24 agosto 2011

El diseño de intercambiadores de calor en detalle (2ª PARTE)



Ver 1ª PARTE

AUMENTANDO EL RENDIMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR


La mejora del rendimiento de un intercambiador de calor se potencia aumentando la transferencia de calor.

Técnicas para aumentar la transferencia de calor


Técnicas pasivas (sin energía):

·         Superficie extendida.
·         Superficies tratadas.
·         Superficies rugosas.
·         Dispositivos para aumentar la turbulencia del fluido.
·         Dispositivos de tensión de superficie.
·         Aditivos para fluidos.
Técnicas activas (se requiere energía):
·         Ayudas mecánicas.
·         Vibración de superficie.
·         Vibración de fluido.
·         Campo eléctrico o magnético.
·         Inyección o succión.

Superficies extendidas


Superficies que sirven para aumentar la transferencia de calor.

Superficies rugosas


Se refiere a tubos y canales con elementos rugosos en forma de protuberancias.

Modo de transferencia de calor


Las técnicas para aumentar la transferencia de calor pueden aplicarse para varios modos de transferencia tales como:
1.       Convección natural en una fase.
2.       Convección forzada en una fase.
3.       PEbullición de masa (Pool boiling).
4.       Ebullición por convección forzada.
5.       Condensación.

Técnicas pasivas


Las superficies extendidas se emplean habitualmente en intercambiadores de calor compactos e intercambiadores de tubo y carcasa para líquidos o gases.
Superficie extendida en gases
En transferencia de calor de convección forzada entre un gas y un líquido, el coeficiente de transferencia de calor del gas puede ser del orden de 1/50 a 1/10 el del líquido. El uso de superficies extendidas reducirá la resistencia térmica del lado del gas. Sin embargo, la resistencia del lado del gas resultante puede exceder la del líquido.

Superficie extendida en líquidas
Se usan superficies extendidas con líquidos que pueden estar en la superficie interior o exterior de los tubos. Debido a que los líquidos tienen coeficientes de transferencia de calor superior a los gases, se requieren aletas más pequeñas.

CORROSIÓN EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS


Es una práctica general en los fabricantes de intercambiadores de placas usar solamente materiales resistentes a la corrosión, dictado por factores como la pureza del producto y la minimización del ensuciamiento en corrosión.

FOULING EN INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS


La elevada turbulencia, caudal del fluido uniforme, superficie de placas uniforme y la aplicación de material resistente a la corrosión por el fabricante de las placas reduce el fouling y la necesidad de limpieza frecuente. De aquí, los factores de fouling requeridos en los intercambiadores de calor de placas con pequeños comparados con los comúnmente usados en diseños de tubo y carcasa. Normalmente serían un 20 – 25 % de los usados en intercambiadores de tubo y carcasa.

FOULING POR CORROSIÓN


El fouling por corrosión se debe a la deposición de productos de corrosión en superficies de transferencia de calor. En esta categoría de proceso de fouling, el material de transferencia de calor en sí mismo reacciona para producir productos de corrosión, que ensucian la superficie de transferencia de calor. Las formas más comunes de este tipo de fouling son la pérdida de material debido a un adelgazamiento general, óxido de hierro en los tubos de acero al carbono en los sistemas de agua de refrigeración, y ensuciamiento del extremo del tubo de radiador soldado en el lado del agua por corrosión. El fouling de corrosión es altamente dependiente de la elección del material y las condiciones ambientales. De aquí, es posible superar el fouling de corrosión si se hace la elección correcta del material para resistir las condiciones ambientales. Medidas tales como el uso de inhibidores, protección catódica, y tratamiento superficial tal como pasivación de acero inoxidable minimizará la corrosión y el fouling por corrosión.

CRISTALIZACIÓN O FOULING DE PRECIPITACIÓN


Este tipo de fouling tiene principalmente lugar en los sistemas de agua de refrigeración, cuando sales solubles, predominantemente carbonato cálcico, llegan a estar supersaturados y cristalizan en la pared del tubo para formar incrustaciones. Tales incrustaciones ocurren debido a que muchas sales disueltas en agua muestran efectos de solubilidad inversa, una condición que invierte la solubilidad normal (aumentando con la temperatura) en la que decrece con la temperatura. Así una solución de solubilidad inversa cristalizará cuando se calienta, mientras que en las sales de solubilidad normal cristalizarán cuando se enfrían. Los aditivos químicos pueden ser útiles para reducir los problemas de fouling debidos a cristalización y congelación de varias formas. Hay cuatro grupos de agentes químicos para controlar cristalización: agentes de distorsión, dispersantes, agentes de secuestro, y agentes químicos umbral.

FOULING BIOLÓGICO


La fijación de microorganismos (bacterias, algas y hongos) y macro organismos (barnaclas, esponjas, peces, algas, etc.) en las superficies de transferencia de calor donde el agua de enfriamiento se usa en condiciones como el arrastre de ríos, lagos, aguas costeras, etc., se suele denominar como fouling biológico. En contacto con las superficies de transferencia de calor, estos organismos pueden fijarse y reproducirse, a veces atascar totalmente el paso de fluidos.

LIMITACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS


Si bien los intercambiadores de calor tienen caídas de presión comparable a los encontrados en las unidades de tubo y carcasa, generalmente están confinados a operaciones a temperaturas y presiones más bajas debido al uso de juntas de elastómeros para el sellado. Los límites habituales son 149 ºC y 300 psi. La máxima presión de trabajo permitida también está limitada por la resistencia de la carcasa y resistencia a la deformación de la placa. Los fabricantes producen una carcasa a bajo coste para trabajos a baja presión. Todos los intercambiadores de calor de placa usados en la industria química y afines son capaces de operar a 85 psig, la mayoría a 142 psig, muchos a 230 psig, y algunos a presiones tan altas como 300 psig.
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