- Flujo Secundario Variable - Temperatura de Entrada Constante - Temperatura de Salida Constante
Caudal variable con temperatura de entrada/salida constante
No todos los intercambiadores de calor se requieren para operar con un flujo secundario constante. Las aplicaciones típicas podrían incluir el suministro de agua caliente a procesos por lotes como tanques y cubas. El suministro de agua caliente a cada tanque se controla ya sea mediante una válvula de bola encendido/apagado o una válvula de globo modulante; no hay recirculación de agua de vuelta al intercambiador de calor. El agua de reposición fría simplemente se calienta según la demanda de agua caliente, como se representa en la Figura 13.6.1. Una válvula de control modulante en el suministro de vapor al intercambiador de calor regula la temperatura del agua caliente que se extrae. El agua de reposición fría puede suministrarse desde una línea principal presurizada, y su temperatura puede alterarse estacionalmente. Su temperatura más baja probable debe considerarse al considerar la condición de estancamiento.
El gráfico de estancamiento también puede usarse en estos tipos de instalaciones, pero el método de construcción para intercambiadores de calor tubulares es ligeramente diferente al usado para flujo secundario constante. Este método se describe a continuación.
La primera parte de este método es muy similar a la mostrada en el Ejemplo 13.5.1. Con referencia a la Figura 13.6.2, la temperatura del vapor en el intercambiador de calor bajo condiciones de carga completa (Punto A) debe marcarse en el eje vertical izquierdo. La temperatura de salida deseada del fluido secundario debe entonces marcarse en el eje vertical derecho (Punto B).
La temperatura de entrada del fluido secundario (Punto C) debe también marcarse en el eje vertical izquierdo.
La línea horizontal que representa la contrapresión del sistema también debe marcarse en este gráfico. Esta temperatura debe marcarse en el eje vertical derecho en el punto D, con una línea recta conectándola a la misma temperatura en el eje vertical izquierdo en el punto E.
Con referencia a la Figura 13.6.3, la línea de carga secundaria BC debe dibujarse conectando los puntos B y C. Una línea horizontal debe entonces dibujarse desde donde BC cruza la ordenada del 50% de carga, hasta el eje derecho. Esto representa la temperatura media del fluido secundario, y se muestra como punto F.
El punto de temperatura media del fluido secundario F debe entonces conectarse mediante una línea recta diagonal al punto de temperatura del vapor A en el intercambiador de calor bajo carga completa, creando la línea AF.
La línea de contrapresión DE intersectará la línea de vapor AF, o estará por encima del punto A en el gráfico. El punto de intersección entre las líneas AF y DE marca el punto de estancamiento, donde la presión del vapor y la contrapresión son iguales. Una línea vertical puede bajarse desde el punto de estancamiento, para indicar cuándo ocurre la condición de estancamiento.
El punto donde esta línea vertical cruza el eje horizontal inferior (Punto G) debe marcar el porcentaje de carga. Como en el ejemplo anterior, si la línea DE está por encima del punto A, el estancamiento ocurre bajo todas las condiciones de carga.
El porcentaje de carga de estancamiento también puede calcularse usando la Ecuación 13.6.1:
La temperatura mínima del vapor
Debe notarse que la menor temperatura de operación del vapor iguala la temperatura de ajuste en el punto B. Esto ocurre a 70°C en el gráfico de estancamiento, Figura 13.6.4, y está representado por el punto H en la línea de vapor AF.
En la práctica, a medida que la carga de calor disminuye, y la temperatura del vapor se acerca a la temperatura de control secundaria en el punto H, los cambios en la temperatura del vapor ocurren lentamente en lugar del cambio rápido de paso sugerido en el punto H en la Figura 13.6.4. La temperatura del vapor tenderá a caer de manera similar a la mostrada en la Figura 13.6.5. Es difícil e innecesario dibujar esta línea en un gráfico de estancamiento, mientras que la Figura 13.6.4 es práctica y fácil de usar.
Refiriéndose a la Figura 13.6.4, se puede ver en este ejemplo que la temperatura del vapor a cualquier carga menor del 37% es 70°C. En verdad, la caída gradual en la temperatura del vapor es más parecida a la representada en la Figura 13.6.5, pero la diferencia es tan pequeña que es insignificante con respecto a la selección y dimensionamiento del dispositivo de purga.
Ejemplo 13.6.1
La presión del vapor dentro de un intercambiador de calor tubular con un caudal secundario variable a carga completa es 8 bar g, la presión en la línea de condensado es 0,5 bar g, y hay una elevación de 7 metros después de la trampa. A carga completa, el fluido secundario entra al intercambiador de calor a 30°C y sale del intercambiador de calor a 90°C con un caudal de 3,64 L/s.
¿Cuál es el porcentaje de carga en el estancamiento, y cuál es el caudal secundario a través del intercambiador de calor en el estancamiento?
La temperatura de saturación del vapor a 8 bar g es 175°C. Por lo tanto la temperatura del vapor en el intercambiador de calor a carga completa es 175°C. Esto debe trazarse entonces como punto A en la Figura 13.6.6.
La temperatura de salida del fluido secundario de 90°C debe trazarse como punto B, mientras que la temperatura de entrada del fluido secundario de 30°C debe trazarse como punto C.
La elevación en la línea de condensado de 7 m crea una presión diferencial de 0,7 bar, además de la presión de 0,5 bar g en la línea de condensado. Por lo tanto, la contrapresión total del sistema es 1,2 bar g. Como la temperatura de saturación del vapor a 1,2 bar g es 123°C, la línea horizontal DE que representa la contrapresión se dibuja a esta temperatura en la Figura 13.6.6.
En este ejemplo el porcentaje de carga (Punto G) es aproximadamente 55%. Esto significa que el caudal del líquido secundario debe reducirse al 55% del caudal máximo para que ocurra el estancamiento, es decir, 55% de 3,64 L/s = 2 L/s. Esto puede verificarse matemáticamente usando la Ecuación 13.6.1.
La mayoría de las aplicaciones de intercambiador de calor serán ya sea de caudal variable o de temperatura variable como se describió anteriormente y en los Módulos previos en el Bloque 13.
Sin embargo, puede haber también casos donde tanto el caudal como la temperatura de entrada del fluido secundario varían. En estos ejemplos se vuelve más difícil determinar su efecto combinado por interpretación del gráfico de estancamiento. Sistemas como estos pueden analizarse comparando los resultados de ambos métodos mostrados arriba y usando el peor caso.