Intercambiadores de Calor Sobredimensionados

Los intercambiadores de calor se compran a menudo sobredimensionados para la capacidad requerida. Este tutorial examina las razones, los efectos que esto tiene y los requisitos relacionados, como el dimensionamiento de la trampa para intercambiadores sobredimensionados.

Los cálculos anteriores (Módulo 13.2) asumieron que el intercambiador de calor había sido dimensionado con el área de calentamiento perfecta para cumplir la especificación. Esto significaría que el intercambiador de calor estaba exactamente dimensionado para la capacidad.

Esto es altamente improbable en la práctica ya que el diseñador o especificador generalmente añadirá otros factores, incluyendo aquellos por ensuciamiento e incertidumbre de las cargas máximas de operación. También es improbable que los fabricantes puedan suministrar intercambiadores de calor que coincidan exactamente con una especificación. Como los intercambiadores de calor de tamaño insuficiente son imprácticos, generalmente se compran sobredimensionados.

Las condiciones de operación establecidas en el Ejemplo 13.2.1, Parte ‘C’, se han reconsiderado en el Ejemplo 13.3.1 añadiendo un 15% al área de calentamiento requerida para tener en cuenta contingencias.

El área de calentamiento requerida se calcula en 1,09 m² (Ejemplo 13.2.1, Parte ‘C’) por lo tanto el área de calentamiento especificada para el Ejemplo 13.3.1 será 1,09 + 15% = 1,254 m².

El tamaño mínimo que el fabricante puede suministrar tiene un área de calentamiento de 1,31 m², representando un área de calentamiento real de aproximadamente un 20% por encima de la requerida. Un área de calentamiento mayor requiere menor presión de vapor para la misma tasa de transferencia de calor, y debido a esto, la presión del vapor en un intercambiador de calor sobredimensionado será menor para la misma carga de calor.

Como la presión del vapor es menor, la temperatura del vapor es menor, y el LMTD (Diferencia de Temperatura Media Logarítmica) del intercambiador de calor también será menor.

Para determinar la temperatura del vapor para la condición de diseño, primero es necesario encontrar el nuevo LMTD (ΔTLM) para el área de calentamiento mayor (ver Ejemplo 13.3.1).

Ejemplo 13.3.1

El ΔTLM puede encontrarse reordenando la Ecuación 13.2.1 para dar la Ecuación 13.3.1 Del Ejemplo 13.2.2, a carga completa: La temperatura de entrada secundaria (T1) = 10°C

La temperatura de salida secundaria (T2) = 60°C

La nueva temperatura de diseño del vapor puede ahora determinarse usando la Ecuación 2.5.5: Esta temperatura corresponde a una presión de vapor de 1,95 bar g. Cuando el intercambiador de calor estaba perfectamente dimensionado en el Módulo 13.2, la presión del vapor era 4 bar g. En este ejemplo, con un intercambiador de calor sobredimensionado un 20%, la presión del vapor es un 51% menor.

Ahora que la presión del vapor ha sido predicha en la condición de carga completa, es posible calcular el flujo de vapor a carga completa. Usando la Ecuación 2.8.1, encuentre el caudal de vapor a la carga de calor completa de 314,25 kW. A 1,95 bar g, las tablas de vapor indican que la entalpía de evaporación es 2 164,6 kJ/kg. El flujo de vapor era 536,6 kg/h en el intercambiador de calor perfectamente dimensionado (Ejemplo 13.2.1), por lo que se puede ver que hay una pequeña caída (2,5%) en el caudal másico. Esto se debe a que el vapor tiene una entalpía de evaporación ligeramente mayor en el intercambiador de calor más grande debido a su menor presión.

Determinar el TDC para el intercambiador de calor más grande Ahora que la temperatura del vapor ha sido determinada para el intercambiador de calor sobredimensionado (usando la ecuación LMTD [Ecuación 2.5.5]), ahora es posible encontrar su TDC, usando la Ecuación 13.2.2. A la carga de calor mínima: Cuando el intercambiador de calor estaba perfectamente dimensionado en el Ejemplo 13.2.1 la temperatura del vapor era 115,2°C a la carga de calor mínima de 188,5 kW.

Debido a que el intercambiador de calor sobredimensionado en este ejemplo es aproximadamente un 20% más grande, la temperatura del vapor también será menor a la carga de calor mínima. La carga de calor mínima permanece igual que en el Ejemplo 13.2.1 y ocurre cuando la temperatura de entrada secundaria aumenta a 30°C. De la Ecuación 13.2.3: Comparando los dos intercambiadores de calor a carga mínima, la temperatura del vapor ha caído de 115,2°C en el intercambiador de calor perfectamente dimensionado a 103,8°C en el intercambiador de calor sobredimensionado.

De las tablas de vapor, esta temperatura del vapor corresponde con una presión de vapor de aproximadamente 0,15 bar g, y hfg = 2 247 kJ/kg. La presión del vapor en el intercambiador perfectamente dimensionado (a 115,2°C) era 0,7 bar g.

Usando la Ecuación 2.8.1, es posible encontrar el flujo de vapor a la carga de calor mínima de 188,5 kW. El flujo mínimo de vapor era 306 kg/h en el intercambiador de calor perfectamente dimensionado (Ejemplo 3.2.1), por lo que se puede ver que hay una caída marginal en el flujo másico en el intercambiador de calor sobredimensionado a la carga de calor mínima. Esto se debe a que el vapor tiene una entalpía de evaporación ligeramente mayor en el intercambiador de calor más grande debido a su menor presión.

La presión del vapor, la trampa de vapor y la remoción efectiva de condensado

A medida que el vapor cede su calor a través de la superficie de transferencia de calor al fluido secundario, se condensa en el espacio de vapor. El condensado pasa a través de la salida del intercambiador de calor, y a través de una trampa de vapor, que atrapa el vapor en el espacio de vapor mientras permite que el condensado se descargue libremente.

Si el intercambiador de calor no ha sido diseñado específicamente para operar con condensado inundando el espacio de vapor, la presión del vapor necesita una consideración cuidadosa para asegurar que el intercambiador de calor se drene adecuadamente de condensado. Cualquier encharcamiento del espacio de vapor reducirá el área de superficie de calentamiento efectiva, y el requisito de transferencia de calor puede satisfacerse solo si el intercambiador está suficientemente (quizás accidentalmente) sobredimensionado.

La capacidad de la trampa de vapor dependerá de su tipo, el tamaño de su orificio y la presión diferencial a través de ella. La presión diferencial proporciona la energía para empujar el condensado a través de la trampa, y es la diferencia entre la presión del vapor en el intercambiador de calor, y la contrapresión ejercida en la salida de la trampa por el sistema de condensado.

Si la trampa de vapor drena por gravedad a través de una tubería correctamente dimensionada a un receptor de condensado ventilado o un extremo abierto, la contrapresión debe estar muy cerca de la atmosférica. Bajo estas condiciones, la presión diferencial en un gráfico de dimensionamiento puede simplemente leerse como la presión manométrica en el intercambiador de calor.

Si, sin embargo, hay una elevación después de la trampa (un ascenso en la línea de descarga de la trampa), o la línea de descarga de la trampa es de tamaño insuficiente, o esta línea está presurizada por cualquier otra razón, la contrapresión puede, a veces, ser mayor que la presión en el espacio de vapor. Cuando esto es así, la presión diferencial a través de la trampa se invierte y se considera una ‘presión diferencial negativa’. La capacidad de la trampa es ahora cero.

Como se puede ver en los cálculos anteriores, la presión del vapor en cualquier intercambiador de calor está gobernada por su tamaño y las condiciones secundarias. Como la capacidad de la trampa de vapor depende de la presión diferencial, se deduce que los cambios en la presión del vapor y la contrapresión afectan la capacidad de la trampa de vapor en todo momento. A medida que la presión diferencial se reduce, la capacidad de la trampa de vapor caerá. Siempre que la presión diferencial sea positiva y la trampa de vapor se seleccione y dimensione teniendo esto en cuenta, el encharcamiento y sus problemas asociados no ocurrirán.

Dimensionamiento de la trampa de vapor para el intercambiador de calor sobredimensionado Las condiciones que necesitan consideración son:

• Carga completa: 523 kg/h a 1,95 bar g en el espacio de vapor
• Carga mínima: 302 kg/h a 0,15 bar g en el espacio de vapor
• Contrapresión: Presión atmosférica (0 bar g) Considere, en el gráfico de capacidad de la trampa flotador Figura 13.3.2, una trampa de vapor flotador de bola DN25 (1”) FT14-4.5. Se puede ver que pasará 850 kg/h a una presión diferencial de 1,95 bar. También puede verse que a una presión diferencial de 0,15 bar pasará aproximadamente 370 kg/h. En este ejemplo, considere la trampa instalada en el intercambiador de calor sobredimensionado y drenando por gravedad a un receptor de condensado ventilado, como se representa en la Figura 13.3.1.

Para asegurar un drenaje adecuado, la trampa de vapor debe ser capaz de manejar todas las cargas entre las condiciones de carga completa y carga mínima.

Como la contrapresión del condensado es atmosférica en este ejemplo, la presión mínima del espacio de vapor de 0,15 bar g es siempre mayor que la contrapresión. Se puede ver del gráfico de capacidad (Figura 13.3.2) que la trampa tiene suficiente capacidad en las cargas mínimas y máximas, por lo que la trampa de vapor flotador de bola DN25 (1”) FT14-4.5 es lo suficientemente grande.

Sin embargo, si en este ejemplo, la contrapresión fuera mayor que la presión mínima del vapor de 0,15 bar g, el sistema se estancaría en algún lugar dentro del rango normal de operación. (Esto solo requeriría una elevación de apenas más de 1,5 metros después de la trampa para causar esto). En consecuencia, la trampa tendría que seleccionarse y dimensionarse dependiendo de la cantidad de contrapresión. Con cantidades mayores de contrapresión puede ser necesario instalar una trampa de bombeo.

El asesoramiento sobre cómo seleccionar la trampa correcta para un intercambiador de calor se da en el Módulo 13.4.