Calentamiento con Serpentines y Camisas

El calentamiento indirecto de fluidos se cubre en este tutorial incluyendo diseños, control y drenaje de serpentines y camisas, y cálculos de transferencia de calor.

Los recipientes pueden calentarse de diferentes maneras. Este módulo tratará el calentamiento indirecto. En estos sistemas, el calor se transfiere a través de una superficie de transferencia de calor. Las opciones incluyen:

El uso de serpentines para tanques es particularmente común en aplicaciones marinas donde cargas de crudo, aceites comestibles, sebo y melazas se calientan en tanques profundos. Muchos de estos líquidos son difíciles de manejar a temperaturas ambiente debido a su viscosidad. Los serpentines calentados por vapor se usan para elevar la temperatura de estos líquidos, reduciendo su viscosidad para que sean más fáciles de bombear.

Los serpentines para tanques también se usan extensamente en galvanoplastia y tratamiento de metales. La galvanoplastia implica pasar artículos a través de varios tanques de proceso de modo que se puedan depositar recubrimientos metálicos en sus superficies. Una de las primeras etapas en este proceso se conoce como decapado, donde materiales como acero y cobre se tratan sumergiéndolos en tanques de solución ácida o cáustica para eliminar cualquier incrustación u óxido (por ejemplo, herrumbre) que se haya formado.

Dimensionamiento de serpentines de vapor

Habiendo determinado la energía requerida (Módulo anterior), y con el conocimiento de la presión/temperatura del vapor en el serpentín, la superficie de transferencia de calor puede determinarse usando la Ecuación 2.5.3:

El área de transferencia de calor calculada es equivalente al área de la superficie del serpentín, y permitirá especificar un tamaño y disposición apropiados. Determinando el valor ‘U’ Para calcular el área de transferencia de calor, debe elegirse un valor para el coeficiente de transferencia de calor global, U. Esto variará considerablemente con las propiedades térmicas y de transporte de ambos fluidos y una gama de otras condiciones. En el lado del producto del serpentín existirá una capa límite térmica en la que hay un gradiente de temperatura entre la superficie y el fluido en masa. Si esta diferencia de temperatura es relativamente grande, entonces las corrientes de convección natural serán significativas y el coeficiente de transferencia de calor será alto. La circulación asistida (como agitación) que inducirá convección forzada, también resultará en coeficientes más altos. Como la convección depende parcialmente del movimiento en masa del fluido, la viscosidad (que varía con la temperatura) también tiene un impacto importante en la capa límite térmica. Variaciones adicionales también pueden ocurrir en el lado del vapor del serpentín, especialmente con largas longitudes de tubería. La entrada del serpentín puede tener una alta velocidad de vapor y puede estar relativamente libre de agua.

Sin embargo, más adelante en la longitud del serpentín, la velocidad del vapor puede ser menor, y el serpentín puede estar funcionando parcialmente lleno de agua. En serpentines muy largos, como los que a veces se encuentran en petroleros de alta mar o en grandes tanques de almacenamiento a granel, ocurre una caída de presión significativa a lo largo de la longitud del serpentín. Para lograr la temperatura media del serpentín, puede usarse una presión de vapor promedio de aproximadamente el 75% de la presión de entrada. En casos extremos, la presión promedio usada puede ser tan baja como el 40% de la presión de entrada. Otra variable es el material del serpentín mismo. La conductividad térmica del material del serpentín puede variar considerablemente. Sin embargo, la transferencia de calor global está gobernada en gran medida por las películas resistentes al calor, y la conductividad térmica del material del serpentín no es tan significativa como su efecto combinado. La Tabla 2.10.1 proporciona coeficientes típicos de transferencia de calor global para varias condiciones de aplicación de serpentines de vapor sumergidos. Los valores ‘U’ para presiones de vapor entre 2 bar g y 6 bar g deben encontrarse por interpolación de los datos en la tabla.

Tabla 2.10.1 Tasas de emisión de calor para serpentines de vapor sumergidos en agua

El rango de cifras mostrado en la Tabla 2.10.1 demuestra la dificultad en proporcionar valores ‘U’ definitivos. Las cifras habituales en el extremo superior de la escala se aplicarán a instalaciones que son suministradas con vapor limpio y seco, serpentines pequeños y buen drenaje de condensado. El extremo inferior es más aplicable a vapor de mala calidad, serpentines largos y mal drenaje de condensado.

Los coeficientes de transferencia de calor global recomendados se aplicarán a condiciones e instalaciones típicas. Estas tasas recomendadas se derivan empíricamente, y generalmente asegurarán que un margen de seguridad generoso se aplique al dimensionamiento del serpentín. En el caso de fluidos diferentes al agua, el coeficiente de transferencia de calor variará aún más ampliamente debido a la manera en que la viscosidad varía con la temperatura. Sin embargo, los valores mostrados en la Tabla 2.10.2 servirán como guía para algunas sustancias comúnmente encontradas, mientras que la Tabla 2.10.3 da las áreas superficiales típicas de tuberías por metro de longitud.

Tabla 2.10.2 Tasas de emisión de calor para serpentines de vapor sumergidos en líquidos misceláneos

• Ciertos materiales como sebo y margarina son sólidos a temperaturas normales pero tienen viscosidades bastante bajas en estado fundido.

** La melaza comercial frecuentemente contiene agua y la viscosidad es mucho menor.

Tabla 2.10.3 Áreas superficiales nominales de tuberías de acero por metro de longitud

Ejemplo 2.​10.1

Continuando del Ejemplo 2.9.1 determine:

• Parte 1. El flujo másico promedio de vapor durante el arranque. (Carga media de calor = 367 kW)
• Parte 2. El área de transferencia de calor requerida.
• Parte 3. Un área de superficie de serpentín recomendada.
• Parte 4. El flujo máximo de vapor con el área de transferencia de calor recomendada.
• Parte 5. Una recomendación para la instalación, incluyendo el diámetro del serpentín y la disposición. Se ha proporcionado la siguiente información adicional:
• Presión de vapor en la válvula de control = 2.6 bar g (3.6 bar a).
• Un serpentín de vapor de acero inoxidable proporciona calor.
• Coeficiente de transferencia de calor de vapor/serpentín/líquido, U = 650 W/m² °C Parte 1 Calcular el flujo másico promedio de vapor durante el arranque Presión de vapor en la válvula de control = 2.6 bar g (3.6 bar a) La caída de presión crítica (CPD) ocurrirá a través de la válvula de control durante el arranque, por lo que la presión mínima de vapor en el serpentín de calentamiento debe tomarse como el 58% de la presión absoluta aguas arriba. Una explicación de esto se da en el Bloque 5.

Parte 2 Calcular el área de transferencia de calor requerida

Parte 3 Una recomendación para el área de superficie del serpentín Debido a las dificultades para proporcionar valores ‘U’ precisos, y para permitir el ensuciamiento futuro de la superficie de intercambio de calor, es usual agregar un 10% al área de transferencia de calor calculada.

Parte 4 El flujo máximo de vapor con el área de transferencia de calor recomendada La transferencia de calor máxima (y por tanto la demanda de vapor) ocurrirá cuando la diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido de proceso sea máxima, y debe considerar el área adicional de tubería permitida para el ensuciamiento. (a) Considere la capacidad máxima de calentamiento del serpentín Q̇(serpentín)

(b) Flujo de vapor para entregar 519 kW

Parte 5 Una recomendación para la instalación, incluyendo el diámetro del serpentín y la disposición (a) Determinar el diámetro y longitud del serpentín

Puede ser difícil acomodar esta longitud de tubería de calentamiento de gran diámetro en un tanque de 3 m × 3 m.

Una solución sería correr un banco de tuberías paralelas entre colectores de vapor y condensado, colocados a diferentes alturas para alentar que el condensado fluya hacia el colector inferior (de condensado). La línea de drenaje debe caer desde la parte inferior del colector de condensado hasta la trampa de vapor (o bomba-trampa). Consulte la Figura 2.10.1 para una disposición sugerida.

Note que el suministro de vapor está situado en un extremo de su colector, mientras que el conjunto de trampa está en el otro extremo. Esto ayudará a que el vapor fluya y empuje el condensado a través de los serpentines.

En la aplicación, los colectores de vapor y condensado tendrían cada uno 2.8 m de longitud. Como el colector de condensado está conteniendo condensado, el calor de él será pequeño comparado con el colector de vapor y esto puede ignorarse en el cálculo. El colector de vapor debe ser de 100 mm de diámetro como lo determinó el cálculo previo de velocidad. Esto proporcionará un área de calentamiento de: 2.8 m x 0.358 m²/m = 1.0 m² En consecuencia, 7 m² - 1 m² = 6 m² de área de transferencia de calor aún se requieren, y deben ser proporcionados por las tuberías de conexión. Seleccionando arbitrariamente tubería de 32 mm como un buen compromiso entre robustez y manejabilidad:

Verificación Es necesario confirmar la velocidad del vapor a través de los tubos de conexión: Sobre la base de proporcionalidad del área de transferencia de calor, el colector de vapor condensará:

Otras disposiciones de serpentines de vapor

El diseño y disposición del serpentín de vapor dependerán del fluido de proceso que se esté calentando. Cuando el fluido de proceso que se va a calentar es una solución corrosiva, normalmente se recomienda que las conexiones de entrada y salida del serpentín se lleven por encima del borde del tanque, ya que normalmente no es aconsejable perforar a través de los revestimientos resistentes a la corrosión del lateral del tanque. Esto asegurará que no haya puntos débiles en el revestimiento del tanque, donde existe riesgo de fuga de líquidos corrosivos. En estos casos el serpentín mismo puede también estar hecho de material resistente a la corrosión como acero recubierto de plomo o cobre, o aleaciones como titanio. Sin embargo, donde no hay peligro de corrosión, deben evitarse los levantamientos sobre la estructura del tanque, y las conexiones de entrada y salida del vapor pueden tomarse a través del lateral del tanque. La presencia de cualquier levantamiento resultará en encharcamiento de una proporción de la longitud del serpentín, y posiblemente golpe de ariete, ruido y tuberías con fugas. Los serpentines de calentamiento de vapor generalmente deben tener una caída gradual desde la entrada hasta la salida para asegurar que el condensado fluya hacia la salida y no se acumule en la parte inferior del serpentín. Donde un levantamiento es inevitable, debe diseñarse para incluir un arreglo de sello en la parte inferior del levantamiento y un tubo de inmersión de pequeño diámetro, como se muestra en la Figura 2.10.2.

El arreglo de sello permite que se acumule una pequeña cantidad de condensado para actuar como un sello de agua, y previene la ocurrencia de bloqueo de vapor. Sin este sello, el vapor puede pasar sobre cualquier condensado que se acumule en la parte inferior de la tubería, y cerrar la trampa de vapor en la parte superior del tubo ascendente.

El nivel de condensado se elevará entonces y formará un sello temporal de agua, bloqueando el vapor entre la parte inferior del tubo ascendente y la trampa de vapor. La trampa de vapor permanece cerrada hasta que el vapor bloqueado se condense, durante cuyo tiempo el serpentín continúa encharcándose. Cuando el vapor bloqueado se condensa y la trampa de vapor se abre, un tapón de agua se descarga por el tubo ascendente. En cuanto se rompe el sello de agua, el vapor entrará en el tubo ascendente y cerrará la trampa, mientras la columna rota de agua cae de regreso para quedar en la parte inferior del serpentín de calentamiento. El tubo de inmersión de pequeño diámetro solo permitirá que un volumen muy pequeño de vapor se bloquee en el tubo ascendente. Permite que la columna de agua se mantenga fácilmente sin que el vapor burbujee a través de ella, asegurando que haya un flujo de condensado continuo y constante hacia la salida. Cuando finalmente se rompe el sello, un volumen menor de agua retornará al serpentín de calentamiento que con un tubo ascendente de gran diámetro sin restricción, pero como el arreglo de sello de agua requiere un volumen menor de condensado para formar un sello de agua, se reformará inmediatamente. Si el proceso involucra artículos que se sumergen en el líquido, puede no ser conveniente instalar el serpentín en la parte inferior del tanque - puede ser dañado por los objetos que se sumergen en la solución.

Además, durante ciertos procesos, depósitos pesados se asentarán en la parte inferior del tanque y pueden cubrir rápidamente la superficie de calentamiento, inhibiendo la transferencia de calor. Por estas razones, los serpentines laterales se usan frecuentemente en la industria de galvanoplastia. En tales casos, serpentines en zigzag o tipo placa se disponen por el lateral de un tanque, como se muestra en la Figura 2.10.3. Estos serpentines también deben tener una caída hacia la parte inferior con un sello de agua y un tubo de inmersión de pequeño diámetro. Este arreglo tiene la ventaja de que a menudo es más fácil de instalar, y también más fácil de remover para limpieza periódica si se requiere.

Si los artículos se van a sumergir en el tanque, puede no ser posible usar ningún tipo de agitador para inducir convección forzada y prevenir que ocurran gradientes de temperatura a lo largo del tanque. Ya sea que se usen serpentines inferiores o laterales, es esencial que se dispongan con una cobertura adecuada para que el calor se distribuya uniformemente por todo el cuerpo del líquido.

El diámetro del serpentín debe proporcionar una longitud suficiente de serpentín para una buena distribución. Una longitud corta de serpentín con un diámetro grande puede no proporcionar una distribución adecuada de temperatura. Sin embargo, una longitud muy larga y continua de serpentín puede experimentar un gradiente de temperatura debido a la caída de presión de extremo a extremo, resultando en un calentamiento desigual del líquido. Aunque los dos siguientes encabezados, ‘Dimensionamiento de la válvula de control’ y ‘El dispositivo de remoción de condensado’ están incluidos en este Módulo, el lector nuevo debe referirse a Bloques y Módulos posteriores en el Centro de Aprendizaje para obtener información completa y exhaustiva, antes de intentar el dimensionamiento y selección de equipos.

Disposición de la válvula de control

El conjunto de la válvula de control puede ser una o dos válvulas en paralelo. Una sola válvula de control, lo suficientemente grande para manejar el caudal máximo encontrado durante el arranque, puede ser incapaz de controlar el flujo con precisión en el caudal mínimo esperado. Esto podría causar un control errático de la temperatura.

Una alternativa es instalar dos válvulas de control de temperatura en paralelo:

• Una válvula (válvula de operación) dimensionada para controlar a la tasa de flujo más baja.
• Una segunda válvula (válvula de arranque) para pasar la diferencia entre la capacidad de la primera válvula y el caudal máximo. La válvula de arranque tendría un punto de ajuste ligeramente más bajo que la válvula de operación, de modo que se cerraría primero, dejando la válvula de operación para controlar a cargas bajas.

Dimensionamiento de la válvula de control

El conjunto de la válvula de control (ya sea una válvula o dos válvulas en paralelo). El serpentín se ha dimensionado basándose en valores medios de transferencia de calor. Sin embargo, puede ser mejor dimensionar la válvula de control para suministrar la carga máxima (de arranque). Con serpentines grandes en tanques, esto ayudará a mantener un grado de presión de vapor a lo largo de la longitud del serpentín cuando se enciende el vapor, ayudando a empujar el condensado a través del serpentín hasta el dispositivo de trampa de vapor. Si la válvula de control se dimensionara con valores medios, la presión de vapor en el serpentín durante el arranque tenderá a ser más baja y el serpentín puede inundarse.

Usando una válvula

Continuando con el Ejemplo 2.10.1, la carga máxima de vapor es 850 kg/h y el serpentín está diseñado para entregar esto a una presión de 1.1 bar g. Una carta de dimensionamiento de válvulas de vapor mostraría que se requiere un Kv de aproximadamente 20 para pasar 850 kg/h de vapor con una presión de 2.6 bar g en la entrada de la válvula de control, y Caída de Presión Crítica (CPD) a través de la válvula. (El Módulo 6.4 mostrará cómo puede determinarse el tamaño de la válvula por cálculo). Por lo tanto, debe seleccionarse una válvula de control DN40 con un Kvs mayor de 25 para la aplicación. Si se va a usar una válvula, esta válvula debe asegurar que la carga térmica máxima sea atendida, mientras mantiene la presión de vapor requerida en el serpentín para asistir el drenaje de condensado del mismo durante el arranque. Sin embargo, por razones previamente explicadas, dos válvulas pueden ser mejores. La carga de operación es 52 kW y con el serpentín operando a 1.1 bar g, la carga de vapor de operación:

La carta de dimensionamiento de válvulas de vapor muestra que se requiere un Kv de 2 para pasar 85 kg/h con 3.6 bar aguas arriba, operando a caída de presión crítica.

Una válvula DN15 tipo KE (Kvs = 4) y una válvula de pistón DN25 (Kvs = 18.6) operando juntas atenderán la carga de arranque. Al acercarse a la temperatura de control, la válvula más grande se ajustaría para cerrarse, permitiendo que la más pequeña dé un buen control.

El dispositivo de remoción de condensado

La selección y dimensionamiento del dispositivo de remoción de condensado estará muy influenciado por la contrapresión del condensado. Para el propósito de este ejemplo, se asume que la contrapresión es la presión atmosférica. El dispositivo debe dimensionarse para que pueda satisfacer ambas condiciones siguientes

:

1. Pasar 850 kg/h de condensado con 1.1 bar g en el serpentín, es decir, la condición de carga completa.
2. Pasar la carga de condensado cuando la presión del vapor en el serpentín es igual a la contrapresión del condensado, es decir, la condición de carga de parada. Si la trampa de vapor solo se dimensiona con la primera condición, es posible que no pase la carga de parada (la condición donde el producto se acerca a su temperatura requerida y la válvula de control modula para reducir la presión del vapor). La carga de parada puede ser considerable. Con respecto a aplicaciones de tipo no flujo como tanques, esto puede no ser demasiado serio desde un punto de vista térmico porque el contenido del tanque estará casi a la temperatura requerida, y tendrá un enorme reservorio de calor. Cualquier reducción en la transferencia de calor en esta parte del proceso de calentamiento puede tener poco efecto inmediato en el contenido del tanque. Sin embargo, el condensado se acumulará en el serpentín y ocurrirá golpe de ariete, junto con sus síntomas y tensiones mecánicas asociadas. Los serpentines de tanques en tanques circulares grandes tienden a ser de construcción robusta, y a menudo son capaces de resistir tales tensiones. Los problemas sin embargo pueden ocurrir en tanques rectangulares (que tienden a ser más pequeños), donde la vibración en el serpentín tendrá más efecto en la estructura del tanque. Aquí, la energía disipada por el golpe de ariete causa vibración, que puede ser perjudicial para la vida del serpentín, el tanque y la trampa de vapor, además de crear ruido desagradable. Con respecto a aplicaciones de flujo como intercambiadores de calor de placas, una falla al considerar la condición de parada generalmente tendrá implicaciones serias. Esto se debe principalmente al pequeño volumen en el intercambiador de calor. Para intercambiadores de calor, cualquier reducción no deseada en el área de superficie de calentamiento, como la causada por el respaldo de condensado en el espacio de vapor, puede afectar el flujo de calor a través de la superficie de calentamiento. Esto puede causar que el sistema de control se vuelva errático e inestable, y los procesos que requieren control estable o preciso pueden sufrir con un rendimiento pobre. Si los intercambiadores de calor están sobredimensionados, puede permanecer suficiente superficie de calentamiento cuando el condensado se respalda en el espacio de vapor, y la reducción del rendimiento térmico puede no siempre ocurrir. Sin embargo, con intercambiadores de calor no diseñados para soportar los efectos del encharcamiento, esto puede llevar a la corrosión de la superficie de calentamiento, reduciendo inevitablemente la vida útil del intercambiador. El encharcamiento puede, en algunas aplicaciones, ser costoso. Considere un serpentín de protección contra heladas de un calentador de aire encharcado. El aire frío a 4 °C fluyendo a 3 m/s puede pronto congelar el condensado bloqueado en los serpentines, resultando en un fallo prematuro e injustificado. El drenaje adecuado de condensado es esencial para mantener la vida útil de cualquier intercambiador de calor y calentador de aire. Las trampas de vapor son dispositivos que modulan para permitir cantidades variables de condensado para drenar de aplicaciones bajo condiciones variables. Las trampas de flotador son trampas de vapor diseñadas para modular y liberar condensado cerca de la temperatura del vapor, ofreciendo máximo rendimiento de la planta, máxima vida útil de la planta, y máximo retorno de la inversión en la planta. Cuando ocurren condiciones de parada, y no puede usarse una trampa de vapor, una bomba-trampa automática o bomba y trampa en combinación asegurarán el drenaje correcto de condensado en todo momento, maximizando así la capacidad térmica y los costos de por vida de la planta.

El tipo de camisa de vapor más comúnmente usado consiste simplemente en un cilindro exterior rodeando el recipiente, como se muestra en la Figura 2.10.4. El vapor circula en la camisa exterior, y se condensa en la pared del recipiente. Los recipientes con camisa también pueden aislarse, o pueden contener un espacio de aire interior rodeando la camisa. Esto es para asegurar que la menor cantidad posible de vapor se condense en la pared exterior de la camisa, y que el calor se transfiera hacia el interior del recipiente.

El área de transferencia de calor (el área de la superficie de la pared del recipiente), puede calcularse de la misma manera que con un serpentín de vapor, usando la Ecuación 2.5.3 y los coeficientes de transferencia de calor global proporcionados en la Tabla 2.10.4.

Aunque las camisas de vapor pueden ser generalmente menos eficientes térmicamente que los serpentines sumergidos, debido a las pérdidas de radiación al entorno, permiten espacio para que los recipientes se agiten de modo que la transferencia de calor se promueva. Los valores U listados en la Tabla 2.10.4. son para agitación moderada no proximal. Comúnmente las paredes del recipiente están hechas de acero inoxidable o acero al carbono con revestimiento de vidrio. El revestimiento de vidrio ofrecerá una capa adicional resistente a la corrosión. El tamaño del espacio de la camisa de vapor dependerá del tamaño del recipiente, pero típicamente el ancho puede ser entre 50 mm y 300 mm.

Tabla 2.10.4 Coeficientes de transferencia de calor global para camisas de vapor