Consumo de Vapor de Intercambiadores de Calor

Se explican y comparan los diferentes tipos de intercambiadores de calor en este tutorial, junto con cálculos de consumo de vapor y otros problemas como la relevancia de la carga de arranque.

El término intercambiador de calor se aplica estrictamente a todos los tipos de equipos en los que se promueve la transferencia de calor de un medio a otro. Un radiador doméstico, donde el agua caliente cede su calor al aire ambiente, puede describirse como un intercambiador de calor. De manera similar, una caldera de vapor donde los gases de combustión ceden su calor al agua para lograr evaporación, puede describirse como un intercambiador de calor con llama.

Sin embargo, el término a menudo se aplica más específicamente a intercambiadores de calor de carcasa y tubos o intercambiadores de calor de placas, donde un fluido primario como el vapor se usa para calentar un fluido de proceso. Un intercambiador de calor de carcasa y tubos usado para calentar agua para calefacción espacial (usando vapor o agua) a menudo se denomina calentador sin almacenamiento. (Un calentador con almacenamiento, como se muestra en la Figura 2.13.1, se construye de manera diferente, generalmente consiste en un recipiente de almacenamiento de agua caliente con un serpentín de calentamiento primario en su interior).

Los fabricantes a menudo proporcionan una clasificación térmica para sus intercambiadores de calor en kW, y de esto puede determinarse el consumo de vapor, como para las baterías de calentadores de aire. Sin embargo, los intercambiadores de calor (particularmente de carcasa y tubos) son frecuentemente demasiado grandes para los sistemas que están diseñados para atender.

Un calentador sin almacenamiento (como se muestra en la Figura 2.13.2) normalmente se seleccionará de una gama estándar de tamaños, y a menudo puede tener una capacidad mucho mayor que el valor de diseño. Para la calefacción de agua caliente de edificios también puede haber ciertos factores de seguridad incluidos en los cálculos de carga térmica. Los intercambiadores de calor de placas también pueden elegirse de una gama estándar de tamaños si las unidades son soldadas por brasure o soldadura. Sin embargo, hay más flexibilidad en el dimensionamiento de intercambiadores de calor de placas con juntas, donde las placas a menudo pueden agregarse o removerse para lograr el área de transferencia de calor deseada. En muchos casos, los intercambiadores de calor de placas se sobredimensionan simplemente para reducir la caída de presión del fluido secundario. En plantas existentes, una indicación de la carga real puede obtenerse si se conocen las temperaturas de ida y retorno y la tasa de bombeo. Sin embargo, es importante notar que el caudal indicado en la placa del fabricante de la bomba probablemente se relaciona con una altura de presión, que puede o no estar presente en la práctica.

Cálculos de consumo de vapor para intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y los intercambiadores de calor de placas son ejemplos típicos de aplicaciones de tipo flujo. Por lo tanto, al determinar el consumo de vapor para estas aplicaciones, debe usarse la Ecuación 2.6.5.

La carga de arranque puede ignorarse si ocurre raramente, o si el tiempo que toma alcanzar la salida a carga completa no es demasiado importante. Los intercambiadores de calor más a menudo se dimensionan con la carga de operación completa, con la posible adición de factores de seguridad.

Las pérdidas de calor rara vez se tienen en cuenta en estas aplicaciones de tipo flujo, ya que son significativamente menores que la carga de operación completa. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos generalmente se aíslan para prevenir la pérdida de calor, y para prevenir posibles lesiones al personal. Los intercambiadores de calor de placas tienden a ser más compactos y tienen un área de superficie mucho menor expuesta al aire ambiente, en relación con el tamaño de la unidad.

Ejemplo 2.13.1

Determine la carga térmica y la carga de vapor del siguiente calentador sin almacenamiento Un calentador está diseñado para operar a carga completa con vapor a 2.8 bar g en el espacio de vapor primario. Las temperaturas de ida y retorno del agua secundaria son 82 °C y 71 °C respectivamente, a una tasa de agua bombeada de 7.2 kg/s. cp del agua = 4.19 kJ/kg °C

Tabla 2.13.1 Extracto de tablas de vapor

Parte 1 Determinar la carga térmica La carga completa puede calcularse usando la Ecuación 2.6.5:

Parte 2 Determinar la carga de vapor La tasa de condensación a carga completa puede determinarse usando el lado izquierdo de la ecuación de balance de calor 2.6.6:

Intercambiadores de calor de placas

Un intercambiador de calor de placas consiste en una serie de placas metálicas corrugadas delgadas entre las cuales se forman varios canales, con los fluidos primario y secundario fluyendo por canales alternos. La transferencia de calor tiene lugar desde el fluido primario de vapor al fluido de proceso secundario en canales adyacentes a través de la placa. La Figura 2.13.3 muestra una representación esquemática de un intercambiador de calor de placas.

Un patrón corrugado de crestas aumenta la rigidez de las placas y proporciona mayor soporte contra presiones diferenciales. Este patrón también crea flujo turbulento en los canales, mejorando la eficiencia de transferencia de calor, lo que tiende a hacer el intercambiador de calor de placas más compacto que un intercambiador de calor de carcasa y tubos tradicional. La promoción del flujo turbulento también elimina la presencia de áreas estancadas y por lo tanto reduce el ensuciamiento. Las placas generalmente estarán recubiertas en el lado primario, para promover la condensación por gotas del vapor.

El mercado de intercambiadores de calor de vapor fue dominado en el pasado por el intercambiador de calor de carcasa y tubos, mientras que los intercambiadores de calor de placas a menudo han sido favorecidos en la industria alimentaria y el calentamiento de agua usada. Sin embargo, avances recientes en diseño significan que los intercambiadores de calor de placas ahora son igualmente adecuados para aplicaciones de calentamiento por vapor. Un intercambiador de calor de placas puede permitir tanto la condensación como el subenfriamiento del condensado dentro de una sola unidad. Si el condensado se drena a un receptor atmosférico, al reducir la temperatura del condensado, la cantidad de vapor flash perdido a la atmósfera a través de la ventilación del receptor también se reduce. Esto puede eliminar la necesidad de un subenfriador separado o un sistema de recuperación de vapor flash. Aunque un área de transferencia de calor nominal puede calcularse teóricamente usando la Ecuación 2.5.3, los intercambiadores de calor de placas son diseños propietarios y normalmente se especificarán en consulta con los fabricantes. Intercambiadores de calor de placas con juntas (intercambiadores de calor de placas y marco) En un intercambiador de calor de placas con juntas, las placas se sujetan juntas en un marco, y una junta delgada (generalmente un polímero sintético) sella cada placa alrededor del borde. Pernos de ajuste colocados entre las placas se usan para comprimir el paquete de placas entre la placa del marco y la placa de presión. Este diseño permite un fácil desmontaje de la unidad para limpieza, y permite que la capacidad de la unidad se modifique por la simple adición o remoción de placas. El uso de juntas da un grado de flexibilidad al paquete de placas, ofreciendo cierta resistencia a la fatiga térmica y variaciones repentinas de presión. Esto hace que algunos tipos de intercambiadores de calor de placas con juntas sean una elección ideal como calentador de vapor para suministro instantáneo de agua caliente, donde las placas estarán expuestas a cierta cantidad de ciclos térmicos. La limitación en el uso del intercambiador de calor de placas con juntas radica en el rango de temperatura de operación de las juntas, que coloca una restricción en la presión de vapor que puede usarse en estas unidades. Intercambiadores de calor de placas soldadas por brasure En un intercambiador de calor de placas soldadas por brasure, todas las placas se sueldan por brasure juntas (normalmente usando cobre o níquel) en un horno de vacío. Es un desarrollo del intercambiador de calor de placas con juntas, y fue desarrollado para proporcionar más resistencia a presiones y temperaturas más altas a un costo relativamente bajo. Sin embargo, a diferencia de la unidad con juntas, el intercambiador de calor de placas soldadas por brasure no puede desmontarse. Si se requiere limpieza, debe ser lavado en contracorriente o limpiado químicamente. También significa que estas unidades vienen en una gama estándar de tamaños, por consecuencia el sobredimensionamiento es común. Mientras que el intercambiador soldado por brasure tiene un diseño más robusto que el tipo con juntas, también es más propenso a la fatiga térmica debido a su construcción más rígida. Por lo tanto, deben evitarse los cambios repentinos o frecuentes en temperatura y carga, y debe prestarse mayor atención al control en el lado del vapor para evitar la tensión térmica. Los intercambiadores soldados por brasure son más adecuados (y primariamente usados) para aplicaciones donde las variaciones de temperatura son lentas, como en la calefacción espacial. También pueden usarse exitosamente con fluidos secundarios que se expanden gradualmente, como aceite térmico. Intercambiadores de calor de placas soldadas En un intercambiador de calor de placas soldadas, el paquete de placas se mantiene unido por costuras soldadas entre las placas. El uso de técnicas de soldadura láser permite que el paquete de placas sea más flexible que un paquete de placas soldado por brasure, permitiendo que la unidad soldada sea más resistente a la pulsación de presión y los ciclos térmicos. Los límites de operación de alta temperatura y presión de la unidad soldada significan que estos intercambiadores de calor normalmente tienen una especificación más alta, y son más adecuados para aplicaciones pesadas de la industria de proceso. A menudo se usan donde se requiere un rendimiento de alta presión o temperatura, o cuando se van a calentar medios viscosos como aceite y otros hidrocarburos. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos El intercambiador de calor de carcasa y tubos es probablemente el método más común para proporcionar intercambio de calor indirecto en aplicaciones de procesos industriales. Un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en un paquete de tubos encerrados en una carcasa cilíndrica. Los extremos de los tubos se montan en placas tubulares, que separan los fluidos primario y secundario. Donde se usa vapor condensante como medio de calentamiento, el intercambiador de calor generalmente es horizontal con la condensación teniendo lugar dentro de los tubos. El subenfriamiento también puede usarse como medio para recuperar algo de calor adicional del condensado en el intercambiador de calor. Sin embargo, si el grado de subenfriamiento requerido es relativamente grande, a menudo es más conveniente usar un enfriador de condensado separado.

Calentadores sin almacenamiento calentados por vapor

Un diseño común para un calentador sin almacenamiento de vapor a agua se muestra en la Figura 2.13.4. Este se conoce como un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos de ‘un paso de carcasa y dos pasos de tubos’ y consiste en un paquete de tubos en U montado en una placa tubular fija.

Se dice que tiene ‘un paso de carcasa’ porque las conexiones de entrada y salida del fluido secundario están en extremos diferentes del intercambiador de calor, en consecuencia el fluido del lado de la carcasa pasa la longitud de la unidad solo una vez. Se dice que tiene dos pasos de tubos porque las conexiones de entrada y salida del vapor están en el mismo extremo del intercambiador, de modo que el fluido del lado de los tubos pasa la longitud de la unidad dos veces.

Una placa de partición (también llamada placa divisora o placa de separación) divide el cabezal del intercambiador, de modo que el fluido del lado de los tubos se desvía a través del paquete de tubos en U en lugar de pasar directamente por el cabezal. Este es un diseño comparativamente simple y económico porque solo se requiere una placa tubular, pero está limitado en uso a fluidos relativamente limpios ya que los tubos son más difíciles de limpiar. Nota; es más difícil reemplazar un tubo con estos tipos de intercambiadores de calor. Generalmente se proporcionan deflectores en la carcasa, para dirigir el flujo de fluido del lado de la carcasa a través de los tubos, mejorando la tasa de transferencia de calor, y para soportar los tubos. Partiendo desde frío Como se mencionó en el Módulo 2.7, la carga de arranque a menudo puede ignorarse si rara vez ocurre o si el tiempo que toma alcanzar la salida a carga completa no es crítico. Por esta razón, las válvulas de control y los intercambiadores de calor a menudo se encontrarán dimensionados a carga completa más los factores de seguridad habituales. Con sistemas que se apagan por la noche y los fines de semana, la temperatura del agua secundaria puede ser baja en el arranque en una mañana fría de invierno, y las tasas de condensación en los calentadores serán más altas que la condición de carga completa. En consecuencia, la presión en el espacio de vapor puede estar considerablemente por debajo de la presión a la cual normalmente opera el intercambiador de calor, hasta que la temperatura de entrada secundaria se eleve a su valor de diseño. Desde un punto de vista térmico, esto puede no plantear un problema - el sistema simplemente toma más tiempo para calentarse. Sin embargo, si el diseñador no ha tenido en cuenta esta situación, un sistema inadecuado de trampas de vapor y remoción de condensado puede causar que el condensado se acumule en el espacio de vapor. Esto puede causar:

• Corrosión interna.
• Tensión mecánica debido a la distorsión.
• Ruido, debido al golpe de ariete. Estos causarán problemas a intercambiadores de calor no diseñados para resistir tales condiciones. Estimación de cargas de calentamiento Edificios - Un método práctico y subjetivo para estimar una carga de calentamiento es observar el edificio mismo. Los cálculos pueden ser complicados, involucrando factores como el número de cambios de aire y tasas de transferencia de calor a través de paredes de cavidad, ventanas y techos. Sin embargo, generalmente puede obtenerse una estimación razonable tomando el volumen total del edificio y simplemente permitiendo 30 - 40 W/m³ de espacio hasta 3 000 m³, y 15 - 30 W/m³ si es mayor de 3 000 m³. Esto dará una estimación razonable de la carga de calentamiento cuando la temperatura exterior está alrededor de una condición de diseño de -1°C. Una forma práctica de establecer el consumo de vapor para una instalación existente es usar un medidor de flujo de vapor preciso y confiable.

Ejemplo 2.13.2

Determine la clasificación de diseño de un calentador a partir de condiciones reales medidas La clasificación de diseño de un calentador es desconocida, pero la carga de vapor se mide en 227 kg/h cuando la temperatura exterior es 7 °C y la temperatura interior es 19 °C, una diferencia de 12 °C. El calentador también está diseñado para proporcionar 19 °C de temperatura interior cuando la temperatura exterior es -1 °C, una diferencia de 20 °C. La carga de vapor en la condición de diseño puede estimarse simplemente por la proporción de las diferencias de temperatura:

Calentadores de almacenamiento de agua caliente

Los calentadores de almacenamiento de agua caliente están diseñados para elevar la temperatura de todo su contenido desde frío hasta la temperatura de almacenamiento dentro de un período especificado. La tasa media a la que el vapor se condensa durante el período de calentamiento o recuperación puede calcularse usando la Ecuación 2.13.1

Ejemplo 2.13.2 Calcular la carga media de vapor de un calentador con almacenamiento Un calentador con almacenamiento tiene una capacidad de 2 272 litros (2 272 kg), y está diseñado para elevar la temperatura de este agua de 10°C a 60°C en ½ hora con vapor a 2 bar g. cp del agua = 4.19 kJ/kg °C

Este valor medio puede usarse para dimensionar la válvula de control. Sin embargo, cuando la temperatura del agua puede estar en su valor más bajo, por ejemplo 10 °C, la alta tasa de condensación del vapor puede ser más de lo que la válvula de control completamente abierta puede pasar, y el serpentín se verá desabastecido de vapor. La presión en el serpentín caerá significativamente, con el efecto neto de reducir la capacidad del dispositivo de trampa de vapor. Si el dispositivo de trampa está incorrectamente dimensionado o seleccionado, el condensado puede respaldarse en el serpentín, reduciendo su capacidad de transferir calor y lograr el tiempo de calentamiento requerido. Puede resultar golpe de ariete, causando ruido severo y tensiones mecánicas al serpentín. Sin embargo, si no se permite que el condensado se respalde en el serpentín, el sistema debería mantener el tiempo de calentamiento correcto.

La solución es asegurar un drenaje adecuado de condensado. Esto puede lograrse ya sea con una trampa de vapor o una bomba-trampa automática dependiendo de las necesidades del sistema. (Consulte el Módulo 13.1 - Intercambiadores de Calor y Parada).

Otros calentadores de vapor de carcasa y tubos

En otros intercambiadores de calor que usan vapor, puede usarse un cabezal flotante interno, que generalmente es más versátil que el cabezal fijo de los intercambiadores de tubos en U. Son más adecuados para usar en aplicaciones con mayores diferencias de temperatura entre el vapor y el fluido secundario. Como el paquete de tubos puede removerse, pueden limpiarse más fácilmente. El fluido del lado de los tubos a menudo se dirige a fluir a través de varios pasos para aumentar la longitud de la trayectoria de flujo. Los intercambiadores normalmente se construyen con entre uno y dieciséis pasos de tubos, y el número de pasos se selecciona para lograr la velocidad de tubos diseñada. Los tubos se disponen en el número de pasos requeridos dividiendo el cabezal usando varias placas de partición. Ocasionalmente se crean dos pasos de carcasa instalando un deflector longitudinal de carcasa en el centro del intercambiador, donde la diferencia de temperatura sería inadecuada para un solo paso. Los arreglos de flujo dividido y flujo separado también se usan donde la caída de presión en lugar de la tasa de transferencia de calor es el factor controlante en el diseño, para reducir la caída de presión del lado de la carcasa. El vapor también puede usarse para evaporar (o vaporizar) un líquido, en un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos conocido como rehervidor. Estos se usan en la industria petrolera para vaporizar una fracción del producto de fondo de una columna de destilación. Estos tienden a ser horizontales, con vaporización en la carcasa y condensación en los tubos (consulte la Figura 2.13.5).

En rehervidores de circulación forzada, el fluido secundario se bombea a través del intercambiador, mientras que en rehervidores termosifónicos, la circulación natural se mantiene por diferencias de densidad. En rehervidores de tipo caldero (kettle) no hay circulación del fluido secundario, y los tubos están sumergidos en una piscina de líquido.

Tabla 2.13.3 Coeficientes de transferencia de calor típicos para algunos intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Aunque es deseable lograr la condensación por gotas en todas estas aplicaciones, a menudo es difícil mantenerla y es impredecible. Para mantenerse práctico, los cálculos de diseño generalmente se basan en la suposición de condensación en película.

El área de transferencia de calor para un intercambiador de calor de carcasa y tubos puede estimarse usando la Ecuación 2.5.3. Aunque estas unidades también normalmente se especificarán en consulta con los fabricantes, se proporcionan algunos coeficientes típicos de transferencia de calor global donde el vapor se usa como medio de calentamiento (y que incluyen un margen para el ensuciamiento) en la Tabla 2.13.3, como guía.

Intercambiadores de calor de tubos corrugados​

Una evolución en el diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos tradicional, es el reciente desarrollo del intercambiador de calor de tubos corrugados. Este es un intercambiador de calor de placa fija de un solo pasaje con una carcasa soldada, y tubos corrugados rectilíneos que son adecuados para fluidos de baja viscosidad. De manera similar a los intercambiadores de calor de placas, los tubos corrugados promueven condiciones de operación turbulentas que maximizan la transferencia de calor y reducen el ensuciamiento. Al igual que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tradicionales, estas unidades generalmente se instalan horizontalmente. Sin embargo, en el intercambiador de calor de tubos corrugados, el vapor debe siempre estar en el lado de la carcasa.

Intercambiadores de calor espirales​

Los intercambiadores de calor espirales comparten muchas características similares con los intercambiadores de carcasa y tubos y de placas, y se usan en muchas de las mismas aplicaciones. Consisten en láminas de metal fabricadas que se trabajan en frío y se sueldan para formar un par de canales espirales concéntricos, que se cierran con placas terminales con juntas atornilladas a una carcasa exterior. La turbulencia en los canales generalmente es alta, obteniéndose características de flujo idénticas para ambos fluidos. También son relativamente fáciles de limpiar y pueden usarse para fluidos de ensuciamiento muy pesados y pulpas. El uso de un solo paso para ambos fluidos, combinado con la compacidad de la unidad, significa que las caídas de presión a través de las conexiones generalmente son bastante bajas.