Los intercambiadores de calor (IC) son dispositivos que transfieren la energía térmica interna entre dos o más fluidos a diferentes temperaturas. Se encuentran presentes en casi todos los sistemas térmicos complejos de las industrias y representan el vehículo de mayor utilización para la transferencia de calor en las aplicaciones de los procesos industriales y domésticos. El principio cero de la termodinámica dicta que dos cuerpos que se encuentran en contacto a temperaturas diferentes tienden a alcanzar el equilibrio térmico. En esto se basa un intercambiador de calor tubular; el de aprovechar la energía calorífica que se crea en este proceso cuando dos fluidos entran en contacto con diferente temperatura.
¿Qué es un Intercambiador de Calor de Tubos Concéntricos?
Un intercambiador de calor tubular es un aparato diseñado para poder transmitir calor entre dos fluidos, vapores o gases, o entre uno de ellos que esté en movimiento y un sólido. El diseño tubular en intercambiadores de calor representa una de las configuraciones más usadas tradicionalmente, por su buen funcionamiento y versatilidad.
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos se construyen con un tubo interior por el que circula un fluido y un tubo exterior concéntrico por el que circula el otro. También se les conoce como intercambiadores de calor de espacio anular y pueden estar formados por tres o cuatro tubos concéntricos. El intercambiador de calor monotubo, una variante, está formado por dos tubos corrugados concéntricos. Otra configuración es el intercambiador tubular multitubo, el cual está formado por un haz de tubos corrugados de diámetro pequeño y paralelos, dentro de una camisa corrugada, soldados a las placas de tubos, sin juntas.
Componentes y Fabricación
Un intercambiador tubular puede fabricarse en diferentes materiales, como el acero inoxidable, y es capaz de soportar un amplio rango en sus temperaturas de trabajo con presiones altas y bajas. La fabricación del intercambiador de calor puede realizarse en diferentes calidades de acero inoxidable o aleaciones especiales, pudiendo soportar altas y bajas presiones de trabajo, así como un amplio rango de temperaturas de proceso. En la fabricación de intercambiadores de calor, la soldadura es un aspecto clave del proceso.
Los componentes básicos incluyen:
- Haz tubular: Es el conjunto de tubos que proporcionan la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por su interior y el fluido que circula por la carcasa.
- Placa tubular: Es una placa de metal que ha sido perforada o taladrada, donde se alojan los tubos que forman el intercambiador de calor tubular, los cuales se fijan mediante expansión o soldadura.
- Carcasa y conexiones: La carcasa es la envolvente del segundo fluido o fluido secundario. Generalmente es de sección circular y está hecha de una placa de acero conformada en forma cilíndrica y soldada longitudinalmente.
- Cabezales desmontables: Se conectan por ambos extremos a las placas tubulares y facilitan la circulación del fluido por el intercambiador.
Tipos de Flujo en Intercambiadores de Calor Tubulares
Los tipos de intercambiadores de calor se clasifican en función de cómo circulan los fluidos, el número de pasos o la estructura del equipo. En los intercambiadores de calor, la disposición del flujo es un factor determinante en la eficiencia:
- Flujo paralelo: Los fluidos se desplazan en la misma dirección.
- Contraflujo: Los fluidos se desplazan en la misma dirección, pero en sentidos contrarios, por lo que entran al intercambiador por extremos opuestos.
- Flujo cruzado: Los fluidos recorren el intercambiador de forma perpendicular con respecto al otro, pero no se tocan, puesto que uno pasa a través del tubo y el otro lo rodea. Su aplicación es más común cuando uno de los fluidos en circulación cambia de fase dentro del aparato.
- Flujo combinado: Algunos intercambiadores permiten que uno de los fluidos pueda circular tanto en paralelo como en contracorriente.
Además, se distingue por el número de puntos de intercambio:
- Paso simple: Solo se intercambia calor en una ocasión.
- Múltiples pasos: Hay más de un punto de intercambio.
El Vapor en los Procesos de Calentamiento y la Transferencia de Calor
Tradicionalmente, el intercambiador de calor de tubos se ha utilizado para muchas aplicaciones de calefacción y procesos usando vapor en un amplio espectro de industrias. Las aplicaciones típicas de caldeado con vapor requieren un suministro 100% de vapor saturado de calidad. Ese nivel de calidad se refiere a vapor que no contenga gotas de condensado en su caudal.
Vapor Saturado vs. Vapor Sobrecalentado
Se debe evitar que el vapor sobrecalentado, o vapor a una temperatura superior a su punto de saturación, entre en el proceso de transferencia de calor. Si bien el flujo de calor a través de una superficie es proporcional a la diferencia de temperatura en ambos lados de la misma, y si el vapor sobrecalentado tiene una temperatura más alta que el vapor saturado a la misma presión, su capacidad de transferir calor es en realidad más pequeña. Esto puede parecer contradictorio, pero la respuesta es NO.
- Menor eficacia: El vapor sobrecalentado tiene menos energía por unidad de volumen que el vapor saturado y puede provocar problemas de rendimiento si no se tiene en cuenta en el diseño original del sistema de vapor. A diferencia del vapor saturado, la temperatura del vapor sobrecalentado no es uniforme. El vapor sobrecalentado, para ceder calor, tiene que enfriarse hasta alcanzar la temperatura de saturación antes de empezar a condensar, cediendo poco calor en esta fase inicial. El vapor saturado, en cambio, cede calor cambiando de fase (condensando) a temperatura constante, lo que lo hace mucho más eficaz.
- Coeficiente de transferencia (U): En una aplicación típica, como un serpentín horizontal por cuyo interior circula el vapor y en cuyo exterior hay agua que se desea calentar, el valor del coeficiente global de transferencia de calor (U) para el vapor sobrecalentado puede variar entre 50 y 100 vatios/m²·ºC, mientras que para el vapor saturado vale alrededor de 1200 vatios/m²·ºC. En un intercambiador de calor de carcasa y tubos, U puede valer 100 vatios/m²·ºC para el vapor sobrecalentado y alrededor de 500 W/m²·ºC para el vapor saturado.
- Diseño complejo: Por ello, el diseño de un intercambiador de calor empleando vapor sobrecalentado es un proceso complicado y cuyos resultados son relativamente poco fiables. Si se respeta el principio, el intercambiador de calor puede diseñarse como si fuera a funcionar con vapor saturado y añadirle una pequeña área de intercambio para compensar la escasa eficiencia de la zona donde el vapor estará sobrecalentado.
En buena medida, el uso de vapor sobrecalentado en ciertas industrias se debe a que está disponible para su empleo en la generación de energía (turbinas), y no porque el vapor sobrecalentado tenga ventaja alguna respecto al vapor saturado en los procesos de calentamiento. Si el vapor tiene solo un pequeño grado de sobrecalentamiento, esta pequeña cantidad de calor es cedida rápidamente antes de empezar a condensar. El suministro de vapor sobrecalentado se puede acondicionar instalando un atemperador.
Consideraciones Críticas para el Diseño de Sistemas de Vapor Industriales
Diseñar un buen intercambiador de calor de vapor o sistema de traceado con vapor requiere un conocimiento completo de las características operativas en las que funcionará el sistema. Un mal funcionamiento se atribuye normalmente a que el ingeniero de diseño no ha tenido en cuenta todas las características del sistema de vapor. Al diseñar un sistema de vapor industrial, se deben tener en cuenta las bases fundamentales para evitar fallos prematuros o un rendimiento deficiente. Los problemas más habituales están causados por una incorrecta selección de componentes o bien por prácticas de instalación incorrectas.
Mantenimiento y seguridad en el sistema de vapor
Seguir algunas directrices sencillas y utilizar técnicas probadas en campo puede ayudar a evitar los problemas habituales relacionados con el diseño de sistemas de vapor industriales:
- Prevención del golpe de ariete: Una válvula de control de vapor está diseñada para modular el caudal de vapor entre 0 y el 100%. En una situación de bajo caudal o caudal inexistente, el condensado se puede acumular antes de la entrada de la válvula de control, lo que puede provocar un golpe de ariete y precipitar el fallo de la válvula. Para evitarlo, se puede instalar un pozo de goteo antes de la válvula, mejorar el aislamiento, graduar correctamente la línea de vapor o instalar un separador de vapor. Estos métodos previenen la condensación o permiten desviar el condensado para evacuarlo por medio de un purgador de vapor.
- Selección de válvulas de control: Los componentes de transferencia de calor necesitan válvulas de control adecuadas para un control efectivo de la temperatura de proceso y la vida útil del asiento. Un factor decisivo es su capacidad de reducción o relación de rango. Una válvula de control mal seleccionada puede llevar a un control deficiente de la temperatura de proceso, desgaste prematuro del asiento de la válvula y ruido excesivo.
- Uso de manómetros: Es esencial instalar un manómetro antes y después de la válvula de control, y en la línea de retorno de condensado, después del purgador de vapor, para obtener información precisa sobre las características de presión. Todos los manómetros deben incorporar un sifón en bobina (serpentín) para evitar daños por alta temperatura y válvulas de aislamiento de doble cierre para permitir el mantenimiento.
- Rompedores de vacío: Cualquier sistema de vapor que pueda ser aislado del suministro de vapor y no esté abierto a la atmósfera (como líneas de vapor o intercambiadores de calor de caldera, de placas o de haz de tubos aislados) debe tener rompedores de vacío. Cuando el vapor se enfría en el interior del equipo, se condensa, y el condensado solo ocupa hasta 1/1700º del volumen total de su masa en fase gas, formándose vacío. Los rompedores de vacío protegen los sistemas de vapor de la implosión al evitar esta formación.
- Purga de aire: Durante las paradas y el mantenimiento, se introduce aire en los sistemas de vapor que debe purgarse antes de que el sistema vuelva a estar en servicio. La presencia de aire puede formar capas finas en las superficies de transferencia de calor, creando un efecto aislante que dificulta la operación y provoca lentitud en la puesta en marcha. Los purgadores de vapor no deben ser la única forma de ventear el aire, ya que están ubicados en el punto más bajo del sistema, y el aire caliente tiende a acumularse en el punto más alto. Los dispositivos de venteo de aire automáticos, instalados en el extremo de una tubería principal de vapor o en el punto más alto del equipo (unidos a un rompedor de vacío), son una de las formas más eficientes de eliminar el aire.
- Drenaje de condensado: El drenaje del condensado se efectúa bien por gravedad o por presión diferencial. Si es posible, el equipo de transferencia de calor se debe instalar de modo que facilite el drenaje gravitacional sin elevación vertical antes o después de los purgadores de vapor. Esto es crucial en cualquier aplicación que incluya una válvula de control de vapor por modulación. La contrapresión imprevista en dispositivos de drenaje puede producir fallos prematuros y problemas de rendimiento debido a que favorece la acumulación de condensado, lo que resultará en golpes de ariete, mal control de la temperatura, reducción de la eficiencia y problemas de corrosión.
- Calidad del vapor: Las aplicaciones típicas de caldeado con vapor requieren un suministro 100% de vapor saturado de calidad. El vapor sobrecalentado puede provocar problemas de rendimiento si no se tiene en cuenta en el diseño original del sistema de vapor.
- Válvulas de aislamiento: Las válvulas de bola son una solución segura, fiable y rentable para el aislamiento sin fugas de un sistema de vapor, permitiendo una rápida identificación del estado de aislamiento gracias a la orientación del mando. Las válvulas de bola hasta 2 pulgadas se pueden adquirir con mandos con bloqueo, una práctica de seguridad importante en cuanto a bloqueo y etiquetado.
- Selección de purgadores de vapor: Los purgadores tienen muchos y diferentes diseños mecánicos para satisfacer diversas aplicaciones. Para aplicaciones de intercambiadores de calor será más adecuado un purgador de vapor de tipo mecánico para modular el caudal. Otras consideraciones incluyen el caudal máximo y mínimo, requisitos de cebado, venteo de aire, pruebas funcionales y opciones de montaje. La instalación de un bypass aguas abajo permite la comprobación visual, fácil y rápida de la descarga de condensado.
- Instalación de tamices: La contaminación por corrosión y sus subproductos es habitual en una línea de vapor. Los contaminantes pueden alojarse en el interior de la válvula de control y en los asientos de las válvulas de aislamiento y de los purgadores de vapor, provocando fallos prematuros. El tamiz actuará como un filtro, evitando que los contaminantes externos entren en el sistema. Al instalar el tamiz, siempre se debe incluir una válvula de purga con un sistema de bloqueo y ventear la descarga hacia una ubicación segura. El tamiz debe instalarse con el elemento filtrante en posición horizontal para prevenir la acumulación de condensado en el cuerpo de la membrana.
Aplicaciones de los Intercambiadores de Calor Tubulares
Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeración, aire acondicionado, calefacción, producción de energía, procesamiento químico, etc. Los intercambiadores de calor tubulares son equipos de proceso muy utilizados en diferentes sectores industriales por la versatilidad de aplicaciones en las que pueden ser usados, como en la industria química, alimentaria, farmacéutica y de generación de energía.
Un ejemplo de aplicación es el calentamiento y esterilización de fluidos orgánicos. En la industria, un intercambiador de calor de tubos concéntricos puede ser utilizado para calentar fluidos orgánicos (como jugo de frutas o vegetales) desde temperatura ambiente hasta rangos entre 85 °C y 115 °C. Esto se hace con el fin de disminuir la viscosidad del fluido para procesos posteriores, como la separación semilla-corteza, garantizando la inocuidad de los alimentos. Aunque existen pérdidas por radiación y convección, inevitables en estos equipos, la determinación del área de transferencia de calor y la eficiencia son fundamentales para su diseño y operación.
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