REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO

SANTIAGO MARIO

EXTENSIN MARACAIBO

Control de Procesos

Unidad V:

Control de Intercambiadores de Calor

Autor:

Jess Monsalve

Tutor:

Ing. Javier Lara

Maracaibo, enero de 2016

INTRODUCCIN

En el proceso de transferencia de energa en un intercambiador de calor inciden

una serie de variables fsicas (temperatura y flujo) que se deben controlar para

obtener la respuesta deseada, no obstante, los elementos que permiten el

proceso deben ser administrados mediante un correcto sistema de control que

permitaoptimizarlo, as como minimizar el impacto de las perturbaciones que

puedan presentarse, las cuales no pueden ser anticipadas por los elementos del

control.

Bajo la denominacin general de intercambiadores de calor, o simplemente

cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para

transferir energa de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se har

referencia nica y exclusivamente a la transferencia de energa entre fluidos por

conduccin y conveccin, debido a que el intercambio trmico entre fluidos es uno

de los procesos ms frecuente e importante en la ingeniera. Un intercambiador

de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente

fluida a otra

El aislamiento sirve para retardar la transferencia de calor fuera o dentro de un

mbito acondicionado. En la mayora de los casos, ese mbito es la casa. Durante

los meses fros, el objetivo es mantener el aire caliente dentro y detener o al

menos retardar el movimiento del aire fro proveniente del exterior. Durante los

meses de calor, el objetivo se invierte, pero los principios de retardo de la

transferencia de calor se mantienen constantes, independientemente del sentido

del flujo de calor.

DESARROLLO

DEFINICIONES BASICAS

Intercambiador: Es un equipo de transferencia de calor cuya funcin es cambiar

la entalpa de una corriente. En otras palabras, un intercambiador transfiere calor

entre dos o ms corrientes de proceso a diferentes temperaturas. Usualmente no

existen partes mviles en un intercambiador de calor, sin embargo, hay

excepciones, tales como los regeneradores.

Enfriador: Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor

con agua o aire sin que ocurra cambio de fase.

Calentador: Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la entalpa

de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de

calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de agua, aceite

caliente, fluidos especiales para transferencia de calor o una corriente de proceso

de entalpa alta, por ejemplo la descarga de un reactor operado a temperaturas

elevadas.

Refrigerador: Es una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un

fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua

como medio de enfriamiento.

Condensador: Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten

total o parcialmente en lquidos. Generalmente se utiliza agua o aire como medio

de enfriamiento. El trmino condensador de superficie se refiere especficamente

a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensacin del

vapor de desecho, proveniente de las mquinas y de las turbinas a vapor. Un

condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado

mediante contacto con gotas de agua

Evaporador: Los evaporadores son intercambiadores diseados especficamente

para aumentar la concentracin de las soluciones acuosas mediante la

evaporacin de una parte del agua.

Vaporizador: Es un intercambiador que convierte lquido a vapor. El trmino

vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan lquidos

diferentes al agua

Rehervido: Es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporizacin al

fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. Hay dos tipos generales de

rehervidores, aqullos que envan dos fases a la torre para separar el vapor del

lquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante

circulacin natural (comnmente llamados termosifones) o circulacin forzada Los

termosifones son los tipos de rehervidores ms comunes. Los termosifones

horizontales donde la vaporizacin ocurre en el lado de la carcasa, son los ms

utilizados en la industria petrolera. En los del tipo vertical, la vaporizacin ocurre

en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias qumicas. En

un termosifn, se debe disponer de suficiente cabezal a fin de mantener la

circulacin natural del lquido a evaporar. Los rehervidores de circulacin forzada

requieren de una bomba para impulsar el lquido a evaporar a travs del

intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido

a los costos adicionales del bombeo, sin embargo, en algunos casos puede

requerirse para vencer limitaciones del cabezal hidrosttico y los problemas de

circulacin. Los rehervidores que retornan vapor a la torre se denominan

rehervidores de marmita. La mejor manera de describir la operacin de stos es

comparndola con una paila u olla hirviendo.

Generadores de vapor: Son un tipo especial de vaporizadores usados para

producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en

exceso que no se requiere para el proceso; de all que a estos rehervidores se les

llame comnmente Calderas de recuperacin de calor. Al igual que los

rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo Kettle, de circulacin

forzada o termosifones.

Sobrecalentador: Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de su

temperatura de saturacin. En Teora, el diseo de todos estos equipos es

parecido, sin embargo, los clculos de los coeficientes de transferencia de calor

difieren unos de otros. Por ejemplo, hay que considerar si existe o no cambio de

fase, el rgimen de flujo, si el fluido es multicomponente, etc.

CLASIFICACIN

De Acuerdo al Proceso de Transferencia

De Contacto Directo: En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por

contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un

lquido de muy baja presin de vapor) fcilmente separables despus del proceso

de transferencia de energa; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de

agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.

Figura 1: Intercambiadores de contacto directo gas-lquido sin almacenamiento de

calor

Se tiene el intercambiador fluido-fluido.

Figura 2. Intercambiadores de contacto directo fluido-fluido sin almacenamiento

de calor.

Se muestran intercambiadores donde uno de los fluidos circulantes se disuelve en

el otro. En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto

directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o

evapora, en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua, es un ejemplo de

este tipo, y de hecho representa el tipo ms ampliamente utilizado de

intercambiador de calor en la industria.

Figura 3. Intercambiador de calor de contacto directo fluido-fluido en los que una

fase puede disolverse en otra.

De Contacto Indirecto: En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las

corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a travs de

una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma

no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se

almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido fro, se

denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o

sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a

que el paso de las corrientes tanto caliente como fra es alternado; como ejemplo

pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos

equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente

hasta la fra, a travs de una delgada pared divisora son llamados

intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores; stos

son los ms usados a nivel industrial.

Figura 4: Intercambiadores de contacto indirecto sin almacenamiento de calor

De Acuerdo a los Mecanismos de Transferencia de Calor

Los mecanismos bsicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie

son:

Conveccin en una sola fase, forzada o libre.

Conveccin con cambio de fase, forzada o libre: condensacin o ebullicin.

Una combinacin de conveccin y radiacin.

Cualquiera de estos mecanismos o una combinacin de ellos puede estar activo a

cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, conveccin en una sola fase se

encuentra en radiadores de automviles, enfriadores, refrigeradores, etc.

Conveccin monofsica de un lado y bifsica del otro se puede encontrar en

evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la

conveccin acompaada de radiacin trmica juega un papel importante en

intercambiadores de metales lquidos, hornos, etc.

De Acuerdo al Nmero de Fluidos Involucrados

La mayora de los procesos de disipacin o recuperacin de energa trmica

envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aqu que los

intercambiadores de dos fluidos sean los ms comunes, sin embargo, se

encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos

criognicos y en algunos procesos qumicos: separacin aire-helio, sntesis de

amonio, etc.

De Acuerdo a la Disposicin de los Fluidos

La escogencia de una disposicin de flujo en particular depende de la eficiencia de

intercambio requerida, los esfuerzos trmicos permitidos, los niveles de

temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las disposiciones de

flujo ms comunes son:

Intercambiadores de Calor de Paso nico: Se distinguen tres tipos

bsicos:

a) Flujo en Paralelo o Corriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo

por el mismo extremo, fluyen en la misma direccin y salen por el otro

extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como

unidimensionales Termodinmicamente es una de las disposiciones ms

pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los

materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una

temperatura ms uniforme; cuando se desea mantener la misma efectividad

del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de

ebullicin, ya que favorece el inicio de la nucleacin.

b) Flujo en Contracorriente o Contraflujo: En este tipo los fluidos fluyen en

direcciones opuestas el uno del otro. Las variaciones de temperatura son

idealizadas como unidimensionales Esta es la disposicin de flujo

termodinmicamente superior a cualquier otra.

c) Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al

otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales.

Termodinmicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos

anteriores.

Intercambiadores de Calor de Pasos Mltiples: Una de las ventajas de

los pasos mltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador,

con relacin al paso nico. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones

de acuerdo a la construccin del equipo: Paralelo-cruzado, contracorriente-

paralelo, contracorriente-cruzado y combinaciones de stos.

De Acuerdo a la Compactacin de la Superficie

De acuerdo a la relacin superficie de transferencia de calor a volumen ocupado,

los equipos tambin pueden ser clasificados como compactos o no compactos. Un

intercambiador compacto es aquel cuya relacin superficie a volumen es alta,

mayor de 700 m2 /m3 (213 ft2 /ft 3) valor que es arbitrario. Las ventajas ms

resaltantes de un intercambiador compacto son los ahorros de material, espacio

ocupado (volumen) y costo, pero tienen como desventajas que los fluidos deben

ser limpios, poco corrosivos y uno de ellos, generalmente, en estado gaseoso.

De Acuerdo al Tipo de Construccin

De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a

describir algunos de los ms importantes y ms usados a nivel industrial

Intercambiador de Doble Tubo: Este es uno de los diseos ms simples

y consiste bsicamente de dos tubos concntricos, en donde una corriente

circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el nulo

formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya

construccin es fcil y econmica, lo que lo hace muy til.

Las partes principales de este tipo de intercambiador son dos juegos de tubos

concntricos, dos "T" conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U.

La tubera interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a travs

de una conexin localizada en la parte externa del intercambiador. Las T tienen

conexiones que permiten la entrada y salida del fluido que circula por el nulo y el

cruce de una seccin a la otra a travs de un cabezal de retorno. La tubera

interior se conecta mediante una conexin en U que generalmente se encuentra

expuesta al ambiente y que no proporciona superficie efectiva de transferencia de

calor.

Figura 5. Intercambiador de calor de doble tubo.

Intercambiadores de Tubo y Carcaza de Tubo y Coraza: De los

diversos tipos de intercambiadores de calor, ste es el ms utilizado en las

refineras y plantas qumicas en general debido a que:

a) Proporciona flujos de calor elevados en relacin con su peso y volumen.

b) Es relativamente fcil de construir en una gran variedad de tamaos.

c) Es bastante fcil de limpiar y de reparar.

d) Es verstil y puede ser diseado para cumplir prcticamente con

cualquier aplicacin.

Figura 6. Intercambiador de tubo y carcaza.

Intercambiadores Enfriados por Aire y Radiadores Son equipos de

transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por

fuera de un haz de tubos, acta como medio refrigerante para condensar

y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos. Comnmente se le

conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se

hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos.

Figura 7. Intercambiador de Flujo Cruzado

Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de

profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo

al soplar o succionar aire a travs del haz mediante grandes ventiladores.

Debido a que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual

que los tubos posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de

calor del lado del aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran

colocadas en arreglo escalonado de modo de incrementar los coeficientes de

transferencia del aire. Una pequea versin de estos intercambiadores son los

radiadores usados en los sistemas de enfriamiento de los vehculos y en las

unidades de aire acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un rea

relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de

proceso (tambores, intercambiadores, etc.).

Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse

cerca de reas residenciales. Al disear estos equipos se debe tomar en

cuenta el efecto de las prdidas de calor de los equipos circundantes sobre la

temperatura del aire de entrada, as como, tener mucho cuidado para que

cumplan con los requerimientos de servicio an en das calurosos y/o que el

fluido no se congele dentro de los tubos en invierno. El aire en vez del agua,

podra parecer una eleccin obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya

que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas.

Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en

comparacin con el agua, la que posee una conductividad trmica cerca de 23

veces mayor que el aire a 35 C; el calor especfico del agua es cuatro veces

ms grande y su densidad, comparada con la del aire a presin y temperatura

atmosfrica es unas 800 veces mayor. En consecuencia, para una

determinada cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad

de aire, aproximadamente 4 veces ms en masa y 3200 en volumen. Como

conclusin, a menos que el agua sea inasequible, la eleccin entre agua y aire

como refrigerante depende de muchos factores y se debe evaluar

cuidadosamente antes de tomar una decisin. Por lo general, este tipo de

intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una

torre de enfriamiento para el agua o se tenga que ampliar el sistema de agua

de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en

cuanto a los efluentes de agua donde el medio refrigerante resulte muy

corrosivo o provoque taponamientos excesivos.

Intercambiadores de Placas Empacas (PHE): A pesar de ser poco

conocido, el intercambiador de placas, llamado tambin PHE por sus siglas

en ingls: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del siglo XIX,

especficamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los aos 30 que

comenz a ser ampliamente usado en la industria lctea por razones

sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos

estn separadas por placas, que no son ms que lminas delgadas,

rectangulares, en las que se observa un diseo corrugado, formado por un

proceso de prensado de precisin. A un lado de cada placa, se localiza una

empacadura que bordea todo su permetro. La unidad completa mantiene

unidos a un cierto nmero de estas placas, sujetas cara a cara en un

marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias a las

empacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal

forma, que los fluidos fros y calientes corren alternadamente por dichos

canales, paralelamente al lado ms largo. Existen aberturas en las 4

esquinas de las placas que conjuntamente con un arreglo apropiado en las

empacaduras, dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo.

Figura 8. Intercambiador de placas empacadas (PHE).

Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el rea

superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante

continuos cambios en su direccin y velocidad, lo que a su vez redunda en la

obtencin de altos coeficientes de transferencia de calor, an a bajas

velocidades y con moderadas cadas de presin. Las corrugaciones tambin

son esenciales para incrementar la resistencia mecnica de las placas y

favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los ms apropiados para

trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser

fcilmente desmontables para labores de mantenimiento. No obstante, las

condiciones de operacin se encuentran limitadas por las empacaduras. En los

primeros equipos la presin mxima era de 2 bar (0,2 Mpa) y la temperatura

alrededor de 60 C. Pero a pesar de que el diseo bsicamente ha

permanecido inalterado, los continuos avances en los ltimos 60 aos han

incrementado las presiones y temperaturas de operacin hasta los 30 bares (3

Mpa) y 250 C, respectivamente. Es importante destacar que la eleccin del

material de las empacaduras se vuelve ms restringida a altas temperaturas, lo

que en consecuencia reduce el nmero de fluidos que pueden ser manejados

por estos equipos bajo esas condiciones; adems la vida til de la unidad

depende, en gran medida, del rendimiento de las empacaduras. Inicialmente,

este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y

aunque todava retienen su uso en el rea alimenticia, hoy en da son usados

en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar

a los intercambiadores de tubo y carcaza.

Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los

bordes, lo que previene las fugas a la atmsfera y permite el manejo de fluidos

peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como

intercambiador de placas no empacadas, y tienen como desventaja el no poder

ser abierto para labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza

deben ser realizadas por mtodos qumicos. No obstante, las dems ventajas

de las unidades de placas se mantienen. El diseo particular de este equipo

permite alcanzar las presiones de operacin que se manejan en los equipos

tubulares convencionales, tales como tubo y carcaza, enfriados por aire y

doble tubo. Sin embargo, todava existe una limitacin en cuanto al diseo, en

la que la diferencia de presin entre ambos fluidos no debe exceder los 40 bar.

Otros tipos de Intercambiadores de Calor

Intercambiadores Tipo Superficie Raspadora (Scraped-Surface) Estos equipos

tienen un elemento rotatorio provisto de una cuchilla sujeta a un resorte, la cual

sirve para limpiar la superficie de transferencia de calor. Se utilizan generalmente

en plantas donde el fluido es muy viscoso o tiene tendencia a formar depsitos.

Se construyen como los de doble tubo. El tubo interno se encuentra disponible en

dimetros nominales de 150, 200 y 300 mm (6, 8 y 12 in, respectivamente); el

tubo externo forma un pasadizo anular por donde fluye el vapor o el medio

refrigerante y se dimensiona de acuerdo a las necesidades de la aplicacin.

El lquido viscoso se mueve a una velocidad muy baja a travs del tubo central,

por lo que las porciones de lquido adyacentes a la superficie del mismo estn

prcticamente estancadas, excepto cuando son removidas por las cuchillas. As,

el calor se transferir principalmente por el mecanismo de conduccin, desde el

fluido que va por el nulo, hasta el fluido viscoso, atravesando la pared del tubo

interno. Como las cuchillas se mueven a una velocidad moderada, no habr

suficiente tiempo para que el calor penetre hasta el centro del tubo interno, sino

solamente una distancia muy pequea, por esta razn, la transferencia de calor en

este tipo de equipos es anloga a la transmisin de calor en estado no

estacionario en un slido semi-infinito.

Intercambiadores tipo bayoneta: Consisten en tubo externo y otro interno; este

ltimo sirve nicamente para suplir el fluido al nulo localizado entre el tubo

externo y el interno. El tubo externo est hecho normalmente de una aleacin muy

costosa y el tubo interno de acero de carbono. Los intercambiadores tipo bayoneta

son de gran utilidad cuando existe una diferencia de temperatura extremadamente

alta entre el fluido del lado de la carcasa y el del lado de los tubos, ya que todas

las partes sujetas a expansin diferencial se mueven libre e independiente una de

la otra.

Estos intercambiadores se utilizan en servicios con cambio de fase donde no es

deseable tener un flujo bifsico en contra de la gravedad. Algunas veces se coloca

en tanques y equipos de proceso para calentamiento y enfriamiento. Los costos

por metro cuadrado para estas unidades son relativamente altos, ya que

solamente el tubo externo transfiere calor al fluido que circula por la carcasa.

Enfriadores de Serpentn Consisten en serpentines sumergidos en un recipiente

con agua. Aunque estos enfriadores son de construccin simple, son

extremadamente costosos por metro cuadrado de superficie. Se utilizan

solamente por razones especiales, por ejemplo, cuando se requiere un

enfriamiento de emergencia y no existe otra fuente de agua disponible.

Intercambiadores de Lminas Estos equipos tienen aletas o espaciadores

intercalados entre lminas metlicas paralelas, generalmente de aluminio.

Mientras las lminas separan las dos corrientes de fluido, las aletas forman los

pasos individuales para el flujo. Los pasos alternos estn conectados en paralelo

mediante el uso de cabezales apropiados, as, el fluido de servicio y el de proceso

pueden canalizarse permitiendo el intercambio de calor entre ambos. Las aletas

estn pegadas a las lminas por medio de ajustes mecnicos, soldadura o

extrusin. Estas son utilizadas en ambos lados de la placa en intercambiadores

gas-gas. En los intercambiadores gas-lquido, las aletas son empleadas,

usualmente, del lado del gas, donde la resistencia trmica es superior.

Se emplean del lado del lquido cuando se desea suministrar resistencia

estructural al equipo o para favorecer la mezcla del fluido. Las condiciones tpicas

de diseo son presiones bajas (menores a 100 psi), mientras que las

temperaturas dependen del material y mtodo utilizado para la unin entre las

aletas y las lminas. Estos equipos son muy usados en plantas de generacin de

fuerza elctrica, en ciclos de refrigeracin, etc.

Condensadores de Contacto Directo: Consisten en una torre pequea, en la

cual el agua y el vapor circulan juntos. El vapor condensa mediante el contacto

directo con las gotas de agua. Estos equipos se utilizan solamente cuando las

solubilidades del medio refrigerante y del fluido de proceso, son tales que no se

crean problemas de contaminacin de agua o del producto; sin embargo deben

evaluarse las prdidas del fluido de proceso en el medio refrigerante. - Enfriadores

de Pelcula Vertical Descendente Son tubos verticales de cabezal fijo. El agua

desciende por dentro de los tubos formando una pelcula densa que intercambia

calor con los vapores que ascienden.

Enfriadores en cascada: Un condensador en cascada est constituido por una

serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobre los cuales

gotea agua de enfriamiento proveniente de un distribuidor. El fluido caliente

generalmente circula en contracorriente respecto al flujo de agua. Los

condensadores en cascada se utilizan solamente en procesos donde el fluido de

proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento de cido

sulfrico. Estas unidades tambin se conocen con el nombre de enfriadores de

trombn (Trombone Coolers), de gotas o enfriadores de serpentn.

Intercambiadores de grafito impermeable: Se usan solamente en aquellos

servicios que son altamente corrosivos, como por ejemplo, en la extraccin de

isobutano y en las plantas de concentracin de cidos. Estas unidades se

construyen de diferentes formas. Los intercambiadores de grafito cbico consisten

en un bloque cbico central de grafito impermeable, el cual es agujereado para

formar pasadizos para los fluidos de proceso y de servicio. Los cabezales estn

unidos mediante pernos a los lados del cubo de manera de distribuir el fluido. Los

cubos se pueden interconectar para incrementar el rea de transferencia de calor.

INTERCAMBIADORES DE CALOR EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA.

Intercambiador de calor. Proceso de primer orden, de tipo cero.

Observemos la estructura del intercambiador de calor que va a ser emulado de

manera circuital en la figura 9.

Figura 9. Intercambiador de calor para emulacin

Dicha figura representa un intercambiador de calor entre: Un Resistor Calefactor, que es

el elemento final de control y a la cual se le aplica una tensin de alimentacin Vu que es

la accin de control y por tanto produce en el fluido en depsito una temperatura de control

Tu, y agua fra que entra al tanque (Sistema) con un flujo Ff a una temperatura Tf

que la instrumentacin de campo traduce a una seal de voltaje Vf.

Se espera, que del sistema salga agua caliente con un flujo Fc y a una temperatura Tc que

la instrumentacin de campo traduce a una seal de voltaje Vc. De manera tal que en

estado estacionario Tc = Tu, y cuando por la resistencia no pasa corriente, el agua se pone a

la temperatura ambiente o Tf.

Debe tenerse presente que del depsito se puede sacar lquido a temperatura Tc metiendo la

misma cantidad de fluido a temperatura Tf para mantener un nivel constante. De aqu se

deduce que los modos operativos del intercambiador de calor pueden ser de dos tipos:

a) No se extrae lquido y, por lo tanto, la funcin del equipo es la de mantener

constante la temperatura Tc ya que el nivel del tanque no debe variar, de manera tal

que esta ltima depende slo del valor de Vu para compensar las prdidas trmicas.

b) Se extrae lquido a temperatura Tc y consecuentemente se agrega la misma cantidad

a temperatura Tf. Se obtiene as una variacin de carga de la magnitud controlada

Tc. La funcin del intercambiador es siempre la de mantener constante la

temperatura Tc. En este caso Tc depende de Vu y de Tf, ignorndose el efecto de

las prdidas trmicas.

CONTROL AUTOMTICO INTERCAMBIADOR DE CALOR

Figura 10. Intercambio de Calor con placas

El lazo bsico de un control de retroalimentacin consiste de un sensor para

detectar la variable de proceso; un transmisor para convertir la seal del sensor en

una "seal" equivalente (una seal de presin de aire en sistemas neumticos o

seal de corriente en sistemas analgicos electrnicos); un controlador que

compare esta seal del proceso con un valor de referencia (set point) deseado y

producir una apropiada seal de salida del controlador; y un elemento final de

control que cambie la variable manipulada.

Usualmente el elemento final de control es una vlvula de control operada con aire

o elctricamente que se abre o cierra para variar la razn de flujo de la corriente

manipulada el lazo bsico de un control de retroalimentacin consiste de un

sensor para detectar la variable de proceso; un transmisor para convertir la seal

del sensor en una "seal" equivalente (una seal de presin de aire en sistemas

neumticos o seal de corriente en sistemas analgicos electrnicos); un

controlador que compare esta seal del proceso con un valor de referencia (set

point) deseado y producir una apropiada seal de salida del controlador; y un

elemento final de control que cambie la variable manipulada. Usualmente el

elemento final de control es una vlvula de control operada con aire o

elctricamente que se abre o cierra para variar la razn de flujo de la corriente

manipulada.

Sistema de Intercambiador de Calor EasiHeat

Sistema EasiHeat: El sistema EasiHeat system utiliza vapor para calentar con

precisin agua caliente a baja temperatura, agua caliente domstica o agua

caliente para procesos. Los sistemas pueden personalizarse para cualquier

servicio de calefaccin desde 100 kW a ms de 1,2 MW y se suministran

totalmente ensamblados y probados listos para su instalacin. EasiHeat

proporciona el nucleo del sistema. Articulos adicionales como reductor de presin

del vapor, vlvula de seguridad y protector de exceso de temperatura deben

seleccionarse aparte.

Control de temperatura: Se modula el caudal de vapor para igualar con precisin

la demanda de calor. La vlvula de control es accionada neumticamente y el

sistema utiliza una sonda de temperatura Pt100 de respuesta rpida y un

programador/controlador electrnico para un control preciso. El sistema incorpora

un reloj de tiempo real de 7 das para controlar esta operacin.

Intercambiador de calor: El intercambiador de placas proporciona una

transferencia de calor eficiente con un diseo compacto. La alta relacin

superficie/ volmen de las placas permiten una transferencia de calor rpida,

proporcionando una respuesta rpida de control de temperatura. El intercambiador

se puede desmantelar fcilmente para su inspeccin o limpieza de las superficies

de transferencia de calor. Todas las partes hmedas son de acero inoxidable.

Condiciones lmites:

Condiciones de diseo de las tuberas ANSI

Presin mxima del vapor saturado de suministro 8,3 bar r

Presin mxima del secundario 6 bar

Temperatura mxima del secundario 110C

Materiales

Tuberas de vapor y condensado Acero al carbono

Vlvula de control y bomba/purgador Fundicin nodular

Tuberas secundarias, vlv. y bomba circulacin Fundicin nodular

Eliminacin de condensado La eliminacin efectiva de condensado del

intercambiador de calor bajo todas las condiciones operativas es fundamental

para conseguir una temperatura estable del agua. A media carga la presin en el

interior del intercambiador puede ser inferior a la presin atmosfrica, por tanto se

usa una bomba para asegurar la eliminacin del condensado. Para ciertas

aplicaciones se puede usar un purgador de vapor en vez de la bomba.

Tuberas: Todas las tuberas estn correctamente dimensionadas para la

aplicacin y estn realizadas mediante tcnicas modernas de soldadura,

soldadores y procedimientos de soldadura homologados. Donde se puede se

utilizan productos con bridas por abilidad y para facilitar el mantenimiento.

Elctrica y neumtica Todos los equipos de control estn listos para conectar a

la fuente de suministro elctrico y neumtico.

Voltaje EHHTG 90 - 240 Vca

Alimentacin EHDHW 220 - 240 Vca

Base soporte: El sistema completo se entrega listo para instalar en una base

soporte adecuada para colocar en posicin con una carretilla elevadora.

Aplicaciones de agua caliente domstica En muchos casos la respuesta rpida

del sistema de intercambiador de calor de placas signica que ya no se requieran

grandes tanques de almacenamiento de agua caliente. El sistema usa circulacin

de agua caliente bombeada y se convierte esencialmente en agua caliente

'instantnea'. El primer punto de salida de agua caliente debe estar como mnimo

a 5 m del intercambiador de calor

La formacin de incrustaciones: Para sistemas abiertos que usan agua para

lavar etc., hay una aportacin de agua constante y existe el peligro de que se

formen incrustaciones en el intercambiador. Esto depender principalmente en la

calidad del agua y deber buscar consejo de un especialista en tratamiento de

agua. Reduciendo la presin del vapor y con un diseo cuidadoso del sistema, se

puede mantener baja la temperatura del intercambiador para minimizar la

formacin de incrustaciones. Despus de un periodo largo de servicio se puede

desmontar fcilmente el intercambiador para su limpieza. Si el agua es susceptible

a la formacin de incrustaciones, se puede considerar una limpieza qumica

peridica.

Especificacin tpica: El sistema de agua caliente ser un kit Spirax Sarco de

sistema de intercambiador de calor de placas. El sistema incluir

acondicionamiento del vapor, dispositivos de seguridad, controles neumticos,

intercambiador de calor y equipos de eliminacin de condensado. Todos los

artculos estarn totalmente ensamblados en una base soporte.

Figura 11. EasiHeat con bomba de condensado y recirculacin del secundario

para agua caliente domstica.

Figura 12. EasiHeat con trampa de vapor para agua caliente a baja temperatura

(calefaccin)

CONCLUSIN

En la vida diaria se encuentran muchas situaciones fsicas en las que es necesario

transferir calor desde un fluido caliente hasta uno fro con mltiples propsitos. Por

ejemplo, ahorro de energa (combustible) lo que disminuye los costos de

operacin; o para llevar al fluido a una temperatura ptima, bien sea para un

procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en

el caso de transporte y/o almacenamiento. Para transferir calor existen una amplia

variedad de equipos denominados intercambiadores de calor.

Los equipos de intercambio de calor se pueden clasificar de acuerdo a diferentes

criterios: tipo de contacto entre las corrientes fluidas, relacin rea de

transferencia de calor a volumen ocupado, nmero de fluidos involucrados, de

acuerdo al servicio, tipo de construccin, etc. En esta Gua se presentan

diferentes tipos de equipos y sus aplicaciones ms relevantes a fin de que el

estudiante se familiarice con los intercambiadores de calor ms utilizados a nivel

industrial, de manera que al finalizar el curso pueda clasificarlos de acuerdo a su

funcin y configuracin, y pueda seleccionar el ms adecuado para una aplicacin

determinada.

BIBLIOGRAFA

De Witt-Dick, D. B., Hays, G. F. y Beardwood, E. S., "Hydrothermal Stress Coefficient: A

Novel Model for Predicting Heat Exchanger Fouling in Cooling Systems", AIChE

Symposium Series, pp. 311-316, Baltimore (1997).

Gentry, C.C., "RODbaffle Heat Exchanger Technology", Chem. Eng. Progress, pp. 48-57

(1990).

Incropera, F. y D. De Witt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons,

USA (1990).

Kals, W., "Air-Cooled Heat Exchangers: Conventional and Unconventional", Hydrocarbon

Processing, pp. 139-149 (1994).

Kern, D. Q., Procesos de Trasnferencia de Calor, Compaa Editorial Continental, S. A.,

Mxico (1978).

Kho, T., H. U. Zettler, H. Muller-Steinhagen y D. Hughes, "Effect of Flow Distribution on

Scale Formation in Plate and Frame Heat Exchangers", Trans. I. Chem. E., 75 (Part A), pp.

635-640 (1997).

Lord, R. C., P. E. Minton y R. P. Slusser, "Guide to Troubble-Free Heat Exchangers",

Chem. Eng., pp. 153-160 (1970).