del intercambiador de calor es la velocidad promedio de un fluido que atraviesa el área abierta del tubo transportando ese flujo en una sola pasada. Se calcula a partir del flujo real y del número de tubos activos, luego se analizan la transferencia de calor, la acumulación de suciedad, la pérdida de presión, el riesgo de erosión y el caudal operativo más bajo. No existe una velocidad única que sea correcta para todos los fluidos, aleaciones o intercambiadores. Una especificación útil define los casos de flujo normal y límite, la geometría del tubo y los controles de aceptación. La velocidad del tubo también difiere de la velocidad de flujo cruzado en el lado de la carcasa, la velocidad de la boquilla y el objetivo de un sistema de limpieza.
Defina el área antes de calcular la velocidad
En el caso de un flujo incompresible de fase simple que se distribuye uniformemente entre tubos paralelos, la velocidad media es el caudal volumétrico dividido por el área interna combinada de los tubos. Use el diámetro interior del tubo, no el diámetro exterior. Conté las tuberías disponibles para el flujo durante la pasada actual en lugar de dividir automáticamente por el total de tuberías instaladas.
La relación básica es v = Q / A, donde A = n × π × d_i² / 4. Aquí v es la velocidad media en metros por segundo, Q es el caudal volumétrico en metros cúbicos por segundo, n es el número de tubos paralelos activos en esa sección y d_i es el diámetro interior del tubo en metros. Convertir todos los datos de entrada antes de realizar el cálculo.
En un sistema de múltiples pasajes, identifique cada paso en el dibujo aprobado. La división uniforme de los tubos instalados es una suposición que necesita confirmación. Un estante sanitario con varios sectores horizontales visibles puede transportar el fluido secuencialmente a través de esos sectores; el recuento exterior no establece el número de trayectorias internas de flujo. No infórmese de la geometría solo a partir de una fotografía.
Ejemplo con un tubo transparente
Consideremos un flujo de líquido ilustrativo de 18 metros cúbicos por hora a través de 100 tubos paralelos abiertos, cada uno con un diámetro interior de 16 milímetros. Se asume que estos son valores de entrada para el cálculo, no dimensiones ni valores operacionales para un producto YIYI. Se supone una distribución uniforme, una fase y un cambio de densidad insignificante a través del intercambiador.
Conversión de caudal: Q = 18 / 3.600 = 0,005 metros cúbicos por segundo. Conversión de diámetro: d_i = 0,016 metros. Área combinada es 100 × π × 0,016² / 4 = aproximadamente 0,02011 metros cuadrados. Velocidad media del tubo: 0,005 / 0,02011 = aproximadamente 0,249 metros por segundo.
Si el mismo total de 100 tubos se coloca en dos pasadas con 50 tubos paralelos por pasada, la velocidad calculada en una pasada es aproximadamente de 0,497 metros por segundo al mismo caudal de entrada. Este análisis supone una división igual de las pasadas y sin un circuito de bypass. No se establece que la velocidad más alta sea aceptable ni que las dos disposiciones proporcionen un rendimiento equivalente.
Si diez de esos 50 tubos están tapados, el área activa se reduce a 40 trayectos de tubos. Con el mismo caudal, la velocidad promedio se eleva aproximadamente a 0,622 metros por segundo, un aumento del 25 por ciento. Recalcule el rendimiento térmico y hidráulico tras la obstrucción; restaurar la temperatura de salida por sí sola no es una prueba suficiente de que la unidad revisada sigue dentro de sus límites.
Utilice el número de Reynolds para interpretar el flujo
La velocidad por sí sola no identifica el comportamiento del flujo. En el caso del flujo nuevotoniano en un tubo circular, el número de Reynolds es Re = ρ × v × d_i / μ, donde la densidad ρ está en kilogramos por metro cúbico y la viscosidad dinámica μ está en pascal segundos. Use las propiedades del fluido a una temperatura representativa y evalúe los cambios a lo largo del recorrido del flujo cuando estos sean significativos.
LearnChemE de la Universidad de Colorado Explorador del número de Reynolds ilustra cómo se combinan la densidad, la viscosidad, el diámetro y la velocidad. Su modelo de flujo de tubería es educativo. No establece una correlación garantizada de transición ni de transferencia de calor para cada entrada, curva, inserción o producto no newtoniano del intercambiador.
En el primer ejemplo, suponiendo una densidad de 1.000 kilogramos por metro cúbico y una viscosidad de 0,001 pascal segundo, se obtiene un Re de aproximadamente 3.979. Estas propiedades son supuestos ilustrativos. Aumentar la viscosidad a 0,010 pascal segundo sin cambiar el caudal reduce el Re a aproximadamente 398. Esto muestra por qué una velocidad copiada de una aplicación en agua puede dar un resultado muy diferente con un flujo procesal viscoso.
Compare los efectos competitivos en una revisión
El cambio de flujo altera simultáneamente varios aspectos del rendimiento. En condiciones adecuadas, una velocidad más alta puede mejorar la transferencia convectiva y reducir algunas tendencias de deposición. También modifica la pérdida de presión y puede agravar el desgaste cuando el material, las partículas, la geometría de la entrada o las condiciones de funcionamiento no son adecuadas. No es una solución automática para la acumulación de suciedad.
Utilice la siguiente tabla cualitativa para organizar una revisión de proveedores. No se proporcionan límites de velocidad universales debido a que no se han suministrado datos sobre la composición del fluido, la geometría ni la evidencia material. El recurso LearnChemE y su Diagrama interactivo del factor de fricción proporcionar contexto educativo sobre el régimen de flujo y la resistencia hidráulica.
| Situación operativa | Qué examinar | Evidencia o acción solicitada |
|---|---|---|
| Flujo de producción bajo | Distribución del flujo, carga térmica y deposición | Calificación en el flujo continuo mínimo real |
| Gran flujo de producción | Pérdida de presión, exposición del material y efectos de la entrada | Calificación hidráulica y condiciones permisibles específicas del servicio |
| Mayor viscosidad | Número de Reynolds y presión de bombeo requerida | Propiedades y calificación en las condiciones más frías o más viscosas |
| Bloqueo de tuberías | Área activa y distribución de pases alterada | Revisado el conteo de tubos, velocidad, carga y pérdida de presión |
| Sólidos suspendidos | Propiedades de las partículas, impacto y depósitos | Revisión del material y la geometría para los sólidos reales |
| Limpieza de la circulación | Circuito de limpieza completo y condiciones de retorno | Validez independiente de la limpieza y revisión de la compatibilidad del equipo |
Mantenga la revisión vinculada a casos operativos medibles. El rango de velocidad preferido del proveedor solo es útil cuando sus supuestos coinciden con el servicio propuesto. Solicite la razón de cada límite y las condiciones en que se aplica, incluyendo si se refiere a la velocidad media del tubo o a una región local.
Mantenga el flujo del tubo separado del flujo de la carcasa y la boquilla
El lado de la carcasa puede contener zonas de flujo cruzado, ventanas deflectoras, rutas de fuga y zonas de derivación. Dividir el flujo de la carcasa por la superficie circular bruta de la misma no permite captar esas velocidades locales. Por lo tanto, los cálculos realizados en el lado del tubo no pueden copiarse para evaluar la vibración del tubo en el lado de la carcasa ni el comportamiento de las zonas deflectoras.
La velocidad de la boquilla utiliza el área interna propia de la misma. Una gran área media del tubo puede coexistir con una boquilla de entrada relativamente pequeña; por lo tanto, un área media satisfactoria del tubo no excluye la posibilidad de un problema local en la entrada. Identifique la geometría de entrada y la distribución del flujo al revisar un patrón de desgaste observado o una pérdida de presión inesperadamente alta.
Para una discusión sobre el producto, consulte a YIYI. Intercambiador multipaso de carcasa y tubos sanitarios. Las imágenes publicadas del rack ilustran la distribución y las conexiones, mientras que el dibujo aprobado debe indicar el área interna real y la disposición de los componentes. Antes de obtener una velocidad para una unidad especificada, deberá solicitar esas dimensiones y la calificación de servicio.
Especificar los casos de funcionamiento mínimo, normal y máximo
Solicite una calificación en el flujo de producción más bajo sostenido, el caso normal, y el caso máximo esperado. Incluya la puesta en marcha y la condición más viscosa si estas pudieran influir en los requisitos o la carga de la bomba. Indique la temperatura de salida requerida en cada caso y si el sistema de control modifica el flujo de cualquiera de los dos flujos.
Verifique los sistemas de derivación y recirculación. Un caudalímetro de planta situado aguas arriba de una derivación no medirá necesariamente el caudal del intercambiador. Registre la ubicación del medidor y cualquier fuga no medida. Si la instrumentación no puede determinar el caudal real del intercambiador, resuelva ese problema de medición antes de atribuir una mala actuación a una velocidad de tubo supuesta.
Para obtener límites hidráulicos detallados, utilice la Guía de caída de presión de carcasa y tubos. Aborda cómo definir y evaluar la pérdida de presión. El cálculo de la velocidad en este artículo proporciona una base para esa revisión, en lugar de sustituirla.
Diagnosticar un cambio utilizando más de un instrumento
Si un intercambiador pierde rendimiento, registre ambos flujos de refrigerante, las temperaturas de entrada y salida y las lecturas de presión en los puntos definidos. Compare estos valores con un punto de referencia limpio en condiciones similares. Un cambio en la temperatura del fluido refrigerante, la viscosidad del producto o la posición del bypass pueden explicar la observación sin que se produzca ningún cambio en la limpieza del tubo.
Una diferencia de presión creciente a flujos comparables puede justificar una investigación, pero no prueba un mecanismo específico de deposición. De la misma manera, una pérdida de presión estable no indica la existencia de superficies limpias de transferencia de calor. Revise los datos térmicos y hidráulicos conjuntamente y examine el equipo utilizando el procedimiento de aislamiento e inspección adecuado.
El Guía sobre la resistencia a la suciedad del intercambiador de calor explica el aspecto térmico de este diagnóstico. Guía de mantenimiento del paquete Ayuda a planificar el acceso. Confirme la construcción y el estado antes de elegir un método de limpieza; un aumento de la velocidad no debe sustituir la búsqueda de la causa.
Configuración de comprobaciones de aceptación y una regla de control de cambios
Durante la aceptación, verifique el sistema de paso instalado, el número de tubos activos, la ubicación del caudalímetro y la base de propiedades del fluido. Registre el caudal medido junto con los resultados de caudal nominal y pérdida de presión. Calcule el caudal utilizando esa base documentada en lugar de considerar el caudal nominal de la placa de datos como la condición operativa real.
Defina qué requiere una nueva reevaluación: conexión de tubos, cambio de la concentración del producto, sustitución de un producto más viscoso, modificación del número de pasadas o cambio de un desvío. Guarde el cálculo y la aprobación revisados en los registros operativos. Los pequeños cambios geométricos pueden tener consecuencias significativas, ya que la superficie de flujo depende del cuadrado del diámetro.
Para obtener una cotización, proporcione la masa en el lado del tubo o el caudal volumétrico, los datos de propiedades, las temperaturas, los límites de caída de presión, la información sobre los sólidos, las condiciones de limpieza y la reducción de caudal esperada. Solicite al proveedor el diámetro interior propuesto, el área paralela activa, la disposición de los pasajes y la velocidad en cada caso de funcionamiento. Esto proporciona una selección defensable en lugar de un número genérico.
El siguiente video de LearnChemE demuestra el cálculo del número de Reynolds y la consistencia dimensional. Úselo para comprobar la relación entre las condiciones de flujo y los grupos adimensionales; la clasificación del intercambiador aún necesita su geometría real y los datos de los fluidos.
Mira Dimensionless Groups (Ejemplo del número de Reynolds) de LearnChemE
Preguntas frecuentes
¿Qué diámetro se debe utilizar para calcular la velocidad del tubo?
Utilice el diámetro interior del tubo para el área de fluido del lado del tubo. Confirme la espesor de pared suministrada y el diámetro interior real, y conté solamente los tubos paralelos abiertos en la sección a evaluar.
¿Aumenta siempre la eficiencia de un intercambiador añadiendo tubos de paso?
No. Cuanto menos vías paralelas haya, mayor será la velocidad en un caudal determinado, pero también se verán alterados la pérdida de presión, la distribución y el rendimiento térmico. Compare la calificación completa con los límites de carga y de funcionamiento reales de la bomba.
¿Existe una velocidad máxima universal para los tubos?
No. El valor aceptable depende de las propiedades del fluido, los sólidos, los materiales, la geometría y las condiciones de funcionamiento. Obtenga los límites específicos del servicio y la calificación, en lugar de copiar un número de una aplicación no relacionada.
¿Qué sucede con la velocidad cuando se tapan los tubos?
Si el flujo permanece constante, reducir la área paralela activa aumenta la velocidad media. Recálculen cada paso afectado y revisen la carga útil, la pérdida de presión y la exposición del material antes de autorizar la continuación de la operación.
