18 marzo 2009

Errores de diseño en los intercambiadores de calor de placas


El uso de intercambiadores de calor de tubo y carcasa encamisados ha ganado una tremenda aceptación en la industria de procesos químicos en los últimos veinte años. Los motivos son su alto coeficiente de transmisión de calor, su compacidad y el bajo coste. Sin embargo, es importante para un ingeniero que selecciona este tipo de intercambiador de calor ser consciente de las áreas críticas en diseño o selección, de forma que sea posible evitar los problemas de mantenimiento y operación una vez los intercambiadores están en uso. En ese artículo vamos a hablar de esas áreas críticas, que deben ser consideradas muy al comienzo de la tarea de diseño de equipos.
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Hoy en día, si bien hay una gran variedad de intercambiadores de calor usando tecnología de placas corrugadas finas, el intercambiador de calor de placas encamisadas es familiar al ingeniero.
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Las variaciones de diseños más recientes de la tecnología de placas corrugadas usan packs de placas que están sellados sin camisas usando placas soldadas, placas soldadas-laser, o las más nuevas, tecnología de sellado, basada en fusión, que puede permitir al ingeniero expandirse más allá de las limitaciones del tipo de placa encamisada. En cualquier caso, es importante notar que las altas turbulencias y las tensiones vivas en pared debidas al flujo en los canales de láminas corrugadas espaciadas es la clave de los altos coeficientes de transferencia de calor y la compacidad para esta clase general de intercambiadores de calor, ya estén encamisados o sin camisa.

Limitaciones de P y T

Lo más importante en el diseño de intercambiadores de placa encamisada es tener cuidado con sus limitaciones de temperatura (T) y presión (P). Actualmente los intercambiadores de calor pueden usarse en confianza con unos límites de 180 ºC. Las presiones de diseño máximas en los intercambiadores de calor de placas encamisadas pueden alcanzar 20 barg, que si bien no son altas para algunas industrias, si cumplen bien los requerimientos por ejemplo de la industria química.
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El desarrollo de tecnologías de placas fundidas y soldadura láser ha permitido la fabricación de intercambiadores de calor de placas libres de carcasas. Esto ha expandido los límites de operación de los intercambiadores de calor de placas a temperaturas de hasta 550 ºC y presiones hasta 54 barg. Sin embargo, la aplicación completa de tecnologías de intercambiadores de calor de placas soldadas está limitada por las características de fatiga de las placas si la temperatura o el ciclo de presión es un proceso para el cual se consideran. Adicionalmente, estos tipos libres de carcasa no se usarán para fluidos que contienen sólidos o tienden a ensuciarse, ya que para la mayor parte de ellos, los métodos de sellado usados no permiten abrir el intercambiador de calor para inspección o limpieza. Asimismo, para los fluidos de limpieza en servicios no cíclicos que requieren compacidad y eficiencia y donde las temperaturas de diseño y presión exceden la capacidad de las de tipos encamisado, los intercambiadores sin camisa son una alternativa valiosa.
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Consideraciones sobre fouling
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Se ha demostrado durante muchos años por diferentes fuentes que los intercambiadores de calor de placas pueden diseñarse con factores de fouling más bajos que los diseños de tubo y carcasa convencionales. Esto se debe a las altas tensiones de las paredes vivas que exhiben los fluidos en los intercambiadores de calor de placas, debido a un flujo altamente turbulento ente placas paralelas corrugadas. En este caso es muy importante que el ingeniero avise al fabricante sobre la presencia de estos fenómenos y su potencial de fouling, para que el fabricante pueda diseñar el intercambiador de calor de placas para altas tensiones en las paredes vivas.
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Factores de fouling en tubo y carcasa
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Los factores de fouling de intercambiadores de calor de placas pueden ser tan bajos como un décimo de los factores de fouling para el mismo fluido. Hay también peligro en el uso de un factor de fouling de tubo y carcasa en el diseño de intercambiadores de calor de placas, ya que, como otros dispositivos de transferencia de calor de transferencia de calor de trayectoria de flujo paralelo, esto se consigue en un intercambiador de calor de placa añadiendo placas en paralelo, y haciendo disminuir el nivel de caudal por canal, lo cual produce una caída de presión en el intercambiador de calor. De esta forma se hace disminuir la caída de presión, se hace disminuir las tensiones vivas y la velocidad del fluido en los canales. En la experiencia del autor, los factores de fouling probados y seguros para el diseño de intercambiadores de calor de placas exceden en un 10 % el área de superficie, expresada también con un margen de seguridad del 10 %, equivalente a un factor de limpieza del 90 %.
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Ratios de caudal desproporcionados
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Es muy común para los ingenieros de procesos que comúnmente seleccionan intercambiadores de calor de tubo y carcasa, diseñar para ratios de flujo desproporcionados entre el flujo del lado frío y caliente en un intercambiador de calor de placas. Esto se debe a que los diseños de tubos y carcasas requieren un flujo del lado de la carcasa alto para crear tanta turbulencia como sea posible en el lado de la carcasa. Si bien estos altos niveles de flujo del lado de la carcasa permiten al intercambiador y al tubo funcionar más eficientemente (a costa de elevados costes de bombeo y uso de agua), usando niveles de flujo desproporcionadamente altos cuando se especifica un intercambiador de calor de placa se eliminarán inmediatamente las ventajas de la alta eficiencia térmica y el bajo coste.
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Flujo del agua de enfriamiento optimizado.
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Los fabricantes de intercambiadores de calor responsables casi siempre evaluarán para sus clientes un diseño alternativo en el que el flujo de refrigerante se optimice para producir la selección más eficiente – y por lo tanto de menor coste. El flujo de refrigerante también será más bajo, por lo que se ahorra agua y disminuyen los costes de bombeo a la vez que se crea un diseño más eficiente y equilibrado. Si el fabricante no ofrece una alternativa optimizada, debe preguntarse al ingeniero de procesos.
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Velocidades de boquillas.
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La caída de presión es el precio que generalmente vamos a pagar por la transferencia de calor. Las pérdidas de caída de presión en cualquier intercambiador de calor tienen lugar a la entrada y salida, y las pérdidas tienen lugar también cuando el fluido circula a través del paso de transferencia de calor. Una velocidad de boquilla demasiado para el fluido caliente o frío puede originar un derroche en caída de presión que contribuye a un alto coeficiente de transferencia de calor en los canales de placas en sí mismos. En el caso peor, velocidades de boquillas altas pueden causar erosión del puerto en las primeras placas del pack de placas.

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Sólidos en agua de enfriamiento.
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En aquellas aplicaciones en las que el agua de enfriamiento contiene cieno, conchas marinas rotas u otros sedimentos de ríos, lagos u océanos, es útil incorporar dos conceptos en los diseños de intercambiadores de calor de placas encamisadas standard, especialmente donde estas partículas pueden ser mayores de 2,5 mm, que es el valor umbral en el que se pueden considerar otros métodos de eliminación.
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Colocación de la boquilla.
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No se usarán boquillas superiores en el intercambiador de calor para el agua sucia entrante. En vez de eso, se forzará a las partículas a hacer un giro de 90º, a girar cuando dejen el puerto de cada placa del canal y fluya hacia arriba a través del canal en si misma. Si la velocidad del fluido en ese punto no es demasiado alto, la partícula tendrá muchas posibilidades de caer al fondo del puerto, y permanecer fuera del canal de transferencia de calor donde será atrapado, causando suciedad o fouling de superficie.
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Bibliografía: Plate Heat Exchangers: Avoiding Common Misconceptions. Chemical Engineering February 2009.
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