presentación intercambiador de calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Al término del curso los participantes se encontrarán en condiciones de:

Reconocer los mecanismos de transferencia de calor involucrados en los distintos equipos presentes en un proceso.

Conocer la operación de un Intercambiador de Calor.

Identificar la importancia del fenómeno de transferencia de calor para la operación de Electro-obtención.

Identificar los problemas mas comunes en un Intercambiador de calor de placa.

OBJETIVO DEL PRESENTE CURSO

INTRODUCCIÓN

La termodinámica estudia y trata la transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como el calor en los cuerpos de materia, también estudia como se realiza el intercambio de energía (calor) entre un cuerpo caliente y uno frió, o como la energía esta relaciona en los cambios de fase (sublimación, fusión, evaporización, condensación y solidificación).

INTRODUCCIÓN

Los diferentes estados (o fases) de la materia inciden directamente en la energía de cada uno de ellos.Los diferentes estados de la materia, incide en las propiedades térmicas de la materia.Las fases de una sustancia en cada estado esta asociado a su contenido de energía.

INTRODUCCIÓN

La forma en que tiene lugar la transferencia de calor, determina los tres mecanismos de transferencia de calor esto es, conducción, convección y radiación.

Existen leyes que rigen los fenómenos de transferencia de calor, y los mecanismos involucrados.

Luego, existen equipos que ocupan estos mecanismos, para intercambiar calor, y además, en los procesos podemos identificar procesos de transferencia de calor.

Tarea de Aprendizaje N°1

Describir los Mecanismos de Transferencia de Calor

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre fuentes de calor y recibidores.

Los procesos de transferencia de calor se relacionan con las razones de intercambio térmico, tales como los que ocurren en equipo de transferencia de calor, tanto en ingeniería mecánica como en los procesos químicos.


El proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura, involucra tres distinto mecanismos de transferencia de calor :

Conducción

Convección

Radiación


Conducción, en donde el calor pasa a través de la sustancia del cuerpo.

Convección, en el cual el calor es transferido por el movimiento relativo de partes del cuerpo calentado.

Radiación, mecanismo por el calor se transfiere directamente entre partes distantes del cuerpo por radiación electromagnética.


Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del sol casi exclusivamente por radiación.


Mecanismos térmicos

Ambiente es el espacio tanto interior como exterior a la envolvente del cerramiento, en el cual se incluye todos aquellos parámetros físicos que intervienen en los procesos de transferencia de calor.

Se define como cerramientos a los elementos de separación entre el ambiente interior y el ambiente exterior de un edificio u equipo y que constituyen su envolvente ciega.


Regiones definidas en los cerramientos:

Superficies ( radiación y convección)

Interior del cerramiento (conducción)

Aislamiento (resistencia térmica)

En la transmisión del calor a través de los cerramientos, entre el ambiente exterior y el ambiente interior de los edificios u equipos, se distinguen varios mecanismos de transferencia y regiones donde se realizan:

Superficies espacio que esta en contacto con el ambiente exterior e interior, donde se intercambia calor por radiación y convección entre el ambiente y el interior del cerramiento

Interior del cerramiento donde se transmite calor por conducción entre ambas superficies a través de varias capas, y se almacena calor por acumulación en su masa térmica.

Aislamientos son regiones del interior del cerramiento con elevada resistencia térmica y sin acumulación de calor. Los casos convencionales son las capas aislantes, de masa despreciable, y las cámaras de aire, que si bien actúan por mecanismos de convección y radiación, se asimilan a una resistencia térmica y por supuesto carecen de capacidad de acumulación

MECANISMOS DE CONDUCCIÓN

La conducción es el modo de transferencia térmica en el que el calor se mueve o viaja desde una capa de temperatura elevada del cerramiento a otra capa de inferior temperatura, debido al contacto directo de las

moléculas del material.

situación a T 0

situación a T 1

situación a T 3

situación a T 2

T2 T1

T2 > T1

Q


La relación existente entre la velocidad de transferencia térmica por conducción y la distribución de temperaturas en el cerramiento depende de las características geométricas y las propiedades de los materiales que lo constituyen, obedeciendo la denominada la Ley de Fourier:

(W /m2) (W = J / s)

Analizando la ley de Fourier, esta afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado), donde el factor de proporcionalidad se denomina conductividad ( ).


Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.


MECANISMOS DE CONVECCIÓN

Cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un cerramiento a una temperatura distinta, el proceso resultante de

intercambio de calor se denomina transmisión de calor por convección.

MECANISMOS DE CONVECCIÓN

• Es la transferencia de calor con transporte de masa. • Típicamente ocurre en fluidos, líquidos o gases.• Naturalmente ocurre debido a la diferencia de densidades que

produce la expansión térmica en el fluido.• El flujo de materia y calor puede forzarse con una bomba o

ventilador.

MECANISMOS DE RADIACIÓN

Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie del cerramiento intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas.

Mientras que en la conducción y la convección era precisa la existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire.

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates

MECANISMOS DE RADIACIÓN

Tarea de Aprendizaje N°2Teoria Fundamental de la transferencia de calor

En un intercambiador de calor de placas, el calor es transferido desde una solución caliente o una solución fría, a través de finas placas metálicas, llamadas placas de canal, que han sido prensadas dentro de un patrón especial. Las placas de canal adyacentes tienen diferentes patrones de prensado.

La transferencia de calor será grande cuando las diferencias de temperaturas entre el fluido frío y caliente sea mayor; de allí que se utilice vapor o agua a alta

temperatura.

Principio de operación del Intercambiador de placas

Teoría Fundamental de la transferencia de calor

La transferencia de calor no depende sólo de las diferencias de temperaturas de los fluidos caliente y frío, sino también del tipo de material

con que está diseñado el intercambiador de calor.

Hay algunos metales que conducen el calor mejor que otros, el parámetro que manifiesta esta propiedad es el coeficiente de conductividad del material; a mayor coeficiente de conductividad mayor será la transferencia de calor.


Teoría fundamentalAlgunas ecuaciones que nos describen el fenómeno de transferencia de calor y que rigen para el intercambiador de placas son las siguientes:

Flujo de calor transferido:

Donde:Flujo de calor transferido:Q = Flujo de calor, Btu/hr.m = Flujo másico, lbm/hr.CP = Capacidad calorífica del fluido, Btu/lbm°F.T = Diferencia de temperaturas, °F.


Coeficiente Global de transferencia de Calor:

N = número de placasU O = Coef. Global de transferencia de calor

A O = Superficie de transferencia de calor de una placa, tal que 2 Ao es el área

existente en un canal formado con 2 placas.

T ML = Diferencia de temperaturas media logarítmica.

Donde:


x = espesor de la placa.k = conductividad térmica de las placas.fi = fo = factores de obstrucción por incrustaciones.hi = ho = coeficientes de película de transferencia de calor.


Cuando hay una transferencia de calor de un medio caliente a otro frío, en el trayecto, el calor encuentra varias resistencias térmicas, que como su nombre indica, se oponen al paso del calor, dichas resistencias cuando el

intercambiador de calor está limpio son:

Estas resistencias térmicas hacen que la temperatura vaya disminuyendo en el trayecto del fluido caliente al frío.


• Resistencia debido a al flujo a calentar • Resistencia debido al material de que están hechas las placas (SS

316, Ti , etc.) • Resistencia debido a incrustación en las placas (fouling)

Principios Básicos de Hidráulica

Golpe de ariete : Producido por una golpe brusco de fluido, el cual afecta las placas de un PHE

Impacto sobre una estructura de un fluido por golpe de ariete


Para todas las operaciones de transferencia de calor existen diferentes variables que influirán de una mayor o menor manera en la eficiencia de los sistemas o equipos, entre ellas tenemos:

• Diferencia de temperatura • Razón de flujo de cada uno de los fluidos y la relación entre ellos.• Área de calentamiento• Caídas de presión para las corrientes

VARIABLES OPERACIONALES

Diferencia de temperatura

Se ha visto que siempre los diferenciales de temperatura ” t ” son directamente proporcionales a la transferencia de calor, de aquí inmediatamente se tiene claro que a mayor diferencia de temperatura se produce una mejor transferencia de calor.

Esto lógicamente por que hay mayor calor disponible en uno de los fluidos para entregar calor al otro de menor temperatura.

Sin embargo esto no quiere decir que el sistema es más eficiente, la eficiencia esta en proporción según la tendencia a salir ambos fluidos con temperaturas lo más cercanas entre si.


Razón de fluidos

La razón flujo es la relación que existe entre la entrada de fluido frío y la entrada de fluido frío. Se intuye que si existe un desequilibrio, esto se explica desde el punto de vista de la disposición de masa que existe para que ocurra el traspaso de calor.

Si hay más fluido calienta que frío, se entiende que existe más calor disponible que el que se puede absorber, en el caso inverso entonces entenderíamos que existe más disponibilidad para absorber calor que el calor disponible para la transferencia. Por este motivo en estado ideal se tiende a trabajar con fluidos equivalentes o iguales


Áreas de calentamiento

En todas las ecuaciones de transferencia de calor siempre se puede observar que existe una relación directamente proporcional entre el área y la transferencia del calor producida, de aquí entonces podemos concluir que a una mayor área de calentamiento, mayor será la transferencia de calor.

Por esta razón es que es mucho mejor la transferencia de calor en términos de rendimiento en un intercambiador de placa que uno de tubos, sin embargo hay una variable que es la caída de presión que es mejor en el intercambiador de tubo y coraza


Caídas de presión para las corrientes

La importancia fundamental de las caídas de presión radica que generalmente esta variable va asociada con el volumen o caudal y

los tiempos de estadías del fluido frío dentro del equipo.



Describir la operación de un intercambiador de calor

OPERACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

El propósito de este aparato es transferir calor de un medio a otro, y que el calor pase fácilmente a través de las paredes que separan un medio de otro.El alto calor que fluye a través de las paredes puede ser seriamente reducido por la formación de depósitos de variadas formas sobre la superficie de las placas. El intercambiador induce un flujo altamente turbulento, la cual entrega una fuerte resistencia a la formación de depósitos sobre la superficie de las placas. Se debe tener en cuenta, que algunas veces no es factible eliminar los depósitos (Obstrucciones).

El objetivo del intercambiado de placas es enfriar el agua, (solución electrolito), usada como refrigerante en el proceso, mediante la transferencia de calor de un medio a otro. El calor debe pasar fácilmente a través de las paredes que separan un medio del otro.

OPERACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

En la mayoría de las plantas de procesos se presenta la necesidad de transferir energía térmica entre fluidos o de fluidos a sólidos, tanto para calentar, enfriar, evaporar como para efectuar tratamientos térmicos, etc. Esta operación cumple muchas veces un papel fundamental en el procedimiento de elaboración ya que de ella puede depender la calidad de un producto o la eficiencia del proceso mismo en cuestión, en donde las temperaturas son parámetros críticos.

Diseño constructivo de un Intercambiador de placa.

Existen varios diseños de intercambiadores de placas, pero son dos las construcciones básicas más difundidas, a saber:

Intercambiador de placas con juntas, designado PHE (Plate heat exchangers)Intercambiador de placas soldadas, designado BHE (Brazed heat exchangers)

Los intercambiadores de calor consisten en un conjunto de placas metálicas corrugadas montadas entre dos placas, una fija (bastidor) y otra móvil (de presión). Este paquete de placas a su vez, es soportado por dos barras guía, una superior y otra inferior que apoyan sobre una columna o pedestal. El sellado entre placas se efectúa mediante juntas elastoméricas quienes a su vez dirigen los fluidos por canales alternos.

Diseño constructivo de un Intercambiador de placa PHE.

Junta que no permite pasar la solución por esa placa

Las placas contienen orificios que permiten y dirigen el flujo de los fluidos. El conjunto de placas es comprimido mediante espárragos que aseguran el apriete y estanqueidad entre las mismas. Las conexiones de entrada y salida se localizan en la placa fija del bastidor salvo en el caso de que haya más de un paso, donde se utilizan ambas placas del bastidor.

Diseño constructivo de un Intercambiador de placa PHE.

Materiales y dimensiones de las placas

Las placas constituyen el alma del equipo y tanto la selección de materiales como el diseño, tamaño y cantidad de las mismas dependerá de las condiciones del servicio requerido. Las placas en general presentan un diseño en forma de “tabla de lavar “que reconoce cinco segmentos funcionales, a saber

• Segmento de ingreso del fluido en la parte superior (Inlet port)• Segmento de distribución del fluido• Segmento o área principal de transferencia de calor• Segmento colector de fluido• Segmento de egreso del fluido (outlet port)

Las placas pueden construirse en diferentes medidas y espesores, variando entre las siguientes dimensiones:

• Espesores de placas: 0.4 a 1.15 mm• Área de intercambio por placa: 0.032 a 3.4 m2

• Área de intercambio por unidad: 0.1 a 2200 m2 . • Espaciado entre canales: 1.6 a 5.5 mm• Dimensiones placas: ancho (0.2 a 1.5 m) y alto (0.5 a 3 m)• Dimensiones por unidad: 0.5 a 6 m• Dimensiones de las conexiones: 1” a 18”. En los BHE máx (4”)• Tipo de conexiones: roscadas, socket, bridadas o Victaulic

La característica más importante de los intercambiadores de placas es que los coeficientes globales de transferencia de calor que se obtienen en servicios de líquido a líquido, son de dos a tres veces mayores que los que se pueden obtener con las mayores unidades de tubo y coraza.

Los coeficientes típicos de diseño para un intercambiador de placas de agua a agua son de 3,500 a 5,000 Kcal/m2hr°C.


Identificar los componentes de un intercambiador de calor

Componentes de un Intercambiador de Placa Un intercambiador de placas típico se compone de cuatro secciones :

a) El bastidor, cuyos componentes son de acero al carbón, con excepción de aquellos que, como las conexiones de entrada y salida, tienen contacto con los fluidos.

b) Las placas de transferencia de calor, que se fabrican prensando láminas delgadas de gran variedad de aleaciones y metales resistentes a la corrosión. El más usado es el acero inoxidable. El espesor de las placas es generalmente de 0.4 a 1.14 mm.

c) Las juntas, son gomas o cauchas de NBR (goma de nitrilo de calidad superior) o EPDM (polímetro de etileno – propileno), son las que separan las placas por estanqueidad de caucho, facilitando en este caso el mantenimiento de las mismas.

d) Las guías de las placas, esta fabricada de acero inoxidable, y estas guías son las que general el alineamiento de las placas

COMPONENTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR.

Un intercambiador de placas típico


1 Placa fija con conexiones 5 Paquete de placas 9 Eje superior2 Placa inicial (con junta final) 6 Placa cambio flujo izquierdo 10 Soporte3 Placa de flujo izquierdo 7 Placa cambio flujo derecho 11 Eje inferior4 Placa de flujo derecho 8 Placa móvil 12 Tornillo de apriete


El bastidor.- incluye un cabezal fijo y un apoyo de extremo, conectados por una barra portante superior y por la barra inferior de guía. La barra superior sostiene el cabezal seguidor, que puede moverse según se requiera. El conjunto de placas de transferencia de calor queda prensado entre el cabezal fijo y el seguidor por barras de unión.

Brida recubierta Brida

.Conexiones.- La elección de los materiales para la fabricación de las conexiones o de sus revestimientos se hace en base a su resistencia a la corrosión frente a los fluidos del proceso. La solución económica más ventajosa consiste en el revestimiento de las conexiones (toberas) con el mismo material empleado para las juntas de las placas.

Las Placas.- El paquete de placa consiste de placas corrugadas con un canal perimetral para la colocación de los empaques. La cantidad de placas necesarias como el tamaño y dimensiones, así como el corrugado de las mismas, varía en cada caso en función de su aplicación.

Placas de flujo

Placas Semi ciegas , dos puertos cerrados

Puerto Cerrado = Placa sacrificio ante golpe de ariete

Tipos de Placas en un equipo

Tipo de encajado de las placas

El diseño corrugado de las placas crea conductos a través de los cuales circulan los fluidos en capas de muy bajo espesor y con gran turbulencia, lo que origina una alta transferencia de calor.

Diseño de corrugados

Este escurrimiento turbulento a través de las placas hace también que los depósitos causados por fluidos sucios sean continuamente removidos de la superficie de transferencia durante la operación, lo que se traduce en un mayor coeficiente total de transferencia y en un mayor tiempo de trabajo del equipo sin necesidad de pararlo para limpieza.

Flujo turbulento por el corrugadoelimina el sedimento en la superficie

Sedimento en la superficiemerma la transferencia

Ángulos de Placas

Placa de Acero en 30º Placa de Acero en 60º

El flujo turbulento producido por las corrugaciones rompe la película límite adherida a la superficie de transferencia dando altos coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento. La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de película a través de las cuales se transmite el calor.

Flujo turbulento

Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma encontraremos:

Placas llamadas soft que se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga. Son más cortas y anchas Las placas soft en general tienen un diseño en ángulo agudo (chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos

Placas llamadas hard que inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción. Son de una geometría más complejas pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga

Las placas del tipo hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor

Todas las placas de intercambiador de calor se componen de distintas zonas bien diferenciadas.El recorrido de los medios a través del paquete de placas depende de los requerimientos termodinámicos exigidos al intercambiador.

Cada uno de los intercambiadores de calor de placas está diseñado específicamente para las condiciones de servicio requerido. Ello conlleva que la disposición de las placas y los respectivos recorridos de los fluidos a través del intercambiador varíe en cada uno de los aparatos. Mediante la combinación de placas con toberas ciegas o abiertas se consigue modificar la disposición de las placas; la disposición puede ser en paralelo, en serie o una combinación de ambas.

Las placas que no tengan todas sus cuatro toberas abiertas se denominan “placas de cambio de flujo”. Para la identificación exacta de las placas de cambio de flujo, se utiliza una nomenclatura específica, basada en la cantidad y situación exacta de las toberas abiertas. Mirando las placas por el lado en el que se encuentre ubicadas las juntas, se denomina “placa izquierda” a la que tenga situadas las toberas de entrada y salida en el lado izquierdo (triangulo de distribución abierto en dicho lado). En caso contrario y siempre mirando las placas por el lado de las juntas, se habla de una “placa derecha”.

Placas de cambio de flujo (excepto CR/CL)

Placas iniciales

Placas Madres.

Placa Cabezal de Presión.

El objetivo de la placa cabezal , (llamada también placa madre), de presión es resistir las deformaciones producto de la acción del calor al que esta sometido el conjunto, además suministra una excelente superficie de apoyo indeformable a la empaquetadura que la une con el conjunto de placas intercambiadoras de calor, llamada placa terminal.Esta instalada en el extremos terminal del intercambiado, en éste caso esta placa de presión es de un espesor más grueso que la placas de transferencia de calor. constituye una superficie de apoyo, terminal para soportar el intercambiador.

Placa de Cabeza (Seguidor).

Además de cumplir las funciones descrita para la Placa Madre de Presión también cumple la función de permitir la entrada y salida del líquido caliente y del líquido utilizado como refrigerante.Es la más gruesa instalada en el extremos por donde ingresa el líquido al intercambiado, en éste caso está placa o seguidor conforma el otro extremo del bastidor está perforada además por cuatro orificio una entrada y salida del líquido a enfriar, una entrada y salida del líquido utilizado como refrigerante además sirve para obturar ofreciendo una superficie indeformable para la empaquetadura y el paquete de placas del cual está hecho el intercambiador.

Placa de intercambio de Calor.

Es una placa que recibe el líquido refrigerante por un lado y por el otro el líquido a refrigerar, su posición y orden durante el armado es importante para lograr este objetivo, razón por la cual al desarmar el paquete de placas se debe tener cuidado en mantener su orden al armarlo nuevamente. Su construcción es de un espesor delgado con un preformado que entrega la turbulencia requerida para evitar la formación de depósitos, una buena transferencia del calor.

Juntas o Empaque.- El canal perimetral presente en las placas sostiene las juntas. El propósito de las juntas es evitar que se mezclen los fluidos, fuguen hacia el exterior, direccionando los fluidos en sus canales alternos frió y caliente.Cada placa de intercambio viene provista de dos juntas y de una junta de campo. Como única excepción cabe señalar la placa cuya junta está en contacto directo con las placas del bastidor.

El material de las juntas está directamente ligado a las exigencias del servicio, esto es: PresionesTemperaturas de operaciónCaracterísticas fisicoquímicas de los fluidos manejados (composición química).

En las zonas de detección de fugas de las placas, las juntas presentan muescas. La misión de dichas muescas o rebajas es la de facilitar la fuga hacia el exterior de los fluidos, en caso de fallas la junta diagonal o una de las juntas anulares en la parte interna de la placa.

La funcionalidad de dichas muescas de detección de fugas está garantizada siempre y cuando las juntas no hayan sufrido una deformación por un exceso de temperatura o se haya producido el taponamiento de las mismas por elevada suciedad de los fluidos o se haya sobrepasado el límite máximo de apriete del paquete de placa.

Las juntas pueden ir pegados a las placas o con algún dispositivo de grampa (clip).

Como funcionan las juntas

Existen dos métodos para fijar las juntas a las placas reintercambio:

Fijación de las juntas mediante adhesivo.Para el caso de los empanques pegados se recomienda para equipos que soportan altas presiones en su interior y/o fluidos altamente corrosivos.En las cunas (alojamiento de las juntas) de las placas de intercambio de calor se aplica una película uniforme de un adhesivo especial.Este método es especialmente ventajoso para los aparatos que deben ser abiertos muy frecuentemente por motivos de limpieza.

Fijación mecánica de las juntas (sin adhesivos).

La fijación mecánica la sujeción de las juntas se realiza en distintos puntos de las placas de intercambio. El número de puntos de sujeción depende del tamaño de las placas. Mediante la introducción de las lengüetas de las juntas en los agujeros o ranuras previstos para este fin en el borde de las placas, se consigue la correcta sujeción de las juntas a las placas. Este sistema en el cual las juntas van pegadas a las placas con un dispositivo de grampa (clip in).

Empaque (GASKET)

Los empaques gasket se fabrican de elastómeros, que se seleccionan de acuerdo con el tipo de servicio y se colocan en el borde de las placas rodeando completamente las bocas de alguno de los extremos de manera que el flujo se pueda distribuir de lado a lado de la placa.

.- Revestimiento de Acero Inoxidable

Este revestimiento de acero inoxidable cumple la función de impedir que las placas se oxiden y pierdan material con lo cual sería seriamente afectada su duración y resistencia.Es una película confeccionada en base a un metal resistente a la oxidación, que baña toda la superficie externa de la placa, por eso no se aconseja limpiar las placas con elementos abrasivos que puedan dañar el acabado del intercambiador.

- Pernos de Amarre del Intercambiador de Calor.

Cumplen la misión de sujetar fuertemente unidas el conjunto de placas de tal manera de que haya un cierre hermético.Están construidos de acero al carbono en las dimensiones adecuadas, tiene una gran longitud de hilo para ajustar las tuercas de sujeción, su ajuste se logra midiendo la longitud que existe entre las dos placas madre con una apriete en la secuencia especificada por el fabricante, es importante no intercambiar las tuercas de sujeción para evitar daños en los hilos por donde corren las tuercas, también es importante medir el largo total de los pernos sin carga para poder calcular su fatiga cuando se ha elongado en más de lo especificado por el fabricante. Cuando esto ocurre deducimos que los pernos están fatigados y nunca lograremos un ajuste de precisión.

Apertura y cierre delosPernos de Amarre del Intercambiador de Calor.


Explicar el funcionamiento delintercambiador de calor

En un intercambiador de calor de placas, el calor se transfiere del electrolito pobre y el agua caliente al electrolito rico a través de delgadas placas de metal llamadas placas de transferencia, que han sido prensadas dentro de un patrón especial.

Cuando se estampa un conjunto de placas, los orificios de las esquinas forman múltiples conjuntos, que conducen al electrolito pobre y al electrolito rico a los pasos correctos entre las placas.

Debido a la disposición de las empaquetaduras en las placas, el electrolito pobre ingresa a los pasos con número par y el electrolito rico ingresa a los pasos con número impar.

Los dos electrolitos fluyen en direcciones opuestas y se recogen en múltiples en el mismo extremo del intercambiador de calor de placas en que ingresaron.

En el intercambiador de calor de placas, el agua caliente reemplaza al electrolito pobre en la trayectoria del caudal a través del intercambiador de calor.

La figura siguiente muestra un intercambiador de calor ensamblado y la disposición característica de las placas de transferencia y de las placas seguidoras que muestran la trayectoria de paso de los fluidos.

Cuando hay una transferencia de calor de un medio caliente a otro frío, en el trayecto, el calor encuentra varias resistencias térmicas, que como su nombre indica, se oponen al paso del calor, dichas resistencias cuando el intercambiador de calor está limpio son:

• Resistencia debido a la película del fluido caliente que se adhiere a las paredes del intercambiador • Resistencia debido al material de que está hecho el intercambiador; • Resistencia de la película o el fluido a calentar.• Resistencias debido a la incrustación en los equipos (( Fouling)

Estas resistencias térmicas hacen que la temperatura vaya disminuyendo en el trayecto del fluido caliente al frío


Describir el proceso del manejo del electrolito y su influencia en EW

Las soluciones utilizadas en la operación de SX y EW, pasan a través de diversas operaciones de acondicionamiento, almacenamiento y alimentación de reactivos.

El electrolito como solución principal del proceso tiene su circuito en un área de contención llamado patio de tanques.

Diagrama de flujo de soluciones en SX y Tank Farm

Flujo de soluciones en manejo de Electrolitos

El circuito del manejo de electrolito está constituido por diferentes etapas, tanto de almacenamiento, calentamiento y tratamiento de la solución.

• Primera etapa de calentamiento. • Filtraje del electrolito. • Recirculación de electrolito. • Segunda etapa de calentamiento.

Primera etapa de calentamiento

La primer etapa de calentamiento se da en el intercambiador de calor electrolito rico /electrolito pobre, al ingresar dos soluciones, una caliente y otra fría. El electrolito rico, bombeado desde el tanque de alimentación a los filtros, ingresa al intercambiador, con una temperatura de 18°C aproximadamente, y es calentado a una temperatura de 43°C; la solución caliente (electrolito pobre) llega al intercambiador con una temperatura de 48°C.

El electrolito rico de salida del intercambiador, ya calentado, se dirige hacia la etapa de filtraje en los filtros de electrolito. La solución de electrolito pobre de salida del intercambiador, se dirige hacia el mezclador-decantador de re-extracción S-2 y hacia el mezclador-decantador de extracción E-1, como purga de electrolito.

Las soluciones tanto de electrolito rico como de electrolito pobre, ingresan al intercambiador a 325 m3/h aproximadamente. El área de las placas de transferencia es de 190 m2 .

En la línea de ingreso de electrolito rico al intercambiador, está instalado un medidor de flujo, con el cual se controlan dos alarmas; una de flujo alto y otra de flujo bajo.

En la línea de salida del intercambiador, está instalado un medidor de temperatura, este medidor permite el monitoreo de la temperatura del electrolito rico y la activación de las alarmas de temperatura alta y baja en el sistema de control DCS.

Segunda etapa de calentamiento

La segunda etapa de calentamiento está constituida por el intercambiador de calor electrolito a EW /agua caliente, ilustrado en la Figura. Al igual que el intercambiador de la primera etapa, al intercambiador electrolito a EW /agua caliente ingresan dos soluciones, una fría y una caliente. La solución fría está constituida por una parte del flujo de electrolito a EW bombeado desde el tanque de recirculación (lado del electrolito a EW) y la solución caliente constituida por agua caliente proveniente de los calentadores.

El electrolito a EW, bombeado desde el tanque de recirculación (lado del electrolito a EW), se divide en dos líneas; la principal, de avance directo hacia las celdas de electroobtención (con un flujo de 1 350 m3/h) y la secundaria de calentamiento (con 150 m3/h).

Un electrolito demasiado frío puede hacer que el sulfato de cobre se cristalice en la solución, particularmente en grandes superficies metálicas como los filtros de electrolito o en pequeñas líneas y conexiones a través de toda la planta.

Una de las consecuencias de mal funcionamiento de los intercambiadores de calor esta basado en depósitos quebradizos e irregulares, como se observa en la figura

Influencia de la Temperatura en el proceso de Electroobtención

La temperatura favorece el proceso de EW en los aspectos de calidad catódica, menor voltaje de celda, cinética de transporte. Sin embargo, la temperatura de operación está limitada al rango de 40 a 55 ºC, debido al costo de calefacción del electrolito, pérdidas de agua por evaporación, mayor efecto de la neblina ácida e incidencia de mayor corrosión en la planta. Por ello hay que designar los sistemas de calefacción del electrolito para que mantengan una temperatura constante.

Si la temperatura del electrolito cae repentinamente, se producirá un descascaramiento de la capa de PbO2 con la consiguiente contaminación.

La temperatura alta del electrolito favorece las propiedades de difusión de iones en el electrolito, disminuyen la viscosidad de las soluciones y aumentan la densidad de corriente límite para el depósito de cobre.

Una temperatura menor de 30ºC, puede dar como resultado un grano más grueso y por consiguiente, un cobre catódico de menor calidad.

Una temperatura de más de 50ºC puede degradar el orgánico en el proceso de extracción por solventes

Efectos positivos de la temperatura

Mejora la conductividad del electrolito.Baja la viscosidad.Mejora la calidad del depósito.Baja los contaminantes, especialmente el azufre.Disminuye el potencial de la celda.Debe ser mantenida entre los 45 - 50 oC.

La temperatura del electrolito es otro de los factores importantes para bajar el nivel de azufre (S) en los cátodos.Experimentalmente se comprobó que subiendo la temperatura del electrolito unos 2 a 4°C es factible disminuir el contenido de azufre final en los cátodos, tal como se puede apreciar en la siguiente gráfica

Tratamiento térmico de electrolito

El electrolito rico ingresa a la nave de electroobtención a una temperatura de 20 ºC, la temperatura de operación en las celdas electrolíticas es de 48 ºC a 55 ºC, por lo tanto es necesario subir la temperatura de la corriente para estabilizar la temperatura de operación

Intercambiador de calor electrolito rico/electrolito pobre

Entradas al intercambiadorFluido frío : electrolito rico (a 20 ºC)Fluido caliente : electrolito pobre (a 46 ºC)

Salidas del intercambiadorFluido frío : electrolito rico (a 33 ºC)Fluido caliente : electrolito pobre (a 33 ºC)

Al pasar el electrolito rico a través del intercambiador de calor se transfiere calor desde el electrolito pobre, que sale de la Nave a una mayor temperatura, al electrolito rico que pasa en contracorriente.

Intercambiador de calor electrolito rico/Agua caliente

El electrolito rico se circula al intercambiador en contracorriente en el intercambiador de calor de agua caliente. La solución así calentada se envía estanque de recirculación de electrolito, el agua que sale del intercambiador se retorna al estanque de expansión

Entradas al intercambiadorFluido frío : electrolito rico (a 33 ºC)Fluido caliente : agua caliente (a 95 ºC)

Salidas del intercambiadorFluido frío : electrolito rico (a 42 ºC)Fluido caliente : electrolito agotado (a 70ºC)

Control en intercambiadores de calor

El control en el intercambiador es realizado a través de la medición de la diferencial de presión a través de los controladores.Una corriente de electrolito (pobre) se retira del estanque y va a la primera etapa de calentamiento en los intercambiadores de calor, posteriormente abandona la nave hacia planta SX.Todos los sistemas de tuberías, incluyendo los intercambiadores de calor de placas entre ellos, ofrecen una resistencia al flujo de un líquido que este pasando a través de ellos.

Partículas grandes y fibras pueden también ser arrastradas dentro del intercambiador de calor y obstruirlo sino se instalan filtros o coladores para retirar estos elementos extraños que puedan reducir la capacidad para intercambiar calor y mantener controlada la temperatura dentro de los rangos requeridos por la operación.

• Bacterias• Nematodos• Protozoos

• Algas• Fibras o astillas de madera

El atascamiento u obstrucción podrá ser detectado en el medio como un incremento de la pérdida de presión, medido como una presión que comienza a aumentar a la entrada del intercambiador y a bajar en la salida de éste.Para cualquier ajuste en el rango de flujo se requiere mantener una temperatura correcta, toda bajada de presión debe ser hecha suavemente, a objeto de evitar choques sobre el sistema.

Los problemas para mantener el rendimiento del intercambiador de calor, pueden ser acusado por algún cambio en las condiciones de temperatura, el calor, la carga, por fallas en el sistema, aguas duras que por el trabajo mismo del equipo se van incrustando en las placas del intercambiado.Tan pronto como el aparato esté trabajando a satisfacción, debe mantenerse sin interferencia

Tarea de Aprendizaje N°7Identificar los problemas comunes en los

intercambiadores de calor

Los problemas comunes en los equipos Intercambiadores de placas pueden agruparse en:

Problemas con los FrameProblemas con las placas de flujo

Problemas en Frame

Los problemas frecuentes que dice relación con la operación de los equipos Intercambiadores de calor esta basado en derrames de soluciones en los puertos de entrada de las soluciones, esto se puede observar en la siguiente figura

Saturación de las placas de flujo por bajo mantenimiento ( no efectuar retro lavados)Mal ajuste de los sellos en los flanges

Problemas de saturación de placas de flujo

La saturación en los equipos de intercambio de calor de placas ocurre cuando se produce una incrustación entre cada placa de flujo (distancia interior de entre placa “gap”) debido a sólidos, fouling y cualquier elemento que permanezca y no ocurra la auto limpieza, esto lo podemos observar en la siguiente figura.

Daños en placas de flujo por pitting

El pitting es una corrosión localizada debido principalmente al efecto de cloruros en las soluciones de procesos, esto genera una contaminación de solución entre fluidos que puede incluso llevar a daños en equipos calentadores o calderas

Daños en placas de flujo por contaminación con orgánico

Las placas de flujo de los Intercambiadores de calor que operan con electrolitos están expuestas a sufrir contaminaciones de orgánicos, las cuales vienen por arrastres de la etapa anterior (filtración y/o lavados), este elemento orgánico produce una despasivacion de la superficie externa de la placa, esto produce que dicha superficie quede mas expuesta a sufrir corrosión.

Contaminaciones en placas de flujo por fouling de sistemas de agua

Dentro de las principales contaminaciones que afectan los coeficientes de transferencia de calor y bajan los rendimientos de estos equipos son las incrustaciones o fouling proveniente de los sistemas de agua de calentamiento o enfriamiento, las cuales usualmente traen dentro de su composición durezas de agua, arrastres de cristales de corrosión provenientes de las tuberías y en algunos casos en los sistemas de enfriamiento micro algas.

presentación intercambiador de calor

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