Documentacion

Glosario de términos relacionados con el intercambio de calor, aquí encontrarás todo lo que necesitas saber acerca del intercambio de calor.

ABRAZADERAS

En las industrias alimentaria y farmacéutica, la limpieza y la higiene son de vital importancia y es normal que los intercambiadores de calor se limpien e inspeccionen de forma rutinaria. Para facilitar el desmontaje y la reconexión, en estos sectores es habitual utilizar casquillos higiénicos sellados por una junta elastomérica, cuya presión de sellado se ejerce mediante una abrazadera en forma de V colocada sobre casquillos en forma de cuña.

Existen varios tipos de abrazaderas disponibles en el mercado, algunas aprobadas por TÜV y ASME, y el diseñador debe elegir el tipo y estilo adecuados para la aplicación y las presiones y temperaturas de trabajo especificadas para el equipo.

La mayoría de las abrazaderas están equipadas con tuercas de mariposa de acero inoxidable para apretar la abrazadera, pero para aplicaciones de alta presión a veces es aconsejable el uso de una tuerca de bronce para facilitar el apriete contra la alta presión y evitar el agarrotamiento de acero inoxidable con acero inoxidable que puede producirse si las roscas de los pernos no están lubricadas.

Fabricantes como Stahlcon (Alemania) o Advanced Couplings (Reino Unido) disponen de una amplia gama de abrazaderas homologadas y publican las capacidades de presión y temperatura de cada tipo. Alfa Laval también suministra abrazaderas (abrazaderas Trademark ‘Tri-Clover’), pero deben evitarse en la medida de lo posible, ya que normalmente son más caras que las de otros proveedores y tienen capacidades de presión muy restringidas.

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ACABADO GRANALLADO

Cuando se da una especificación para el acabado superficial requerido para las superficies mojadas de un intercambiador de calor puede utilizar una variedad de maneras de describir el nivel de acabado.

La forma moderna consiste en especificar el valor RMS de pico en micras, pero la forma antigua de dar la información consistía en dar una medida de «acabado de grano» y esto todavía se utiliza a veces.

Desgraciadamente, existen dos normas para los acabados Grit y hay que saber qué norma se utiliza, ya que varían:

Norma americana Norma del Reino Unido Ra
120 3.0
180 2.0
80 1.65
240 1.5
320 0.75
180 0.62
240 0.45
500 0.4
320 0.25

Es importante que sólo se indique el valor Ra a los subcontratistas y clientes en los planos y demás documentación, ya que es la única norma internacionalmente aceptada y reconocida por todos.

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AGUA

Las fuentes de agua de refrigeración para uso en intercambiadores de calor variarán en función de la instalación, pero pueden clasificarse a grandes rasgos de la siguiente manera:

  • Fuentes de agua bruta; es importante controlar la composición química de la fuente de agua para asegurarse de que es adecuada para su uso con los aceros inoxidables de la serie AISI 300, en particular la cantidad de cloruros. El agua debe filtrarse a través de filtros de malla para garantizar que los sólidos transportados al intercambiador de calor no causen obstrucciones. El usuario debe tener en cuenta que en la mayoría de los países están en vigor controles medioambientales que limitan la temperatura de las fuentes de agua bruta devuelta al medio ambiente.
  • Fuentes de agua dulce: normalmente se obtienen de sistemas de suministro de agua potable. El nivel de cloruro en estas fuentes es normalmente bajo, pero con frecuencia tendrán altos niveles de carbonato que darán lugar a la formación de incrustaciones de agua dura cuando se calienta. El usuario debe disponer de instalaciones para eliminar las incrustaciones de agua dura (normalmente mediante métodos químicos) si se va a utilizar para servicios de refrigeración en los que las temperaturas son elevadas.
  • Fuentes de agua refrigerada: se trata de sistemas cerrados que normalmente pueden considerarse limpios y no incrustantes. Es improbable que las temperaturas de trabajo provoquen la precipitación de incrustaciones de carbonato, por lo que es probable que se produzcan pocas incrustaciones durante periodos prolongados.

Requisitos generales:

  • La calidad del agua es un factor importante para determinar la vida útil del intercambiador de calor y el usuario maximizará la vida útil del intercambiador si controla la calidad del agua para asegurarse de que la fuente de agua se mantiene dentro de las especificaciones.
  • Deben realizarse análisis químicos periódicos para determinar los niveles de cloruro y carbonato y tomar las medidas adecuadas si las cantidades encontradas superan los niveles aceptables. Debe solicitarse el asesoramiento de un especialista para confirmar que cualquier fuente de agua es adecuada para su uso con materiales AISI 304/316 a los niveles de temperatura que probablemente se experimenten en servicio.
  • Deben instalarse válvulas de cierre manual antes y después del intercambiador de calor para garantizar la seguridad durante las actividades de mantenimiento.
  • Si la unidad utiliza agua como medio refrigerante, debe instalarse un dispositivo de seguridad entre las válvulas de cierre manual y el intercambiador de calor, dimensionado para garantizar una acumulación de presión no superior al 10% de la presión de trabajo máxima admisible marcada en la placa de características del intercambiador de calor en todas las condiciones previsibles. Esto es especialmente importante cuando el fluido que se refrigera está a alta temperatura, lo que podría provocar un rápido aumento de la presión dentro del sistema de refrigeración en caso de fallo en el suministro.
  • El usuario debe asegurarse de que el sistema y el intercambiador de calor estén completamente purgados de aire antes de su puesta en servicio, especialmente en la primera puesta en marcha y después de las operaciones de mantenimiento.

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AIRE

Cuando el aire es el producto o se utiliza como fluido de servicio en un intercambiador de calor, es importante conocer la base sobre la que se mide el caudal de aire.

Las bases comunes de medición son las siguientes:

  • Metros cúbicos por hora [m³/hr]
  • Pies cúbicos por minuto [cfm]
  • Kg por hora [kg/hora]
  • Libras por hora [lb/hr]

Los puntos de referencia comúnmente utilizados para las mediciones de volumen son:

  1. Volumen medido en «condiciones estándar» [St.m³/hr] [scfm]
  2. Volumen medido en la aspiración del compresor [m³/hr] [cfm]
  3. Volumen medido en la descarga del compresor [m³/hr] [acfm] reales

Las «condiciones estándar» [1] se definen como una temperatura de 20ºC y una presión de 1.013 Bar.Abs. Los volúmenes de aspiración o «reales» [2] y [3] se miden a la temperatura y presión del punto de medición.

Los cálculos de diseño térmico siempre se realizan utilizando el flujo másico de los fluidos, por lo que cuando se utiliza aire [o cualquier otro gas] es importante calcular el flujo másico utilizando las densidades que se aplican en las condiciones de volumen especificadas y la densidad del aire [o gas] en las condiciones de entrada/salida en el intercambiador de calor a la presión y temperaturas de trabajo.

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ASME BPE

La norma ASME BPE define la calidad de los componentes necesarios para uso farmacéutico. Es obligatoria en el mercado estadounidense, pero la industria farmacéutica en su conjunto reconoce la norma y suele especificar su uso.

Los dos factores principales que especifica la norma son:

  1. El acabado superficial requerido para las superficies mojadas
  2. Las tolerancias de fabricación que deben respetar los componentes (como los diámetros internos de los casquillos), incluida la precisión de los procesos de mecanizado y la tolerancia diametral.

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ASME VIII DIVISIÓN 1

ASME VIII División 1 es el código de diseño estadounidense para recipientes a presión no sometidos a combustión con fines industriales.

Se trata de un código de diseño bien establecido y ampliamente aceptado, sobre todo en las industrias dominadas por los estadounidenses, como la de producción y procesamiento de petróleo, pero algunos ingenieros consideran que su enfoque es bastante conservador y que se ha quedado rezagado con respecto a los códigos europeos, como la norma EN 13445, que se han redactado utilizando los conocimientos y la experiencia europeos más recientes.

Es importante tener en cuenta que ASME VIII Div.1 sólo puede utilizarse para recipientes a presión (incluidos los intercambiadores de calor) que tengan un diámetro de carcasa superior a (e incluido) 6 pulgadas (168,3 mm) de diámetro. Por debajo de este diámetro, el código no es válido.

Se trata de dos formas muy distintas de trabajar con ASME VIII Div.1:

  1. Para ser TOTALMENTE conforme con ASME VIII Div.1, el recipiente a presión no sólo debe diseñarse mecánicamente utilizando las fórmulas del código, las normas de materiales, etc., sino que también DEBE fabricarse en un taller que haya sido aprobado por el cuerpo de inspectores de ASME y autorizado para aplicar el sello «U» de ASME, que es el equivalente de la marca CE europea en cuanto a garantía de calidad.
  2. El recipiente a presión puede diseñarse mecánicamente utilizando las fórmulas de ASME VIII Div.1, pero fabricarse con materiales estándar europeos y en un taller no homologado por ASME. En este caso NO SE PUEDE aplicar la «U» de ASME.

En realidad, sólo los recipientes a presión que se exportan a determinados Estados americanos DEBEN llevar el sello «U»; otras naciones que utilizan ASME VIII Div.1 como Código lo hacen por comodidad y a menudo (pero no siempre) renuncian a la necesidad de un taller autorizado.

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ATEX

ATEX es un sistema de clasificación para entornos explosivos clasificado con arreglo a las Directivas europeas 94/9/CE y 99/92/CE.

A menos que un intercambiador de calor de carcasa y tubos pueda acumular electricidad estática (lo que es posible en determinadas circunstancias) no hay nada que hacer, pero si la electricidad estática es una posibilidad, hay que soldar un saliente de puesta a tierra en algún lugar, normalmente a un soporte de pie o a una brida, para que la unidad pueda conectarse eléctricamente a tierra.

Si se suministran radiadores o torres de refrigeración refrigerados por aire, los motores, ventiladores y todos los controles deben tener certificación ATEX según la categoría de peligro y la Directiva correspondiente.

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AZEOTROPO

También conocido como mezcla de ebullición constante, un azeótropo es una mezcla de dos o más líquidos en una proporción cuya composición no puede modificarse por destilación. Si se hierve una mezcla de este tipo, el vapor tendrá la misma composición que el líquido.

Un azeótropo típico bien conocido es una mezcla de 96% de etanol con 4% de agua que hierve a 78,2°C, un punto de ebullición inferior al de cualquiera de sus componentes.

Desde el punto de vista de los diseñadores de intercambiadores de calor, es muy importante identificar correctamente estos fluidos y obtener los datos adecuados antes de realizar cualquier cálculo de transferencia de calor.

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BAJO DISEÑO

Es el término que se utiliza cuando un intercambiador de calor no es capaz de alcanzar el rendimiento térmico para el que fue diseñado. Esto puede deberse a una subestimación de los requisitos de diseño, a deficiencias del sistema que provocan caudales o perfiles de temperatura inadecuados o a una sobreestimación de los coeficientes de transferencia de calor que se alcanzarían. En las aplicaciones con fluidos de los que no se dispone de datos físicos o de transporte fiables, o éstos son escasos, es esencial incorporar un margen de diseño adecuado para tener en cuenta los factores desconocidos.

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BARRAS DE SUJECIÓN

Cuando se instalan deflectores para dirigir el flujo de fluido del lado de la carcasa o para soportar los tubos, suelen estar unidos por un armazón que se fija en un extremo a una placa tubular.

Los tirantes para los separadores horizontales de las placas deflectoras pueden soldarse a cada deflector o llevar una serie de tubos separadores.

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BOQUILLAS

Es el término americano para las conexiones o derivaciones (cf).

Una consideración importante en el diseño mecánico de un intercambiador de calor es qué «cargas de boquilla» se impondrán en el intercambiador de calor por las tuberías de conexión.

Estas cargas están completamente definidas en la sección 10.6 de TEMA y representan las fuerzas impuestas por la desalineación de las tuberías en las conexiones del intercambiador de calor.

Es importante señalar que, a menos que el usuario final indique que hay cargas específicas de boquilla que deben imponerse en el intercambiador de calor, el diseñador siempre debe suponer que son cero.

En los recipientes de pared delgada de acero inoxidable es importante que las tuberías se diseñen y soporten correctamente para evitar las cargas impuestas, ya que es muy fácil provocar distorsiones (y, por tanto, zonas sometidas a grandes esfuerzos) en el tubo de revestimiento.

Si se aconsejan cargas en la tobera, debe utilizarse la norma EN 13445-3 Sección 16 para calcular los efectos en los niveles de tensión dentro de los componentes del intercambiador de calor.

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BRIDAS

La mayoría de los sistemas industriales utilizan bridas atornilladas para conectar las tuberías y los demás componentes del sistema. Existen muchos tipos y estilos diferentes de bridas a disposición de los diseñadores y normalmente serán especificadas por el diseñador del sistema o el usuario final para que coincidan con los demás componentes que conforman el sistema.

Dos de los estilos de brida más utilizados tienen:

  1. Superficies de junta completamente planas que requieren juntas de cara completa
  2. Una parte elevada poco profunda que forma una superficie de junta de diámetro reducido – una cara elevada

Los de tipo [1] son normalmente los más baratos de comprar, ya que son menos complicados de producir, pero los de tipo [2] tienen la ventaja de que la presión de sellado sobre la junta para una carga de perno dada es mayor, lo que los hace más seguros en aplicaciones de alta presión.

Algunas normas de bridas que se utilizan habitualmente son:

  • ANSI B16,5 Estados Unidos de América
  • BS 4504 Reino Unido
  • DIN Alemania
  • IS O Europa en general

Si se propone el uso de juntas elastoméricas, es aconsejable mecanizar las superficies de contacto de la junta de la brida con una serie de ranuras concéntricas poco profundas que actúen como chaveta para la junta. De lo contrario, en condiciones de alta presión, la junta podría salirse del conjunto de la brida. Cuando el sistema está presurizado, esto es obviamente peligroso y debe evitarse.

En el apartado 5.7.2 de la norma EN 1092-1 se detallan los mecanizados recomendados para los distintos tipos de revestimientos de bridas.

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VAPOR DE FLASH

Cuando se introduce un líquido en un recipiente o tanque que funciona a una presión que tiene una temperatura de saturación inferior a la temperatura real del líquido (por ejemplo, agua a 120°C introducida en un tanque a presión atmosférica) se producirá vapor flash por el exceso de energía.

En el ejemplo anterior, el agua a 120°C [presión de saturación 1,98 Bar.Abs] tiene una entalpía igual a 503.813 kJ/kg, mientras que a presión atmosférica y 100°C el agua tiene una entalpía igual a 419.098 kJ/kg.

Por tanto, cuando pierde presión hay un exceso de entalpía igual a [503.813 – 419.098] = 84.715 kJ/kg.

El Calor Latente (cf.) del vapor a presión atmosférica es de 2256,66 kJ/kg por lo que el exceso de entalpía en el agua producirá [84.715/2256,66] = 0.0375 kg de vapor por kg de condensado cuando se reduzca la presión. Hay que tener en cuenta que ésta es la MASA del vapor y que, debido a su baja densidad, su volumen será de 62,8 Litros por kg de condensado.

Esto es especialmente importante cuando el condensado presurizado a la temperatura de saturación del vapor fluye a través de una trampa de vapor, ya que la trampa tendrá una pérdida de presión a través de la válvula. Si esta pérdida de presión es significativa, se producirá una cantidad importante de vapor flash.

La mejor manera de evitar este vapor flash es enfriar el condensado dentro del intercambiador de calor a una temperatura inferior a la temperatura de saturación en el lado de baja presión de la válvula. Si esto se hace de forma controlada, también aumentará la eficiencia del intercambiador de calor.

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CALOR ESPECÍFICO

Es el parámetro utilizado para describir la cantidad de energía necesaria para elevar 1 grado una masa determinada de una sustancia (sólida, líquida o gaseosa).

Las unidades del sistema SI acordadas internacionalmente son J/g.K. Es el número de julios necesarios para elevar 1 kg de materia 1ºK. Para el agua a 20ºC es de 4,1841 J/g.K a 1,0 Bar(abs).

Los factores de conversión a otros sistemas de unidades son:

  • SI a sistema métrico = [ SI / 4,1868 ] kcal/kg.ºC
  • SI a Imperial = [ SI / [ 4,1868 ] Btu/lb.ºF

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CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN

Es el aporte térmico isotérmico (temperatura constante) necesario para conseguir un cambio de estado de líquido a vapor a la misma temperatura.

A temperatura atmosférica, el agua hierve a 100ºC y el calor necesario para cambiar su estado es de 2256,66 kJ/kg.

A 10 Bar(g), este valor desciende a 1999,67 kJ/kg, por lo que es importante que, cuando se diseñe un equipo que implique procesos de evaporación (véase) o condensación (véase), se obtengan la presión y la temperatura correctas para el proceso.

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CIP

La limpieza CIP o limpieza in situ se utiliza a menudo para limpiar intercambiadores de calor.

En las industrias alimentaria y farmacéutica, se suele llevar a cabo haciendo pasar una solución ácida de baja potencia a través del intercambiador de calor del circuito del producto, seguida de una solución alcalina para neutralizar el ácido y, a continuación, un enjuague con agua limpia para eliminar cualquier residuo de la solución.

La velocidad de las soluciones CIP suele ser de 1,5 m/s para lograr una limpieza eficaz a una temperatura de 85°C a 90°C.

A veces, la limpieza CIP puede ir precedida de un proceso de Pigging (cf.) para maximizar la cantidad de producto eliminado del intercambiador antes de iniciar la limpieza.

La limpieza CIP suele ir seguida de un proceso de esterilización (véase) para garantizar que se neutralizan los residuos o bacterias que puedan quedar. La esterilización suele llevarse a cabo elevando la temperatura de todos los componentes hasta al menos 140°C y manteniéndolos durante un breve periodo a esa temperatura. El diseñador del proceso debe especificar la temperatura y el tiempo para cada producto tratado.

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CÓDIGOS DE DISEÑO

Los distintos códigos de diseño mecánico elaborados por las autoridades nacionales se conocen como «códigos de diseño». En la mayoría de los casos, se trata de códigos nacionales específicos para los equipos que se suministran a un usuario final dentro de ese territorio, aunque algunos han logrado aceptación internacional.

Los Códigos Nacionales más comúnmente especificados son:

  • AD 2000 Merkblätter Alemania
  • AS1210 Australia
  • ASME VIII División 1 Estados Unidos de América
  • PD5500 Reino Unido
  • Código sueco de recipientes a presión Suecia
  • Stoomwesen Holanda

Algunos Códigos son aceptados internacionalmente y estos son:

  • ASME VIII División 1 Estados Unidos de América
  • EN13445 Unión Europea

Otros códigos no sólo especifican cómo deben diseñarse los recipientes a presión, sino también las cualificaciones de fabricación y los procedimientos de aprobación del diseño que deben adoptarse.

Ejemplos de este tipo son:

  • GOST Federación de Rusia
  • Código chino de recipientes a presión China

También se utilizan códigos de diseño de otro tipo, sobre todo en la industria alimentaria, que especifican características de diseño en lugar de espesores de metal.

Ejemplos de este tipo de código son:

  • EHEDG (Higiene de los equipos alimentarios) Unión Europea
  • 3A (Higiene de los equipos alimentarios) EE.UU.
  • TEMA (Intercambiadores de calor para refinerías) EE.UU.

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

La conductividad térmica -denominada normalmente k- es la propiedad de la capacidad de un material para conducir el calor y aparece principalmente en la Ley de Fourier para la conducción del calor.

La transferencia de calor a través de materiales de alta conductividad térmica se produce a una velocidad mayor que a través de materiales de baja conductividad térmica. En consecuencia, los materiales de alta conductividad térmica se utilizan ampliamente en aplicaciones de intercambiadores de calor y los materiales de baja conductividad térmica se utilizan como aislantes térmicos.

La conductividad térmica de los materiales depende de la temperatura y el recíproco de la conductividad térmica es la resistividad térmica.

XLG utiliza normalmente acero inoxidable tanto para los tubos como para la contención de la presión y, aunque este material tiene una resistencia térmica relativamente alta -baja conductividad térmica-, su solidez y resistencia a la corrosión permiten utilizar secciones de material más finas, lo que limita la resistencia térmica global.

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CONEXIONES

Para que un intercambiador de calor funcione dentro de un sistema, es necesario conectarlo a los demás componentes del sistema con un tipo de conexión adecuado (a veces denominado boquilla o derivación).

El diseñador del intercambiador de calor tiene que tomar varias decisiones sobre las conexiones y debe tener en cuenta los requisitos del diseñador del sistema.

  1. Diámetro: el diámetro de la conexión determinará la velocidad del fluido que la atraviesa para entrar en los tubos o en la carcasa. La pérdida de presión en el fluido será función del cambio de velocidad del fluido al realizar esta transición y, sobre todo en aplicaciones de condensación de vapor, esta pérdida de presión debe calcularse para determinar los efectos (si los hay) en el proceso.
  2. Tipo de racor: el tipo de racor que se utilice dependerá principalmente de los requisitos del diseñador del sistema, pero sea cual sea el tipo especificado, el diseñador del intercambiador de calor deberá confirmar que se va a utilizar dentro de sus capacidades de presión y temperatura y que se utilizará una junta o sellado adecuados. Estos accesorios pueden ser bridas con clasificación PN, casquillos y abrazaderas higiénicos, acoplamientos roscados como RJT o SMS o conexiones roscadas internas como BSP (británicas) o NTP (americanas).
  3. Conexiones a la carcasa: existen tres tipos principales de formación de soldaduras que se utilizan habitualmente con las conexiones de acero inoxidable de pared delgada:
    • Fijación: el tubo de conexión se adapta a la curvatura del armazón y se suelda en un orificio del armazón de diámetro igual al diámetro interior del tubo de conexión. Se utiliza una soldadura de penetración total para unir el tubo a la carcasa.
    • Fijación: el tubo de conexión se adapta a la curvatura del armazón y se suelda en un orificio del armazón igual al diámetro exterior del tubo de conexión. El tubo de conexión puede sobresalir de la pared de la carcasa y se utiliza soldadura en ángulo para unir el tubo a la carcasa.
    • Formado localmente (moldeado): la carcasa se deforma mecánicamente hacia el exterior para que la sección deformada tenga el mismo diámetro exterior que el tubo de conexión. Se utiliza una soldadura a tope de penetración total para unir el tubo de conexión a la carcasa. Este tipo de soldadura sólo se recomienda cuando el diámetro de la conexión es relativamente pequeño en comparación con el diámetro de la carcasa y cuando los espesores respectivos de los metales son similares. Hay que tener en cuenta que, como resultado de la deformación, se produce una zona de tensión muy elevada en el tubo exterior que, en condiciones corrosivas, puede provocar un fallo prematuro.

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CONTAMINACIÓN

Cualquier fluido, vapor o gas puede contaminarse con sustancias no deseadas que afectarán al intercambiador de calor o a su rendimiento.

En el peor de los casos, una sustancia contaminante podría causar la corrosión del metal o el deterioro del material de la junta en contacto con el fluido portador y/o tener un efecto adverso en el rendimiento de transferencia de calor alcanzado.

Algunos contaminantes comunes son:

  • Aire u otros gases no condensables en aplicaciones de condensación que pueden inhibir seriamente la transferencia de calor y requieren una ventilación constante para evitar que enmascaren las superficies de transferencia de calor.
  • Sedimentos, algas u organismos como peces o moluscos en las fuentes de agua bruta de ríos, canales y el mar, que pueden provocar incrustaciones y/o problemas de corrosión a largo plazo.
  • Contaminación metálica, como óxido e incrustaciones procedentes de tuberías mal limpiadas, que pueden deteriorar a largo plazo los componentes de acero inoxidable.
  • El limo o la contaminación química del agua de las torres de refrigeración pueden causar problemas de incrustación y corrosión a largo plazo.

Es esencial que el diseñador del intercambiador de calor disponga de detalles sobre cualquier posible contaminación al realizar el diseño térmico y la selección de materiales, ya que pueden ser necesarios márgenes adicionales de ensuciamiento (cf.) y la selección de materiales afectará tanto a la resistencia de la pared de los tubos como a su capacidad de resistencia a la corrosión.

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CONTAMINACIÓN DEL AIRE, ACUMULACIÓN Y VENTILACIÓN

El oxígeno puede causar problemas en las calderas de vapor, por lo que los operarios de las calderas se encargan de desoxigenar el suministro de agua de alimentación a la caldera y minimizar en la medida de lo posible las fugas de aire en el sistema. Sin embargo, en condiciones normales de trabajo es imposible que un sistema de vapor sea a prueba de fugas y es casi inevitable que haya un pequeño contenido de aire en los flujos de vapor. Incluso los sistemas de alta presión sufren la migración de aire a las líneas de suministro a través de los vástagos de las válvulas, juntas, etc., por lo que el diseñador del intercambiador de calor debe ser consciente de los problemas potenciales que esto puede causar.

Si hay aire arrastrado en el flujo de vapor a un intercambiador de calor, el efecto será reducir el coeficiente de condensación por inhibición del flujo de calor. En equipos como condensadores de venteo y autoclaves probablemente habrá un contenido de aire significativo, a menos que el recipiente se evacue antes de que comience el proceso de venteo de vapor.

Por lo tanto, es importante tener en cuenta la necesidad de instalar una conexión de ventilación en cualquier condensador de vapor que se encuentre en una zona donde sea posible la acumulación de un gas no condensable.

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CONTROL DE CALIDAD

Los procedimientos de Control de Calidad seguidos por XLG están documentados en el Manual de Calidad (cf.) y en los procedimientos individuales referenciados dentro del Manual.

Dado que los procesos de fabricación se subcontratan normalmente a empresas especializadas, el Control de Calidad ejercido por XLG consiste en documentar las normas y pruebas de fabricación mediante planos y/o especificaciones de fabricación enviados a la empresa tercera.

Las pruebas de presión y otros exámenes no destructivos (cf.) suelen ser presenciados por personal de XLG para garantizar el cumplimiento de los requisitos de diseño.

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CORING

En las aplicaciones en las que intervienen fluidos con grandes cambios de viscosidad a lo largo del intervalo de temperaturas de funcionamiento, existe un problema potencial, ya que la viscosidad de las capas límite del fluido diferirá significativamente de la viscosidad del fluido en el centro del tubo.

En las aplicaciones de refrigeración existe el peligro de que la resistencia viscosa en la pared del tubo ralentice el flujo del fluido, pero que la menor viscosidad en el centro del tubo permita que el «núcleo» central fluya a mayor velocidad.

Esto se conoce como perforación y es más probable con tubos de gran diámetro que con tubos de diámetro pequeño. Puede evitarse colocando cinta retorcida u otros elementos que aumenten la turbulencia en los tubos, pero esto suele conllevar una pérdida de presión. Los tubos corrugados tienden a minimizar la posibilidad de perforación con una menor pérdida de presión, ya que crean una mayor turbulencia en la pared del tubo y fomentan la mezcla dentro del fluido.

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CORROSIÓN

Los intercambiadores de calor estándar XLG se fabrican utilizando acero inoxidable AISI 304 y/o AISI 316 para todas las superficies húmedas y no húmedas. Estos aceros inoxidables austeníticos tienen buena resistencia a la corrosión en la mayoría de los fluidos, pero son susceptibles a la corrosión por algunas sustancias químicas y algunos otros mecanismos que el diseñador del intercambiador de calor debe tener en cuenta.

El agrietamiento por corrosión bajo tensión es probablemente la causa más común de fallo por corrosión en los aceros inoxidables austeníticos y suele estar provocado (aunque no exclusivamente) por soluciones de cloruro. Para sufrir esta forma de corrosión no sólo debe haber un porcentaje suficiente de cloruros en solución en contacto con las superficies metálicas, lo que depende de la temperatura, y el componente debe estar sometido a tensión. Es fácilmente identificable por la aparición de pequeñas grietas en los límites de los granos metálicos que pueden detectarse mediante líquidos penetrantes o mediante un examen visual con gran aumento. Si no es posible eliminar la fuente de los cloruros, es necesario cambiar el material por una aleación más resistente.

Otra forma de corrosión que afecta a los aceros inoxidables es la corrosión por erosión que, como su nombre indica, se produce cuando las superficies resistentes a la corrosión del acero inoxidable son erosionadas por un fluido que contiene un elemento erosivo (como cascarilla de corrosión de componentes de acero al carbono o burbujas de aire) que incide sobre la superficie a gran velocidad. Esta forma de corrosión produce picaduras en forma de herradura en el metal que pueden verse con el ojo humano.

Los aceros inoxidables austeníticos se basan en la formación de una película de óxido duro en las superficies metálicas para evitar la corrosión del metal subyacente. En cierta medida, son autorreparables, ya que si la película de óxido se elimina (erosiona), volverá a formarse siempre que haya oxígeno presente en el fluido en contacto con el metal. Sin embargo, puede producirse otra forma de fallo por corrosión si la presencia de oxígeno se ve inhibida por la formación de capas de limo o cal en algunas partes de los componentes del intercambiador de calor. Estas capas pueden agotar el oxígeno en las partes cubiertas y crear así una célula de aireación diferencial que provocará la corrosión del metal.

Otra forma de corrosión que a veces se produce es la causada por la contaminación de las superficies de acero inoxidable por partículas (a menudo microscópicas) de acero al carbono. Esta contaminación puede proceder de diversas fuentes, pero suele ser el resultado de almacenar o trabajar (soldar, mecanizar, forjar, etc.) aceros al carbono en la misma zona que componentes de acero inoxidable. Se caracteriza por la aparición de manchas oscuras en la superficie del acero inoxidable con diminutas grietas superficiales bajo las manchas. Esta corrosión puede evitarse fácilmente separando bien las zonas de trabajo de acero al carbono y acero inoxidable, pero si es imposible evitar la contaminación, las superficies de acero inoxidable deben decaparse (véase) y pasivarse (véase) para protegerlas.

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CORTE DEL DEFLECTOR

Es el porcentaje del deflector, expresado como diámetro del deflector, que se corta para permitir el paso del fluido por encima del deflector y dirigirlo hacia arriba y hacia abajo (o de lado a lado) a través del haz de tubos.

El corte mínimo normalmente utilizado es del 25% del diámetro y el máximo recomendado es del 45% para asegurar un soporte adecuado del deflector.

El software de diseño térmico calcula la velocidad del fluido a través de la parte cortada (llamada ventana del deflector) y la pérdida de presión resultante. Si se requiere una reducción de la pérdida de presión, la disminución de esta velocidad mediante el aumento del corte del deflector a menudo dará el resultado requerido.

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CUELLO DE CISNE

Cuando es necesario que los vapores de condensación se enfríen por debajo de su temperatura de saturación (subenfriamiento) para evitar que los vapores se desprendan cuando se reduce la presión a través del sistema de drenaje de condensados, a veces es conveniente condensar y subenfriar en el mismo intercambiador de calor.

Para conseguirlo, hay que establecer un nivel de líquido dentro del intercambiador de calor (que es preferible montar verticalmente para minimizar las distorsiones de temperatura dentro de la unidad) y esto se puede conseguir de dos maneras:

  • Se puede montar un sistema de control del nivel de líquido en las conexiones instaladas en la tubería de revestimiento con la válvula de estrangulación de control en la conexión de salida ajustada para controlar a un nivel que logre tanto la condensación como el subenfriamiento.
  • Utilizando una conexión de salida de condensado de cuello de cisne que no requiere controles pero que garantizará el enfriamiento del condensado hasta un nivel preestablecido.

El cuello de cisne se forma montando la tubería de salida de condensados de modo que se alimente desde la parte inferior de la unidad (en una unidad montada verticalmente junto a la placa tubular inferior) y ascienda por la tubería de la carcasa hasta el nivel requerido. A continuación, se gira la tubería de modo que la conexión quede horizontal respecto a la carcasa del intercambiador de calor. La parte superior de esta sección horizontal se ventila de nuevo al espacio de vapor por encima del nivel de líquido para que la presión a ambos lados del nivel de condensado (dentro de la tubería y dentro de la carcasa) sea igual.

Esta igualación de la presión garantizará que el condensado no pueda salir a presión del intercambiador de calor antes de haber alcanzado el nivel establecido por las tuberías.

Al no requerir controles, el sistema de cuello de cisne es sencillo y no necesita mantenimiento. La única desventaja es que el nivel de subenfriamiento está predeterminado y no puede ajustarse posteriormente.

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DATOS DEL FLUIDO

Los datos sobre fluidos pueden dividirse en dos categorías principales:

  1. Datos necesarios a efectos de seguridad y categorización con arreglo a las normas de la Directiva sobre equipos a presión (cf.), que clasifican los fluidos (incluidos líquidos, gases y vapores) como:
  • Categoría 1 – Peligrosos si lo son:
    • Inflamable
    • Tóxico
    • Corrosivo
  • Categoría 2 – No peligroso para todo lo demás
  • Categoría A si son un Gas o un Vapor cuya presión parcial a la temperatura máxima de trabajo admisible (cf.) es superior o igual a 0,5 Bar por encima de la presión atmosférica normal.
  • Categoría B si son un Líquido cuya presión parcial a la temperatura máxima de trabajo admisible (cf.) no es superior o igual a 0,5 Bar por encima de la presión atmosférica normal.

Así pues, el agua a 15,0 bares y 150 °C se clasificaría como A(2) a efectos de PED.

  1. Datos necesarios que permitan al diseñador del intercambiador de calor:
  • [a] Seleccionar los materiales adecuados para los componentes húmedos y no húmedos.Esto requiere un conocimiento detallado de la química de los fluidos de trabajo y de los contaminantes que puedan estar presentes. Dado que la selección de materiales es un proceso complejo, es aconsejable que para todos los fluidos, gases y vapores, salvo los más conocidos, se solicite asesoramiento a metalúrgicos especializados.
  • [b] Realizar el diseño térmico del intercambiador de calor.Para ello es necesario disponer de los siguientes datos físicos y de transporte del fluido de trabajo a una serie de temperaturas (y, si es necesario, de presiones) que cubran el intervalo de temperaturas de trabajo.
    • Densidad
    • Calor específico
    • Conductividad térmica
    • Viscosidad
    • Índice de comportamiento del flujo (cf.) si el fluido es no newtoniano (cf.)
    • Calor latente si el fluido es un vapor en condensación o un líquido en evaporación

Hay que subrayar que cualquier diseño de un intercambiador de calor es tan fiable como los datos de fluidos utilizados para elaborar el diseño. Hay un viejo dicho entre los programadores informáticos que se aplica igualmente a los intercambiadores de calor: «Si metes basura, sacas basura».

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DECAPADO

El decapado de aceros inoxidables es un procedimiento de limpieza que se utiliza antes de la pasivación (cf.) para garantizar que las superficies de acero inoxidable estén libres de todos los contaminantes, como aceite o grasa, partículas de hierro, etc., una vez finalizados todos los procesos de mecanizado y soldadura. Existen varias marcas propias de pasta de decapado para su uso en zonas pequeñas, soldaduras, etc., que suelen ser una combinación de ácidos.

Algunas de estas pastas también contienen las soluciones de pasivación para proporcionar tanto el decapado como la pasivación en un solo paso.

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DEFLECTORES

Las placas deflectoras se utilizan por dos razones en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos:

  1. Dirigir el flujo de fluido a través del haz de tubos para aumentar la velocidad del fluido, crear más turbulencias y, por tanto, un mayor coeficiente de transferencia de calor.
  2. Para sostener tubos que, de otro modo, se hundirían por su propio peso, teniendo en cuenta el peso del fluido que contienen.

Las distancias mínimas y máximas entre placas deflectoras, los espesores mínimos, el número y diámetro de los tirantes y las distancias máximas entre orificios de tubos se especifican en la sección 5.4.1 del TEMA y, aunque no son obligatorias, representan una amplia experiencia en el diseño de intercambiadores de calor y suele ser conveniente seguir estas directrices.

Es importante tener en cuenta que el programa de diseño térmico utilizado para calcular la transferencia de calor sólo es válido para una distancia mínima entre deflectores de 50 mm y para una distancia máxima entre deflectores igual al diámetro interior de la tubería de revestimiento. Fuera de estos límites, los cálculos tienen un mayor margen de incertidumbre y error.

Aunque existen varios tipos de diseños de placas deflectoras segmentadas, normalmente sólo es necesario utilizar dos tipos en intercambiadores de calor pequeños:

  1. Corte horizontal – que dirige el fluido del lado de la carcasa hacia arriba y hacia abajo sobre el haz de tubos – que se utilizan cuando el fluido de la carcasa es líquido o gas.
  2. Corte vertical – dirigiendo el fluido de lado a lado – que normalmente sólo se utilizan con vapores de condensación.

Con cualquiera de los dos tipos, el corte mínimo recomendado es el 25% del diámetro del deflector y el corte máximo recomendado es el 45% del diámetro del deflector. Se considera una buena práctica asegurarse de que la línea de corte del deflector cae entre dos filas de tubos o en la línea central de una fila de tubos. En los deflectores de corte vertical, la línea de corte debe coincidir con la línea central de una columna de tubos.

En los deflectores de corte horizontal, el primer deflector y el último deflector deben tener la parte cortada de la placa deflectora en el lado opuesto de la carcasa al de la conexión. Cuando las conexiones laterales de la carcasa están en lados opuestos de la carcasa, habrá por lo tanto un número par de placas deflectoras y cuando las conexiones de la carcasa están en el mismo lado de la carcasa habrá un número impar de placas deflectoras.

En el caso de los deflectores de corte vertical, depende del diseñador la posición del primero y el último deflector, pero deben seguirse las mismas reglas que en el caso de los deflectores de corte horizontal en lo que respecta al número de deflectores (par o impar) y a la posición de las conexiones laterales de la carcasa.

Las placas deflectoras están espaciadas usando Barras de Unión (cf.) espaciadas alrededor del deflector para mantener el espaciado correcto y soportar la placa deflectora. En la sección 5.4.71 de TEMA se recomiendan los diámetros y números de las barras de unión.

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DEFLECTORES CON VAPOR

Con los vapores de condensación sólo se utilizan normalmente deflectores de corte vertical que actúan como soportes de los tubos.

Es importante tener en cuenta que, si el intercambiador de calor está montado horizontalmente, se debe cortar una muesca o ranura de drenaje en la parte inferior de la placa deflectora para permitir el drenaje libre del condensado. Una superficie total de la muesca igual o superior a la conexión de salida de condensados garantizará normalmente el drenaje libre.

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DENSIDAD

La densidad de una sustancia es el peso por unidad de volumen y es una propiedad importante para el diseñador del intercambiador de calor, ya que los caudales de fluidos o gases a menudo se citan en términos de caudal volumétrico por el diseñador del sistema, pero el diseñador del intercambiador de calor necesita el caudal másico.

Una fórmula útil para obtener la densidad de cualquier gas a STP es la siguiente:

Densidad = MW/22,4

Dónde:

  • Densidad en g/L a temperatura y presión estándar (STP)
  • MW = Peso molecular en g/mol.
  • 22,4 = una constante en L/mol.
  • STP = 0°C y 1013 mBar

[1 g/L = 1 kg/m³].

Para los gases que trabajan a temperaturas y presiones diferentes de STP, el valor debe corregirse tanto para la temperatura como para la presión en las condiciones de trabajo.

Las densidades de los líquidos se obtienen mejor pesando un volumen conocido de líquido. Dado que las densidades de los líquidos cambian con la temperatura (pero muy poco con la presión), deben realizarse pruebas a distintas temperaturas.

A continuación se ofrece un sitio web muy útil que ofrece no sólo valores de densidad, sino también información exhaustiva sobre la mayoría de las sustancias químicas:

http://webbook.nist.gov/chemistry/

 

DESIGNACIONES

La forma de designar los intercambiadores de calor está abierta a los fabricantes para que elijan el método que más les convenga, pero el método aceptado internacionalmente es el descrito en la sección N-1 de TEMA, que recomienda que las unidades se designen incluyendo las siguientes características:

  • Diámetro nominal de la carcasa
  • Longitud nominal del tubo (que puede variar de la longitud real del tubo)
  • Tipo de unidad (placa tubular fija, monotubo, etc.), indicando, en su caso, el tipo de colectores

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DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA EFECTIVA

La diferencia media efectiva de temperatura (EMTD) es el producto de la diferencia logarítmica de temperatura (cf.) (LMTD) y un factor de corrección que reduce la LMTD para tener en cuenta los efectos negativos de tener más de un paso de tubo o más de un paso de carcasa.

La sección 7 de TEMA (cf.) contiene gráficos que ilustran diversas disposiciones de paso de tubos y carcasa que permiten al diseñador del intercambiador de calor obtener valores de F para corregir el LMTD.

Los valores de P y R deben calcularse para las temperaturas de funcionamiento y, a partir del gráfico que ilustra el patrón de flujo utilizado, obtener un valor de F donde:

P = [ t2 – t1 ] / [ T1 – t1 ]

R = [ T1 – T2 ] / [ t2 – t1 ]

T1 = Entrada de fluido por el lado de la carcasa

T2 = Salida de fluido del lado de la carcasa

T1 = Entrada de fluido por el lado del tubo

T2 = Salida de fluido por el lado del tubo

El examen de los gráficos mostrará que cuando el valor de F es inferior a 0,75 resulta cada vez más difícil obtener un valor con certeza, por lo que se recomienda rechazar las configuraciones de intercambiadores de calor que den valores inferiores a 0,75 y reexaminar los parámetros de diseño.

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DIRECTIVA SOBRE EQUIPOS A PRESIÓN (PED) 97/23/CE

Cualquier equipo a presión vendido en la Unión Europea DEBE ser evaluado y clasificado de acuerdo con la Directiva europea de equipos a presión 97/23/CE para determinar el nivel de escrutinio del diseño y la supervisión de la fabricación requeridos.

El procedimiento de evaluación para los intercambiadores de calor es sencillo y consiste en calcular los volúmenes de cada uno de los circuitos de fluido y multiplicar estos volúmenes por la presión de trabajo máxima permitida para el circuito de fluido en cuestión. Utilizando la categoría de fluido de cada uno de los fluidos de trabajo (véanse los datos de fluidos), se seleccionan las tablas de evaluación de la conformidad pertinentes del anexo II de la Directiva sobre equipos a presión y se utiliza el valor de Presión x Volumen en Bar. Litros utilizado en este gráfico para categorizar el equipo. La categoría del intercambiador de calor debe ser la más alta de las categorías de circuitos de fluidos individuales obtenidas.

Las categorías y sus significados son los siguientes:

  • Equipos que no pueden llevar el marcado CE debido a su tamaño o a las condiciones de su diseño
  • Marcado CE de categoría I, que sólo requiere la inspección final por parte del fabricante.
  • Marcado CE de Categoría II que requiere la inspección final por parte de un Organismo Notificado (cf.)
  • Marcado CE de Categoría III, que requiere el examen del diseño y la inspección final por parte de un Organismo Notificado.
  • Marcado CE de Categoría IV, que requiere el examen del diseño y la inspección final por parte de un Organismo Notificado.

Independientemente de la categoría a la que pertenezca el equipo, el fabricante tiene la obligación legal de mantener un Expediente Técnico (cf.) que contenga la documentación técnica, cálculos, planos, etc. utilizados en la fabricación del equipo. La Directiva establece que el fabricante debe ser capaz de compilar y proporcionar el Expediente Técnico a un Organismo Notificado si así se le solicita «en un plazo razonable» y los registros deben conservarse durante un período mínimo de 10 años.

Cuando una unidad debe llevar el marcado CE en virtud de la Directiva, debe fijarse de forma permanente en el equipo una placa de identificación con el marcado CE. Es un delito retirar o desfigurar una placa de identificación con el marcado CE y, si alguna vez es necesario renovarla (porque se haya dañado accidentalmente o hayan cambiado las condiciones de diseño), debe hacerlo el fabricante con la participación (si es necesario) de un organismo notificado cualificado.

Para más información, visite este enlace.

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DISEÑO DE DEFLECTORES

El diseño de las placas deflectoras debe decidirse durante la fase de diseño térmico de la selección del intercambiador de calor, ya que la adición de placas deflectoras, el % de corte de deflector utilizado y la distancia entre deflectores influirán en la transferencia de calor en el lado de la carcasa del intercambiador de calor.

Con deflectores poco espaciados, la primera y la última placa deflectora deben fijarse a unos 50 mm de la conexión hacia el centro del intercambiador de calor. Si la separación entre deflectores es mayor, lo más conveniente es que todas las placas deflectoras tengan la misma separación.

Un diseño de deflector que no se utiliza normalmente pero que puede ser útil en algunas aplicaciones de diseño en intercambiadores de calor de gran diámetro es el deflector de «doble segmento» en el que el porcentaje total de corte del deflector se obtiene cortando la parte central de un deflector y luego dos segmentos a 180° entre sí en el deflector adyacente. Los detalles de este tipo de deflector se pueden encontrar en la sección 5.4.1 de TEMA. Este tipo de deflector es particularmente útil para reducir la pérdida de presión en el lado de la carcasa, ya que la pérdida será la mitad de la pérdida producida por los deflectores de «segmento único».

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DRENAJE

Después de que los intercambiadores de calor hayan sido sometidos a pruebas hidráulicas o cuando tengan que desmontarse para su mantenimiento o reparación, es esencial que se vacíen de cualquier líquido, tanto del lado de la carcasa como del lado de los tubos. Esto puede hacerse a través de las tuberías del sistema, pero a veces es necesario que las unidades estén equipadas con puntos de drenaje específicos para garantizar un drenaje seguro.

Normalmente, una conexión roscada hembra (BSP o NTP) sería adecuada, pero el diseñador debe elegir no sólo un tamaño, sino también un tipo adecuado teniendo en cuenta las condiciones de trabajo, la toxicidad del fluido, los volúmenes de fluido, etc. El diseñador del intercambiador de calor debe tener siempre en cuenta cómo se drenará el equipo durante las pruebas en la fábrica y en la obra una vez instalado.

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EFICACIA DE LOS LIGAMENTOS

Esto representa una medida de los efectos de debilitamiento de los orificios de los tubos en las placas tubulares y se calcula de la siguiente manera para patrones de tubos triangulares o triangulares girados para su uso en el cálculo de los espesores de las placas tubulares:

μ = [ p – d ] / p

Dónde:

  • P = paso del tubo
  • d = Diámetro del orificio del tubo

Debe tenerse en cuenta que si se utiliza un paso de tubo inferior a 1,2 x diámetro exterior del tubo, la placa tubular es intrínsecamente débil y sólo es adecuada para bajas presiones. Para juntas expandidas con rodillos y presiones elevadas, es preferible utilizar 1,25 x diámetro exterior del tubo.

A 1,2 x paso OD la eficiencia del ligamento sería:

Tubo OD 18.0 mm

Paso del tubo 21,6 mm

μ = [21.6 – 18.0 ] / 21.6 = 0,1667

Con un paso de 1,25 x OD la eficacia del ligamento sería:

Tubo OD 18.0 mm

Paso del tubo 22,5 mm

μ = [22.5 – 18.0 ] / 22.5 = 0,2

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EFICIENCIA

La eficiencia de los intercambiadores de calor se calcula comparando la cantidad máxima posible de calor transferido con la cantidad real transferida. La relación es siempre inferior a 1 (lo cual es físicamente imposible), pero cuanto más se acerque a 1, más eficiente se considera un intercambiador de calor.

En los intercambiadores de calor en los que no se produce ningún cambio de estado, el rendimiento se calcula del siguiente modo:

µt = (t2 – t1 ) / (t3 – t1)

Dónde:

  • t1 = Temperatura de entrada del fluido frío
  • t2 = Temperatura de salida del fluido frío
  • t3 = Temperatura de entrada del fluido caliente

Las eficiencias más altas sólo pueden alcanzarse con intercambiadores de calor que trabajen en condiciones de contracorriente (cf.) y, en términos generales, cuanto mayor sea la eficiencia, más caro será el intercambiador de calor.

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ELASTÓMEROS

Los elastómeros son compuestos similares al caucho (un polímero) que suelen tener un bajo valor del módulo de Young y un alto límite elástico en comparación con otros materiales.

Suelen ser materiales «termoestables» (cf.) que requieren vulcanización y se utilizan para diversos tipos de juntas y empaquetaduras.

Se fabrican en una amplia gama de materiales, siendo los más útiles en aplicaciones de intercambiadores de calor los siguientes:

  • EPDM
  • Nitrilo
  • Neopreno
  • Silicona
  • VITON

Cada uno de estos materiales tiene un rango específico de temperaturas y presiones aceptables para su uso, así como un rango de resistencia química. El diseñador del intercambiador de calor, cuando utilice juntas o sellos elastoméricos, debe elegir un material que sea aceptable para el usuario final, que sea químicamente resistente al fluido o fluidos de trabajo y que se vaya a utilizar dentro de sus temperaturas y presiones de funcionamiento seguras.

Normalmente es conveniente especificar un valor de dureza para el elastómero de alrededor de 80 Shore, que proporcionará una resistencia adecuada a la sobrecompresión.

Debe tenerse en cuenta -y advertirse al usuario final- que todos los elastómeros son sensibles al calor, a los rayos UV y a la contaminación atmosférica, por lo que las juntas y sellos de repuesto deben almacenarse in situ en zonas de almacenamiento a la sombra, lejos de fuentes de calor y en un entorno limpio. En cualquier caso, se deteriorarán con el tiempo e incluso los repuestos deben examinarse periódicamente y renovarse si muestran signos de deterioro.

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ELIMINACIÓN DE CONDENSADOS

En las aplicaciones de condensación de vapor es de vital importancia que la eliminación del condensado del intercambiador de calor se realice de la manera más eficaz. De lo contrario, podrían producirse varias consecuencias indeseables que afectarían al rendimiento del intercambiador de calor y a su vida útil.

Si el intercambiador de calor se ha diseñado para subenfriar el condensado por debajo de su temperatura de saturación, se establecerá un nivel de condensado dentro del intercambiador de calor que se ha tenido en cuenta en el diseño mecánico. Sin embargo, si el condensado se acumula debido a un drenaje ineficaz, habrá diferencias en las temperaturas del metal que no se han tenido en cuenta y que pueden agrietar las soldaduras y causar otros daños.

También existe el riesgo de que el vapor vivo incida en una superficie de agua fría, lo que enviará ondas de choque a través del líquido y podría provocar fallos por fatiga. Esto suele ir acompañado de fuertes crujidos y, a veces, vibraciones en las tuberías.

La responsabilidad de garantizar un drenaje eficaz de los condensados recae en el diseñador de los sistemas de tuberías en los que se instalará el intercambiador de calor. No sólo debe asegurarse de que las tuberías y los dispositivos de retención de vapor tengan el tamaño adecuado, sino también de que las válvulas antirretorno, válvulas de cierre, etc., estén correctamente colocadas e instaladas.

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EMBALAJE

Los intercambiadores de calor deben protegerse siempre contra daños durante el transporte a la obra.

En el caso de equipos muy grandes o de unidades múltiples montadas en un marco, normalmente se aconseja el transporte en camiones específicos para evitar múltiples operaciones de carga y descarga, en cuyo caso normalmente se requiere una protección mínima.

Sin embargo, en el caso de las unidades pequeñas es aconsejable utilizar siempre un embalaje de transporte adecuado. Para los envíos por carretera dentro de Europa, suele ser adecuada una caja de madera robusta y abierta, dimensionada para garantizar que la unidad no pueda moverse durante la carga, el transporte y la descarga.

Para los envíos por mar a destinos más lejanos, es aconsejable utilizar una caja completa, dimensionada para garantizar que la unidad no pueda moverse durante la carga, el transporte y la descarga, y totalmente forrada con papel impermeable para minimizar la posibilidad de daños por el agua del mar. Hay que tener en cuenta que muchos destinos de ultramar no disponen de infraestructuras sofisticadas de descarga y transporte, por lo que las cajas de embalaje estarán sometidas a una manipulación muy brusca. El fabricante de la caja de embalaje debe ser notificado de la posibilidad de manipulación brusca y, si es posible, se debe pedir confirmación a la empresa de transporte de las instalaciones de descarga y transporte en el país de destino.

Debe tenerse en cuenta que muchos destinos que implican el transporte marítimo exigen una prueba certificada y marcas en TODA la madera utilizada en la fabricación de la caja o jaula para confirmar que la madera ha sido sometida a un tratamiento químico aprobado para matar todos los insectos y larvas que puedan estar presentes en la madera.

Todas las cajas o cajones de embalaje deben marcarse con los símbolos adecuados reconocidos internacionalmente para los puntos de elevación, la protección contra la humedad, la posición de montaje, etc.

ISO 780 y ASTM D5445 muestran los símbolos de uso común que deben utilizarse cuando proceda.

Algunas aplicaciones requieren que los intercambiadores de calor se envíen presurizados con un gas inerte (normalmente nitrógeno) para evitar la contaminación. En este caso se requieren marcas especiales de transporte (y manómetros).

Debe solicitarse asesoramiento a los agentes marítimos especializados para asegurarse de que se cumple la legislación vigente.

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ENSUCIAMIENTO

Existen varios tipos de incrustaciones que, a grandes rasgos, pueden resumirse del siguiente modo:

  • Ensuciamiento por deposición: cuando la corriente de fluido transporta partículas sólidas, como el limo del agua de río, que, debido a la baja velocidad en los tubos, caen por acción de la gravedad sobre las superficies de los tubos.
  • Ensuciamiento químico: cuando se produce un cambio químico en el fluido durante el calentamiento o el enfriamiento que permite que uno de los componentes se deposite en la superficie del tubo. Un ejemplo común de este tipo de suciedad es la incrustación de agua dura, que se produce cuando se calienta agua que contiene cloruro de calcio disuelto. Al calentarse, la solubilidad del cloruro de calcio disminuye y se deposita en las superficies de calentamiento.
  • Ensuciamiento por corrosión: cuando uno de los fluidos de funcionamiento es corrosivo para el material del tubo y provoca la formación de una película de productos de corrosión en las superficies del tubo.
  • Suciedad biológica: agentes biológicos, como algas o crustáceos, están contenidos en el fluido circulante (normalmente agua de refrigeración) y se depositan en las superficies del intercambiador de calor.

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EPDM

El EPDM (etileno propileno dieno monómero) es un elastómero (cf.) utilizado en una amplia gama de juntas y sellos.

Su uso principal es en aplicaciones basadas en agua o vapor y tiene una temperatura máxima de servicio continuo de +140°C. Normalmente no es adecuado para aplicaciones basadas en aceites minerales.

Su temperatura mínima de servicio es de -50°C.

El compuesto normal es negro, por lo que no puede utilizarse en aplicaciones alimentarias o higiénicas, pero existen compuestos blancos aprobados por la FDA, aunque normalmente son más caros y requieren un plazo de entrega más largo que los compuestos negros.

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ESCALA

En las fuentes de agua que contienen sales de dureza, normalmente cloruro de calcio, la sal pierde solubilidad a medida que aumenta la temperatura del agua y tiende a depositarse en las superficies de calefacción en forma de incrustaciones de dureza.

Esta capa se acumulará progresivamente e inhibirá el flujo de calor causando problemas de rendimiento en el intercambiador de calor. Por lo tanto, la cal debe eliminarse periódicamente para que el intercambiador de calor vuelva a funcionar de forma óptima.

Si la incrustación se produce en el lado de los tubos de un intercambiador de calor, puede eliminarse mecánicamente mediante cepillos de alambre o un chorro de agua a alta presión, pero si se produce en las superficies del lado de la carcasa, la eliminación química suele ser más eficaz.

Es aconsejable pedir consejo a una empresa de limpieza especializada antes de intentar el desincrustado, ya que podrán evaluar los agentes incrustantes implicados y recomendar el mejor método de limpieza teniendo en cuenta las condiciones del lugar, los materiales de construcción, etc.

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ESPACIO ENTRE TUBOS

Siguiendo las recomendaciones de la Sección 5 C-2.5 de TEMA, los intercambiadores de calor multitubulares XLG utilizan normalmente una separación entre tubos de entre 1,2 y 1,25 veces el diámetro exterior del tubo. Por razones de rendimiento, a veces se aumenta esta distancia para obtener una mayor área de flujo en el lado de la carcasa y, por tanto, una menor pérdida de presión característica.

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ESTERILIZACIÓN

Véase Pasteurización

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EVAPORACIÓN

Véase Hervir.

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EXAMEN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

El examen por líquidos penetrantes es un método de examen no destructivo (END) utilizado para detectar grietas superficiales en metales.

Metales como el acero al carbono sufren grietas después de la soldadura debido a la contracción de la soldadura si las temperaturas de precalentamiento de la soldadura no son adecuadas o las velocidades de enfriamiento son demasiado rápidas. Por este motivo, las soldaduras de acero al carbono se examinan de forma rutinaria mediante líquidos penetrantes para detectar defectos superficiales y mediante radiografía para detectar defectos internos.

El acero inoxidable no sufre el mismo problema durante la soldadura, por lo que el único uso que hace XLG de los exámenes con líquidos penetrantes es durante la investigación de agrietamiento debido a condiciones de trabajo inadecuadas o agrietamiento por corrosión bajo tensión (cf.) debido a una elección inadecuada de los materiales.

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FACTOR FALTA

En muchas aplicaciones de transferencia de calor, los fluidos de trabajo llevan consigo sustancias que se depositan en las superficies de transferencia de calor o provocan la corrosión de dichas superficies.

Cuando esto ocurre, se añade una resistencia adicional al flujo de calor y el rendimiento del intercambiador (su eficiencia) se verá afectado.

Hay dos maneras de permitir esta acumulación de en las superficies de transferencia de calor y estos son:

  1. Permitir una superficie adicional para compensar la reducción del coeficiente de transferencia de calor debido a la capa adicional de suciedad (o incrustaciones).
  2. Introducir un factor en los cálculos del coeficiente de transferencia de calor para reducir artificialmente el coeficiente.

Este factor adicional (o factores si se ven afectadas ambas corrientes de fluido) se denomina «factor de ensuciamiento» y su valor debe determinarse utilizando la experiencia de aplicaciones similares y un conocimiento de los fluidos de trabajo y su entorno.

TEMA tiene una lista de factores de ensuciamiento recomendados en la sección 10, pero como son para aplicaciones en refinerías, normalmente se consideran demasiado severos para el uso industrial normal. La experiencia es la mejor guía para saber qué valores deben utilizarse.

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FACTORES DE DISEÑO

Hay muchos factores que intervienen en el diseño de intercambiadores de calor adecuados para cualquier aplicación, algunos obvios y otros no tanto.

  • Los requisitos básicos de transferencia de calor, el caudal y las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos.
  • Las características de los fluidos, calor específico, conductividad térmica, etc.
  • Límites de pérdida de presión.
  • Posición de montaje.
  • Limitaciones de espacio.
  • Limitaciones de transporte y descarga.
  • Códigos de diseño internacionales, nacionales o industriales que deben aplicarse.
  • Cuestiones de seguridad.
  • Cuestiones de higiene.
  • Cuestiones medioambientales, terremotos, contaminación atmosférica.

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FATIGA

Se define como el daño estructural progresivo y localizado que se produce cuando un material se somete a cargas cíclicas. Los valores nominales de tensión máxima son inferiores al límite UTS y también pueden ser inferiores al límite de tensión de fluencia del material.

La fatiga se produce cuando un componente se somete a cargas y descargas repetidas y, en el caso de los intercambiadores de calor, puede tratarse de cargas térmicas (calentamiento y enfriamiento) o de cargas de presión (presurización y despresurización).

La fatiga provocará grietas en las zonas de mayor tensión de un componente y la susceptibilidad de un componente se ve afectada por su forma. Siempre que sea posible, deben evitarse las esquinas afiladas y los orificios cuadrados, ya que pueden provocar niveles elevados de tensión debido a los elevadores de tensión (véase la figura 1).

El Código Europeo EN13445 proporciona dos métodos para comprobar el nivel de fatiga en un recipiente a presión, un método simplificado (UNE-EN-13445-3 Sección 17) y una rutina más rigurosa (UNE-EN-13445-3 Sección 18).

Sin embargo, el problema de estos dos métodos es que requieren información detallada sobre los ciclos de trabajo del recipiente, de la que es poco probable que disponga el diseñador del intercambiador de calor en la fase de diseño del contrato. Por lo tanto, es necesario un enfoque más generalizado en aplicaciones en las que el diseñador sospecha que la fatiga puede ser un factor importante durante la vida útil de una unidad.

Las aplicaciones en las que es probable que se produzca fatiga son aquellas en las que la unidad no funciona de forma continua, como los sistemas de calefacción CIP, en los que las unidades deben estar en modo de espera durante periodos y luego se conmutan repentinamente a plena carga, por lo que el diseñador debe tener esto en cuenta en el diseño de la unidad.

Como regla general, el esfuerzo máximo impuesto a cualquier componente del intercambiador de calor debe limitarse al 25% del nivel de esfuerzo máximo admisible. Si se sigue esta regla, aumentando el grosor de las secciones si es necesario y utilizando esquinas adecuadamente redondeadas, etc., se reducirá al mínimo la probabilidad de que se produzca un fallo por fatiga.

No obstante, para tener una certeza absoluta, se debe realizar el análisis recomendado por la norma EN 13445 y solicitar al usuario final la información detallada necesaria para este análisis.

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FLUIDOS TÉRMICOS

En las aplicaciones que requieren una fuente de calentamiento de fluidos a alta temperatura, el diseñador dispone de varias opciones. A menudo se utilizan fuentes de vapor de alta presión y alta temperatura, pero tienen el inconveniente de que los componentes del sistema deben diseñarse para soportar altas presiones a altas temperaturas, lo que a menudo limita los materiales disponibles.

Una alternativa al vapor son los fluidos térmicos, que pueden calentarse a altas temperaturas con calefactores eléctricos o a fuego y funcionar a bajas presiones, lo que simplifica el diseño mecánico. También pueden funcionar a temperaturas muy bajas con una amplia variedad de aceites disponibles, cada uno para un rango de temperatura específico.

La mayoría son fluidos sintéticos mezclados para ofrecer la gama de temperaturas de funcionamiento requeridas con poca o ninguna corrosión o descomposición del producto debido a las altas temperaturas o al encerado debido a las temperaturas muy bajas.

Para obtener información detallada sobre fluidos específicos y sus características de funcionamiento, consulte los sitios web de los principales fabricantes, como: Mobil, Shell, BP, Santos, Exxon.

Normalmente, el diseñador del sistema especificará el tipo y el nombre comercial del fluido que se utilizará, ya que los requisitos del proceso y las instalaciones de calefacción decidirán cuál es el más adecuado.

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FLUJO DE CALOR

El flujo de calor es la cantidad de calor por unidad de superficie que pasa a través de la superficie de transferencia de calor a un líquido en evaporación.

En los procesos que implican evaporación intervienen dos modos importantes.

  • La ebullición en película se produce cuando la cantidad de calor por unidad de superficie (el flujo de calor) es tan elevada que las superficies de evaporación quedan cubiertas por una película de vapor evaporado. La película de vapor inhibe el proceso de evaporación, el llamado «efecto Leidenfrost», lo que da lugar a un intercambiador de calor muy ineficiente.
  • La ebullición nucleada es el proceso más eficaz en el que el vapor se produce en pequeñas burbujas dentro del líquido. Estas burbujas suben a la superficie por donde escapan y forman una nube de vapor sobre el líquido.

El tipo de mecanismo de ebullición que se producirá con un fluido determinado depende no sólo de las características del fluido, sino sobre todo de la diferencia de temperatura entre la pared del tubo y el líquido en contacto con ella. Si la diferencia es demasiado elevada se producirá la ebullición en película y se reducirá el coeficiente global de transferencia de calor.

Para cada fluido habrá una «curva de ebullición» característica de diferencia de temperatura trazada contra el flujo de calor producido y la tarea de los diseñadores del intercambiador de calor es maximizar el flujo de calor pero mantenerlo por debajo del flujo de calor crítico cuando comienza la ebullición de la película.

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FRECUENCIA NATURAL

En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se utilizan tubos de diámetro relativamente pequeño y gran longitud. Debido a ello, los tubos tienen una longitud considerable sin soporte (entre deflectores alternos (cf.) o placas de soporte) y, si están sometidos a fuerzas perturbadoras, a menudo pueden vibrar.

Cada tubo o varilla tiene una Frecuencia Natural inherente (o frecuencia fundamental) que es la frecuencia con la que oscilará una vez que se haya puesto en movimiento si no hay interferencias externas.

Para los tubos con un extremo fijado en la placa tubular y el otro extremo libre (suponiendo que hay un espacio libre entre el tubo y el orificio del tubo en la placa deflectora) la frecuencia natural fundamental se calcula de la siguiente manera – tomada de la Sección 6 de TEMA – todas las dimensiones en unidades imperiales:

fn = 10.838 x [(A * C) / (L2 )) x (((E x I) / w ) ]o0,5

Dónde:

  • fn = la frecuencia natural fundamental
  • A = multiplicador de la tensión del tubo tomado del párrafo V-6.1 de TEMA
  • C = el factor de la tabla V-6.3 de TEMA para un extremo fijo y otro libre
  • L = longitud del tubo sin soporte
  • E = módulo de Young del tubo
  • I = el momento de inercia del tubo [(P/64) x ((od4 )-(id4 ))].
  • wo = peso del tubo por unidad de longitud, incluido el peso del fluido contenido.

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FUELLES

En cualquier intercambiador de calor, una gran diferencia de temperatura entre la temperatura del metal del tubo y la temperatura de la carcasa puede producir una diferencia significativa en la expansión (o contracción) de los tubos y la carcasa del intercambiador de calor.

Esta diferencia en el crecimiento global puede producir niveles de tensión inaceptablemente elevados tanto en los tubos como en la carcasa, a menos que se les permita expandirse o contraerse hasta sus posiciones naturales a las temperaturas de trabajo. Una forma de conseguirlo es utilizar un diseño en el que uno de los extremos del haz de tubos pueda expandirse/contraerse dentro de la carcasa (como los diseños de «placa tubular flotante empaquetada» o «cabezal flotante empaquetado» ilustrados en TEMA o las unidades de las series XLG MD y BD), pero una solución más económica es instalar un fuelle de expansión en la carcasa que permita absorber las diferencias de longitud sin producir tensiones excesivas.

Existen dos tipos de fuelles de expansión (también denominados juntas de dilatación) que se utilizan en aplicaciones de tuberías e intercambiadores de calor: los fuelles de simple convolución de pared gruesa, utilizados en las industrias petroquímicas, y los fuelles multiconvolución de pared delgada, utilizados en otras aplicaciones industriales.

La gama XLG de unidades de placa tubular fija (series XLG B, Multitube, Monotube y Pharmagrade) utiliza fuelles multiconvolución de paredes delgadas totalmente de acero inoxidable para minimizar los niveles de tensión en tubos y carcasa.

La base de diseño utilizada para los fuelles multiconvolución de pared delgada es normalmente el código de la Asociación Americana de Fabricantes de Juntas de Expansión (EJMA), que para los distintos tipos de fuelles y soportes de fuelles proporciona fórmulas para los movimientos axiales y angulares y los niveles de tensión de diseño. La recomendación de la EJMA es que, a menos que el usuario final especifique lo contrario, el diseñador debe asumir que la vida útil mínima de los fuelles (en caso de fallo por fatiga) debe ser de 3500 ciclos.

Si el fuelle se expande/contrae y se presuriza/despresuriza una vez al día, esto representa una vida útil de más de 9½ años, pero en muchas aplicaciones, como los sistemas de calentamiento CIP, los ciclos de temperatura y presión serán mucho más rápidos. Por lo tanto, es muy importante que el patrón de trabajo de los intercambiadores de calor se establezca en la fase inicial de diseño para que se pueda permitir un mayor número de ciclos.

En realidad, los fuelles de pared delgada utilizados en aplicaciones de diámetro relativamente pequeño, baja presión y baja temperatura tienen una vida útil casi infinita, ya que los niveles de tensión en condiciones normales de trabajo son bajos, pero como parte del proceso de diseño mecánico esto debe comprobarse siempre, ya que los grandes movimientos y las altas presiones pueden limitar el número de ciclos.

Como parte del proceso de diseño de fuelles, el diseñador obtendrá el «índice de elasticidad» del fuelle, que es la fuerza necesaria para expandir o comprimir el fuelle. Esta tensión se transmitirá a los tubos y a la carcasa en condiciones de trabajo y debe tenerse en cuenta en el diseño de estos dos componentes, así como de las placas tubulares.

Si el fuelle se compra a un proveedor externo, el índice de elasticidad del fuelle debe obtenerse del proveedor del fuelle. Es importante señalar que las técnicas de fabricación varían y, mientras que algunos proveedores utilizan unas pocas capas de metal bastante grueso (normalmente 1, 2 o 3 láminas de material de 0,8 o 1,0 mm), otros utilizan un mayor número de capas de material mucho más fino (normalmente 4 o 6 capas de material de 0,4 mm), lo que produce un fuelle mucho más flexible.

Por lo tanto, al especificar un conjunto de fuelles, el diseñador no sólo debe indicar al fabricante de fuelles los niveles previstos de movimiento axial y lateral, sino también las presiones y temperaturas de trabajo y de ensayo, para que pueda tener en cuenta todos estos factores.

Es preferible comprar un fuelle a un proveedor externo con una sección corta de tubería que coincida con la tubería de la carcasa soldada al fuelle para poder insertar el fuelle en la carcasa mediante soldaduras a tope que puedan radiografiarse en caso necesario.

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GOLPE DE ARIETE

El golpe de ariete (o, de forma más general, el golpe de ariete de un fluido) es un aumento u onda de presión que se produce cuando un fluido (normalmente un líquido, pero a veces también un gas) en movimiento se ve obligado a detenerse o a cambiar de dirección repentinamente (cambio de momento). El golpe de ariete suele producirse cuando una válvula se cierra repentinamente en un extremo de un sistema de tuberías y se propaga una onda de presión en la tubería. También se llama choque hidráulico.

Esta onda de presión puede causar grandes problemas, desde ruidos y vibraciones hasta el colapso de las tuberías. Es posible reducir los efectos de los pulsos de golpe de ariete con acumuladores y otras prestaciones.

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GRASA

Es una buena práctica utilizar una grasa adecuada para lubricar las roscas de los pernos, ayudar a fijar las juntas a las caras de las bridas, etc.

La mayoría de los tornillos utilizados por XLG son de acero inoxidable y a menudo se utiliza grasa con contenido de cobre para evitar que las roscas se atasquen durante el montaje. Para fijar juntas tóricas o juntas anulares, se suele utilizar vaselina para mantener la junta en su posición.

Sin embargo, hay una aplicación en la que nunca debe utilizarse grasa, y es en cualquier intercambiador de calor en el que se utilice oxígeno como fluido de trabajo. Es muy probable que el oxígeno encienda inmediatamente los hidrocarburos de la grasa, lo que podría provocar una situación muy peligrosa.

Por lo tanto, en TODAS las aplicaciones en las que interviene el oxígeno, todos los componentes deben desengrasarse a fondo antes de la entrega al cliente.

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HERVIR

Existen tres tipos principales de equipos que producen vapor:

  • Recipientes a presión que utilizan un combustible para generar vapor a media o alta presión.
  • Calderas eléctricas de pequeña capacidad que utilizan elementos calefactores industriales estándar dentro de un recipiente presurizado para generar vapor de baja a media presión.
  • Recipientes a presión no calefactados (normalmente llamados generadores de vapor) que utilizan un vapor de condensación, una corriente de gas caliente (por ejemplo, los gases de escape de un motor de combustión interna) o un líquido caliente, como agua caliente sobrecalentada o aceite caliente, para generar vapor a presión media o baja.

Los recipientes de tipo [1] se utilizan normalmente para plantas centrales de elevación de vapor en grandes instalaciones, los de tipo [2] en instalaciones industriales más pequeñas, pero los de tipo [3] pueden utilizarse en una gama muy amplia de aplicaciones. Suelen utilizarse en aplicaciones que implican la recuperación de calor para aumentar la eficiencia de la planta, que requieren cantidades limitadas de vapor industrial de presión media a baja o en aplicaciones que requieren vapor higiénico para instalaciones farmacéuticas o alimentarias.

Existen muchos métodos para estimar los coeficientes de transferencia de calor en aplicaciones de ebullición que dependen del acabado de la superficie de los tubos, la presión y la temperatura de trabajo, la posición de montaje, etc. El diseñador del intercambiador de calor debe utilizar sus conocimientos para decidir qué método es el más adecuado en cada aplicación.

Es importante señalar que en las aplicaciones de ebullición existen varios mecanismos que dependen de los factores anteriores y que tienen un límite superior de aplicabilidad. Si se transfiere al líquido en ebullición demasiado calor por unidad de superficie, lo que se denomina flujo de calor (véase), el mecanismo cambia de ebullición en núcleo a ebullición en película, y la ebullición en película tiene una tasa de transferencia de calor mucho menor, por lo que debe evitarse en la medida de lo posible.

Como la fuerza motriz de la ebullición es la diferencia de temperatura, la limitación del flujo de calor se consigue limitando la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y la temperatura de saturación del líquido en ebullición. Muchos libros de texto contienen gráficos que muestran el flujo de calor frente a la diferencia de temperatura para diversos tipos de tubos y líquidos, y es aconsejable que el diseñador del intercambiador de calor los utilice como guía para evitar pasar al régimen de ebullición en película.

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HIDRÓGENO

Existen diversas aplicaciones que utilizan el hidrógeno como fluido de trabajo.

El hidrógeno tiene un calor específico muy elevado (cf.), por lo que el diseño térmico será especial.

Desde el punto de vista de la seguridad, es importante que el diseñador tenga en cuenta que, dado que la molécula de hidrógeno es muy pequeña, el gas puede filtrarse a través del más mínimo hueco en juntas, fisuras de soldaduras, etc., y que es extremadamente peligroso que esto ocurra, ya que el hidrógeno es extremadamente inflamable y, cuando se enciende, arde con una llama invisible que causará lesiones graves a cualquier persona que se encuentre cerca.

Si se trabaja con hidrógeno como fluido de trabajo, el diseñador DEBE tener en cuenta estos peligros y consultar a proveedores especializados en juntas para que le ayuden en la selección de las mismas, así como asegurarse de que la construcción de la unidad se supervisa estrechamente mediante un examen no destructivo adecuado de las zonas soldadas y la aplicación rigurosa de pruebas de presión y fugas.

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INCLINACIÓN

Los intercambiadores de calor utilizados en algunas aplicaciones de la industria alimentaria o farmacéutica deben ser autodrenantes para permitir la limpieza o el mantenimiento de las unidades con una pérdida mínima de producto.

Esto sólo es posible con intercambiadores de calor de un solo paso y puede lograrse montando la unidad en un ángulo de 2º a 5º con respecto al eje horizontal, siempre que se instalen la entrada y los colectores adecuados. Sin embargo, con varias unidades puede resultar más complicado. Si las unidades se montan en una sola columna, puede conseguirse instalando cabezales excéntricos y montando las unidades de modo que se inclinen en direcciones alternas, pero esto puede dar lugar a un conjunto de intercambiador de calor muy alto.

Hay que tener en cuenta que, si se utilizan tubos ondulados, el drenaje no será del 100% ni siquiera en las unidades inclinadas, ya que una pequeña cantidad de líquido quedará atrapada en las canaletas onduladas incluso con ángulos de inclinación bastante pronunciados. Si el drenaje completo es esencial con tubos corrugados, el intercambiador de calor debe montarse verticalmente.

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ÍNDICE DE BRIDA

Cada norma de bridas que especifica el diámetro de la brida, el espesor, el diámetro, el número y el P.C.D. de los pernos y, si procede, el diámetro de la cara elevada, especifica también las condiciones de presión y temperatura máximas para las que puede utilizarse la brida.

Para que la brida se utilice de forma segura, es esencial consultar las normas sobre bridas para garantizar que se utiliza una brida con la clasificación correcta y que se cumplen las normas de atornillado.

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INSTALACIÓN

La instalación de los intercambiadores de calor suele ser bastante sencilla y consiste en conectar las tuberías a las boquillas. En el manual de instalación y mantenimiento suministrado con el intercambiador de calor se dan instrucciones generales más detalladas, junto con instrucciones más específicas si procede.

La responsabilidad de la instalación suele recaer en una tercera empresa, que debe asegurarse de que las unidades se instalan correctamente teniendo en cuenta las instrucciones facilitadas.

Deben ser conscientes de la posible necesidad de incorporar dispositivos de expansión en las tuberías adyacentes y de dejar un extremo del intercambiador de calor con capacidad para expandirse/contraerse a temperaturas de trabajo. Un intercambiador de calor de 6,0 mm de longitud que utilice vapor saturado seco a 10,0 bar(g) se dilatará aproximadamente 14 mm, lo que debe tenerse en cuenta en el diseño de las tuberías y los soportes, ya que, de lo contrario, podrían producirse tensiones perjudiciales en la carcasa, los tubos y las placas tubulares del intercambiador de calor.

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INTERCAMBIADOR DE CALOR MONOTUBO

Los intercambiadores de calor XLG de las series MD y M que tienen dos tubos concéntricos conectados de forma que el producto (normalmente) fluye por el tubo interior y el fluido de servicio por el espacio anular entre los dos tubos.

Los diseños pueden ser de placa tubular fija o desmontable, según la aplicación.

Una consideración de diseño muy importante en los intercambiadores de calor monotubo es el efecto de la presión de diseño del lado de la carcasa que actúa sobre el exterior del tubo interior. Con tubos de más de 88,9 mm, la capacidad del tubo para soportar la presión externa disminuye rápidamente, por lo que cada caso debe comprobarse según la norma EN13445 (cf.) para garantizar que el tubo interior no se colapse.

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INTERCAMBIADORES DE CALOR DE ESPACIO ANULAR

Los intercambiadores de calor de espacio anular son una evolución de los intercambiadores de calor monotubo que incorporan uno o dos tubos concéntricos adicionales para rodear el producto tratado con el fluido de servicio por ambos lados. Para facilitarlo, normalmente hay una conexión de entrada de producto y una conexión de salida de producto, pero dos conexiones de entrada de fluido de servicio y dos conexiones de salida de fluido de servicio.

El conjunto del tubo interior es normalmente desmontable para permitir su inspección y limpieza, y la presión se sella mediante un conjunto de doble junta tórica con una vía de fuga a la atmósfera para indicar el fallo del sellado.

Las unidades de espacio anular son especialmente útiles para procesar productos muy viscosos -sin partículas- destinados a las industrias alimentarias. En estas aplicaciones, a veces se incluye un conjunto de doble curva para maximizar la capacidad de calentamiento de las unidades.

Una característica muy importante de las unidades de mayor diámetro es la susceptibilidad al colapso de los tubos cuando el tubo o tubos interiores están sometidos a presiones elevadas, por lo que es de vital importancia establecer con precisión las presiones de trabajo y de ensayo y realizar un diseño mecánico detallado para determinar los espesores mínimos necesarios para que todos los tubos soporten las presiones externas sobre los tubos interiores.

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INTERCAMBIADORES DE CALOR MULTITUBULARES

Las unidades de las series XLG BD, D y Pharmaceutical son intercambiadores de calor multitubulares que tienen varios tubos de pequeño diámetro dentro de un tubo más grande que forma la carcasa.

El tamaño interior de los tubos puede variar desde un mínimo normal de 12,0 mm de diámetro exterior hasta un máximo normal de 42 mm de diámetro exterior, pero se pueden fabricar diseños especiales con tubos más grandes o más pequeños en función de la combinación de materiales.

Los diseños pueden ser de placa tubular fija o desmontable, según la aplicación.

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ISO 9001

ISO 9001 es la norma internacional para la gestión de la calidad.

Pretende dar los requisitos esenciales para un Sistema de Gestión de la Calidad centrado en los procesos requeridos por cualquier organización para asegurar la satisfacción de sus clientes y la conformidad de sus productos con la legislación vigente.

El Manual de Calidad de XLG está redactado para satisfacer los requisitos de esta Norma en el contexto del diseño y la fabricación de intercambiadores de calor y recipientes a presión.

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JUNTAS

Se utilizan muchos tipos diferentes de juntas para sellar las conexiones embridadas contra fugas y es importante que el material y el tipo de junta se elijan en función de la aplicación.

Existen dos formas básicas: las juntas anulares, que coinciden con el diámetro interior y exterior de la cara elevada de la brida (si está instalada), y las juntas de cara completa, que coinciden con el diámetro interior y exterior de toda la brida.

Las juntas de cara completa suelen ser más fáciles de colocar, ya que llevan orificios para tornillos que pueden utilizarse para colocar y fijar la junta mientras se fijan las bridas.

Si se utilizan juntas blandas (elastoméricas) de cualquiera de los dos tipos, es aconsejable asegurarse de que las superficies de las juntas de las bridas estén mecanizadas con ranuras concéntricas para que actúen como retención e impidan que la junta se extruya bajo alta presión.

La norma EN 1092-1:2007 proporciona dimensiones para este tipo de preparación de la cara de la brida.

Los materiales de las juntas variarán en función de la aplicación, ya que tienen que ser químicamente resistentes al fluido de trabajo y suficientemente fuertes para soportar la presión y la temperatura de trabajo.

Los tipos típicos de juntas son los siguientes:

  • EPDM u otros materiales elastoméricos (cf.) para aplicaciones de baja presión y baja temperatura.
  • Juntas de fibra sin amianto (como Klingersil C-4430) utilizadas para una amplia gama de aplicaciones de vapor a media presión, aplicaciones de agua potable caliente o fría y aplicaciones de petróleo y otros hidrocarburos.
  • Juntas reforzadas con revestimiento exterior de PTFE para aplicaciones corrosivas.
  • Juntas en espiral que alternan una espiral metálica con un relleno de fibra y anillos de refuerzo interior y exterior utilizados para una amplia gama de aplicaciones industriales y petroquímicas.

La selección de los materiales adecuados para las juntas es crucial para el funcionamiento seguro de los intercambiadores de calor. El material no solo debe ser químicamente resistente a los fluidos que se utilicen, sino que también debe tener la fuerza suficiente a las temperaturas de trabajo para resistir las fuerzas impuestas por el atornillado (resistencia a la compresión) y las presiones de trabajo (resistencia a la tracción).

Dado que la gama de aplicaciones de los intercambiadores de calor es muy amplia, es importante que el diseñador utilice las facilidades que ofrecen los fabricantes de juntas y sellos para seleccionar el material adecuado.

En los siguientes sitios web se pueden obtener algunos datos útiles sobre la selección de materiales:

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LMTD

La LMTD se utiliza en el diseño de intercambiadores de calor y es la diferencia media logarítmica de temperatura entre las dos corrientes de fluido.

Se calcula a partir de:

LMTD = [ ΔTA – ΔTB ] / [ ln (ΔTA /ΔTB ) ]

Dónde:

  • ΔTA = es la diferencia de temperatura en un extremo (A) del intercambiador.
  • ΔTB = es la diferencia de temperatura en el otro extremo (B) del intercambiador de calor.

Para los intercambiadores de calor de un solo paso que funcionan con fluidos monofásicos, la LMTD puede utilizarse directamente en el cálculo de la transferencia de calor de la superficie necesaria, pero si se contempla la construcción de varios pasos, con más de un paso por el lado de los tubos o más de un paso por el lado de la carcasa, debe aplicarse un factor de corrección (F) para obtener la diferencia media de temperatura efectiva (cf.).

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LONGITUD DEL TUBO SIN SOPORTE

TEMA (cf.) contiene recomendaciones para las longitudes máximas de tubos de una gama de diámetros que deben permitirse sin soporte.

Hay dos razones principales para estas recomendaciones:

  • Los tubos se hundirán por su propio peso si la luz no soportada es demasiado larga y pueden chocar entre sí en condiciones de flujo.
  • Los tubos más largos tendrían una frecuencia natural baja (cf.), lo que los haría susceptibles a las vibraciones y a los daños consiguientes.

Todas las recomendaciones de TEMA se basan en tubos de tamaño imperial, pero las longitudes de los tubos métricos pueden obtenerse por interpolación.

Las recomendaciones de TEMA son las siguientes:

  • 6,4 mm de luz máxima sin apoyo: 660 mm
  • 9,5 mm luz máxima sin apoyo: 889 mm
  • 12,7 mm de luz máxima sin apoyo: 1118 mm
  • 15,9 mm luz máxima sin apoyo: 1321 mm
  • 19,05 mm luz máxima sin apoyo: 1524 mm
  • 22,2 mm luz máxima sin apoyo: 1763 mm
  • 25,4 mm luz máxima sin apoyo: 1880 mm
  • 31,8 mm luz máxima sin apoyo: 2235 mm
  • 38,1 mm luz máxima sin apoyo: 2540 mm
  • 50,8 mm de luz máxima sin apoyo: 3175 mm
  • 63,5 mm de luz máxima sin apoyo: 3175 mm
  • 76,2 mm luz máxima sin apoyo: 3175 mm

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LONGITUD ENTRE PLACAS TUBULARES

Cuando se calcula la superficie instalada en un intercambiador de calor, sólo se puede utilizar el área entre las superficies interiores de las placas tubulares, que se calcula utilizando la longitud de los tubos entre las placas tubulares.

Hay que tener en cuenta que es práctica común definir la longitud de los intercambiadores de calor utilizando una longitud «nominal» que no es necesariamente la longitud real del tubo. En el caso de los tubos corrugados, en particular, se produce una contracción del tubo debido al proceso de corrugado y un desperdicio en cada extremo debido a la necesidad de garantizar que el tubo tenga la longitud exacta y los extremos cuadrados, lo que se traduce en un tubo más corto.

Un tubo nominal de 6000 mm, por ejemplo, tendrá una longitud de corte real de 5908 mm y la longitud utilizada para la transferencia de calor será [5908 – (2 x espesor de la placa del tubo)].

Si se instalan placas tubulares dobles con entrehierro de separación, deberá utilizarse la distancia entre las superficies interiores de las placas tubulares más interiores y la superficie se reducirá en consecuencia.

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MARGEN

En el diseño de intercambiadores de calor suele haber muchas incógnitas debido a la incertidumbre sobre los datos precisos de los fluidos, las temperaturas, etc.

Además de las incógnitas, el diseñador nunca puede estar seguro de que el sistema construido funcionará según lo previsto, que las bombas suministrarán los caudales correctos, que otros equipos de proceso funcionarán según lo previsto, etc.

Debido a los parámetros desconocidos y a las variaciones de rendimiento, es normal que el diseñador del intercambiador de calor permita una superficie adicional por encima de la superficie necesaria para el rendimiento del diseño de transferencia de calor.

Se trata del margen de superficie y suele indicarse como porcentaje de la superficie instalada para dar una idea de las variaciones del sistema que puede admitir.

En el caso de las aplicaciones a base de agua, suele ser del 10 al 15% de la superficie instalada y en el caso de las aplicaciones a base de aceite, del 5 al 10% de la superficie instalada, pero esto debe evaluarse de forma individual para todas las aplicaciones.

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MÓDULO DE YOUNG

El módulo de Young, también conocido como módulo de tracción, es una medida de la rigidez de un material elástico y se utiliza para caracterizar materiales. Se define como la relación entre la tensión uniaxial y la deformación uniaxial en el intervalo de tensiones en el que se cumple la Ley de Hooke. En mecánica de sólidos, la pendiente de la curva tensión-deformación en cualquier punto se denomina módulo tangente. El módulo tangente de la parte lineal inicial de una curva tensión-deformación se denomina módulo de Young. Puede determinarse experimentalmente a partir de la pendiente de una curva tensión-deformación creada durante ensayos de tracción realizados sobre una muestra del material. En los materiales anisótropos, el módulo de Young puede tener valores diferentes en función de la dirección de la fuerza aplicada con respecto a la estructura del material.

También se suele denominar módulo elástico o módulo de elasticidad, porque el módulo de Young es el módulo elástico más utilizado, pero también se miden otros módulos elásticos, como el módulo de masa y el módulo de cizallamiento.

Es una propiedad esencial de los materiales utilizados en la construcción de recipientes a presión e intercambiadores de calor y se utiliza en la determinación de los niveles máximos de tensión dentro de una estructura de retención a presión.

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N.T.U.

El método del número de unidades de transferencia (NTU) se utiliza para calcular la velocidad de transferencia de calor en los intercambiadores de calor (especialmente en los de contracorriente) cuando no se dispone de información suficiente para calcular el LMTD (véase).

En el análisis de intercambiadores de calor, si se especifican las temperaturas de entrada y salida del fluido o pueden determinarse mediante un simple balance de energía, puede utilizarse el método LMTD; pero cuando no se dispone de estas temperaturas, se utiliza el método NTU o el método de la eficacia.

Para definir la eficacia de un intercambiador de calor tenemos que encontrar la máxima transferencia de calor posible que hipotéticamente se puede conseguir en un intercambiador de calor de flujo contrario de longitud infinita. Por lo tanto, un fluido experimentará la máxima diferencia de temperatura posible, que es la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada de la corriente caliente y la temperatura de entrada de la corriente fría.

El método consiste en calcular los índices de capacidad calorífica (es decir, el caudal másico multiplicado por el calor específico) y para los fluidos caliente y frío, respectivamente, y denominar al más pequeño. La razón de seleccionar el índice de capacidad calorífica más pequeño es incluir la máxima transferencia de calor posible entre los fluidos de trabajo durante el cálculo.

Una cantidad Q

donde Q es el calor máximo que puede transferirse entre los fluidos. Según la ecuación anterior, para experimentar la máxima transferencia de calor, la capacidad calorífica debe minimizarse, ya que estamos utilizando la máxima diferencia de temperatura posible. Esto justifica el uso de Q en la ecuación.

La eficacia (E) es la relación entre la tasa de transferencia de calor real y la tasa de transferencia de calor máxima posible:

E = Qreal / Qmax

donde Qreal es la transferencia de calor real y Qmax es la máxima transferencia de calor posible.

La efectividad es una cantidad adimensional entre 0 y 1. Si conocemos E para un intercambiador de calor en particular, y conocemos las condiciones de entrada de las dos corrientes de flujo, podemos calcular la cantidad de calor que se transfiere entre los fluidos mediante:

Q = E * Qmax

Para cualquier intercambiador de calor puede demostrarse que:

NTU = U * A

Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor y A es el área de transferencia de calor.

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NEOPRENO

El neopreno es un caucho sintético que se utiliza en una amplia variedad de formas para diferentes aplicaciones.

Tiene una excelente resistencia a la compresión y una baja permeabilidad a los gases, lo que lo convierte en un material útil para juntas tóricas y sellos.

El neopreno puede utilizarse en una gama de temperaturas de -20°C a + 95°C de exposición continua, pero puede soportar hasta 200°C durante breves periodos de tiempo.

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NITRILO

El caucho nitrílico (también conocido como Buna-N o NBR) es un caucho sintético utilizado en una amplia variedad de formas para diferentes aplicaciones.

Tiene una excelente resistencia a los aceites, por lo que es muy útil para juntas tóricas y retenes en aplicaciones de intercambiadores de calor a base de aceite.

El nitrilo puede utilizarse en una gama de temperaturas de -30°C a + 120°C de exposición continua, pero puede soportar hasta 200°C durante breves periodos de tiempo.

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NO CONDENSABLE

En algunas aplicaciones de condensación o que utilizan vapor como medio de calentamiento, a veces es posible que la corriente de vapor esté contaminada por un gas no condensable. En los condensadores de venteo, puede tratarse de aire o de cualquier gas que se utilice para cubrir el líquido del recipiente y, en los condensadores de vapor, normalmente de aire.

Los sistemas de calderas suelen tratarse para reducir al mínimo el contenido de oxígeno del agua de la caldera, pero en los sistemas complejos es frecuente que se produzcan fugas de aire en el sistema a través de fugas en las juntas de válvulas o bombas.

Siempre que haya gas contaminante, los coeficientes de condensación se reducirán y el diseñador del intercambiador de calor deberá tenerlo en cuenta calculando un factor de corrección basado en las cantidades relativas de gas y vapor y las cargas térmicas relativas resultantes.

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NO NEWTONIANO

Un fluido no newtoniano es un fluido cuyas propiedades difieren de alguna manera de las de un fluido newtoniano. Lo más habitual es que los valores de viscosidad de los fluidos no newtonianos dependan de la velocidad de cizallamiento.

En la práctica, esto significa que, cuando se introducen los datos del fluido en las ecuaciones de transferencia de calor para fluidos no newtonianos, deben introducirse tanto la viscosidad como la velocidad de cizallamiento asociada, de modo que el software pueda calcular la viscosidad aparente en función de la velocidad del fluido a través de los tubos del intercambiador de calor.

Si al diseñador del intercambiador de calor se le presenta un fluido no newtoniano, debe obtener (del cliente o a partir de datos estándar) los valores de la viscosidad y las velocidades de cizallamiento asociadas en todo el intervalo de temperaturas de funcionamiento.

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NORMA DE CALIDAD

Define las normas de diseño y/o fabricación que debe cumplir el intercambiador de calor.

Hay dos fuentes para estas normas de calidad:

  • Códigos nacionales o internacionales: su cumplimiento suele ser obligatorio.
  • Normas de calidad definidas por las distintas empresas para definir las normas que exigen para contratos o proyectos específicos; su cumplimiento es una decisión comercial.

Siempre que se incluyan normas de calidad específicas en un pedido o contrato, el equipo debe cumplir las normas definidas.

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OBSTRUCCIÓN

Cuando los fluidos de trabajo de un intercambiador de calor contienen partículas sólidas, siempre existe el peligro de que las partículas se depositen fuera del líquido si la velocidad cae por debajo de una velocidad crítica [la velocidad de sedimentación (cf.)] y provoquen una acumulación de sólidos en las superficies de los tubos.

Si el contenido de sólidos es elevado o si el tamaño de las partículas es significativo en comparación con el diámetro del tubo, existe un peligro adicional: las partículas sólidas pueden bloquear completamente un tubo.

Si el intercambiador de calor es una unidad monotubo con un único paso de fluido, el bloqueo se notará inmediatamente, ya que el flujo del lado de los tubos se reducirá o, en el peor de los casos, se detendrá por completo.

Sin embargo, si la unidad es multitubo, es muy probable que el bloqueo no se note inmediatamente, ya que el fluido del lado del tubo seguirá fluyendo por los tubos que no se han bloqueado. En las aplicaciones industriales, esto será probablemente un inconveniente a corto plazo, aunque más grave a largo plazo, ya que podría causar corrosión.

En las aplicaciones alimentarias, sin embargo, un bloqueo parcial de este tipo es mucho más grave, ya que el bloqueo de uno o dos tubos probablemente no se notaría inmediatamente, pero impediría la limpieza CIP (cf.) y supondría una grave amenaza para la higiene y la seguridad alimentaria, ya que las bacterias podrían crecer en el bloqueo y filtrarse al producto durante el funcionamiento normal.

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ORGANISMO NOTIFICADOR

En virtud de la Directiva europea sobre equipos a presión para recipientes a presión (Directiva 97/23/CE), la seguridad de cada recipiente a presión (incluidos los intercambiadores de calor) debe evaluarse para determinar el riesgo que plantea el recipiente.

En el caso de los recipientes que presentan un alto riesgo para la seguridad, principalmente los de gran volumen o los que manipulan fluidos peligrosos (véanse los datos sobre fluidos), se requiere un alto grado de supervisión del diseño y la fabricación por parte de un organismo de inspección independiente debidamente cualificado.

Los organismos de inspección de la tercera parte son examinados por la Unión Europea para confirmar su experiencia en la realización de este trabajo y los que son aprobados pueden ser designados como organismos notificados en los términos de directivas específicas.

Una vez designados como organismos notificados, pueden llevar a cabo el escrutinio del diseño y la supervisión de la fabricación que exige la Directiva.

Es importante señalar que la Directiva exige que los organismos notificados conozcan a los fabricantes de los equipos y el sistema de gestión de la calidad que aplican, y que actúen en nombre de la Unión Europea para garantizar el pleno cumplimiento de los requisitos de la Directiva.

Por ello, la Directiva europea sobre presión establece claramente que es el fabricante quien tiene la responsabilidad de designar al organismo notificado para que lleve a cabo sus inspecciones, etc. El cliente o usuario final no tiene derecho a designar un Organismo Notificado específico.

Si un cliente desea designar a un organismo de inspección independiente, tiene derecho a hacerlo, corriendo con los gastos, pero dicho organismo de inspección NO PUEDE actuar como organismo notificado a menos que el fabricante esté de acuerdo.

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PARTICULAS

Este término se utiliza normalmente en aplicaciones alimentarias para referirse a trozos sólidos del producto dentro de una corriente líquida. Por ejemplo, en el tratamiento de purés, es bastante común que el puré contenga trozos de la fruta que se ha hecho puré.

Es importante que el diseñador del intercambiador de calor sea consciente de la presencia de partículas, ya que el diámetro interior mínimo de los tubos debe ser (por regla general) al menos tres veces la sección máxima de las partículas para evitar la obstrucción (cf. atasco) de los tubos de transferencia de calor.

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PASIVACIÓN

La pasivación es el proceso de devolver los componentes de acero inoxidable a un estado resistente a la corrosión.

Los procesos de pasivación necesarios durante la fabricación de intercambiadores de calor XLG se limitan normalmente a reparar las zonas afectadas por la soldadura para devolverlas a su estado original y para ello se utiliza un gel ácido combinado de decapado y pasivación.

Una vez que el gel ha estado en contacto con las zonas afectadas por la soldadura durante el tiempo recomendado por los proveedores de pasta, se lava con agua corriente limpia.

Si los componentes de acero inoxidable se han contaminado por la exposición a residuos de acero al carbono, se utiliza un proceso más exhaustivo.

En primer lugar, los componentes se limpian a fondo para eliminar toda contaminación de aceite y grasa y, a continuación, se sumergen completamente en un baño de ácido pasivante. La mezcla exacta de la solución ácida y la fuerza deben discutirse con los metalúrgicos de los proveedores de acero inoxidable, ya que el grado de acero inoxidable de que se trate determinará estos parámetros.

Encontrará una guía útil y más completa sobre el pasivado de componentes de acero inoxidable en:

http://www.mmsonline.com/articles/how-to-passivate-stainless-steel-parts

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PATRONES DE TUBOS

Los patrones de tubos utilizados en los intercambiadores de calor multitubulares XLG también se han tomado de TEMA Sección 5 RCB 2.4, siendo el más utilizado el patrón triangular de 30º que proporciona la mayor densidad de tubos dentro de una configuración determinada.

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PIGGING

En los sistemas que utilizan intercambiadores de calor monotubo para procesar productos de la industria alimentaria, es deseable recuperar la mayor cantidad de producto del sistema antes de realizar cualquier operación de limpieza CIP (cf.).

Con productos de baja viscosidad, como zumos claros y otros líquidos, puede ser tan sencillo como drenar el producto a través de válvulas de descarga adecuadas, pero con productos más viscosos, como purés o miel, drenar el sistema completo llevaría demasiado tiempo para un uso eficiente de la planta.

En el caso de estos productos más viscosos, es habitual utilizar un sistema conocido como «pigging», que consiste en forzar la salida del producto del sistema utilizando agua que fluye por el sistema o «pigs» sólidos, que son formas elastoméricas flexibles diseñadas para adaptarse al diámetro interno de las tuberías y los intercambiadores de calor.

Con el pigging de agua tiene que haber un sistema para desviar el producto antes de que el agua que hay detrás entre en el sistema de procesado. Inevitablemente, esto supone una pérdida de producto, ya que el diseñador del sistema tiene que asumir el peor escenario posible y desperdiciar producto antes que arriesgarse a que el agua contamine el producto.

Con los pigs sólidos, el desperdicio de producto tiende a ser menor, pero los diámetros internos de las tuberías del sistema y del intercambiador de calor deben coincidir exactamente y las curvas deben tener un tamaño que permita el paso del pig. Los pigs son flexibles, pero su capacidad de curvatura es limitada.

Hay que consultar al proveedor de cerdos durante las fases iniciales de diseño para averiguar cuáles son sus diámetros estándar y qué radio de curvatura mínimo están diseñados para atravesar.

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PLACA

De acuerdo con las normas de la Directiva europea sobre equipos a presión 97/23/CE (cf.), en todos los circuitos de fluidos DEBE fijarse de forma permanente una placa de características con el marcado CE y la siguiente información:

  • Presiones máximas admisibles
  • Temperaturas máximas admisibles
  • Volúmenes de fluidos contenidos
  • Categorías de fluidos (según 97/23/CE)
  • Presiones de prueba
  • Nombre y datos de contacto (dirección, teléfono, etc.) del fabricante
  • Designación del modelo
  • Uso previsto (intercambiador de calor o recipiente de contención)
  • Un número de serie único
  • El número de registro del organismo notificado (para buques de categoría II o superior)
  • El año de fabricación
  • La fecha de la inspección
  • Las indemnizaciones por corrosión
  • El marcado CE de conformidad con el anexo VI de la Directiva 97/23/CE

Si el equipo no puede llevar el marcado CE (véase el apartado 3 del artículo 3 de la Directiva 97/23/CE), la placa de características debe llevar todos los datos indicados anteriormente, pero NO puede incluir el marcado CE.

Debe tenerse en cuenta que, según la Directiva europea sobre equipos a presión, es un delito retirar o desfigurar una placa de características fijada a un equipo a presión. Si las condiciones de diseño del equipo se modifican o corrigen por cualquier motivo, deberá hacerse bajo la supervisión del fabricante original.

Si el equipo es de Categoría II o superior, un Organismo Notificado deberá volver a comprobar los diseños/equipos antes de que se produzcan los cambios. Si el equipo ha sido exportado a otro país europeo, el fabricante deberá tomar las medidas necesarias para que un Organismo Notificado autorizado para trabajar en el país de uso supervise los cambios y la sustitución de la placa de características.

También debe tenerse en cuenta que si un intercambiador de calor se construye a partir de varias unidades en serie/paralelo, el equipo debe clasificarse, probarse e inspeccionarse utilizando los volúmenes contenidos de toda la unidad, en cuyo caso puede colocarse una única placa de características.

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PLACAS DE IMPACTO

En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos hay una zona potencialmente problemática directamente debajo de las conexiones de entrada y salida en el lado de la carcasa del intercambiador de calor. Es práctica común adaptar estas conexiones a los tamaños de las tuberías de los diseñadores del sistema, pero esto puede dar lugar a una velocidad del fluido superior a la deseable a través de las conexiones.

Un factor adicional es la naturaleza del fluido que circula por las conexiones. Si se trata de un líquido limpio sin sólidos ni aire arrastrado, no debería haber ningún problema, pero si es posible que el fluido contenga sólidos o gases arrastrados -o en los casos de gases y vapores que contengan gotas de líquido-, una velocidad elevada a través de las conexiones puede causar problemas de erosión de la zona de los tubos situada directamente debajo de las conexiones.

Para evitar que esto dañe los tubos, se instala una placa de impacto en el espacio de la carcasa directamente debajo de las conexiones con el fin de absorber algunos de los efectos dañinos.

Las recomendaciones para dimensionar las placas de impacto y los métodos para evaluar si son necesarias figuran en la sección 5 RCB-4.6 de TEMA y se recomienda estudiar esta sección si se piensa que puede haber un problema con una aplicación específica.

Hay que tener en cuenta que las conexiones laterales de los tubos también pueden -en determinadas circunstancias- provocar erosión en el lado del tubo y en la sección 5 RCB-4.63 de TEMA se dan recomendaciones para su protección.

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PLACAS DE ORIFICIO

Las placas de orificio se utilizan para regular o medir el caudal que pasa por una tubería introduciendo una resistencia fija y conocida en la tubería (el orificio) y midiendo la pérdida de presión a través de ella.

Para flujos de líquido (incompresible) a través de una placa de orificio:

m = r x Q = C x A2 x [ 2 x r x (P1 – P2 ) ]^0,5

Dónde:

  • Q = Caudal volumétrico en m³/s
  • m = Caudal másico en kg/s
  • C = Coeficiente de caudal por orificio – generalmente 0,62 para aproximaciones
  • A1 = Superficie de la sección transversal del tubo en m²
  • A2 = Superficie de la sección transversal del orificio en m²
  • r = Densidad del fluido en kg/m³
  • P1 = Presión aguas arriba en Pa
  • P2 = Presión aguas abajo en Pa

Los fluidos compresibles, como los gases y los vapores, se calculan de forma diferente y debe consultarse la bibliografía estándar para estas ecuaciones, que necesitan los siguientes datos adicionales:

  • R = Constante universal de los gases = 8,3145 J/mol.k
  • K = Relación de los Calores Específicos [ Cp /Cv ]
  • M = Masa molecular del gas o vapor en kg/mol (también denominada peso molecular)
  • T = Temperatura del gas ascendente en grados Kelvin (ºC + 273)
  • P1 = Presión ascendente del gas en Pa
  • P2 = Presión del gas aguas abajo en Pa
  • Z = factor de compresibilidad del gas a T1 y P1

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PLACAS DE SOPORTE

En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, cada diámetro de tubo tiene una longitud de tubo sin soporte recomendada (véase). Para lograr un diseño económico, a veces es necesario utilizar longitudes de tubo que superan estas longitudes máximas recomendadas, por lo que los tubos deben apoyarse en longitudes intermedias para minimizar la posibilidad de que la vibración del tubo provoque fallos.

El soporte necesario se suele proporcionar mediante placas de soporte que son esencialmente placas deflectoras con un gran recorte (normalmente un máximo del 45% del diámetro del deflector) montadas a intervalos a lo largo de la longitud del haz de tubos.

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PLACAS TUBULARES

Las placas tubulares desempeñan varias funciones diferentes dentro de un intercambiador de calor y los detalles específicos del diseño de cada una de ellas vendrán determinados por la función que tenga que desempeñar.

En las unidades XLG multitubo de la serie B, las placas tubulares se extienden para formar la interconexión con las tuberías del lado del tubo y, como tales, no sólo deben estar dimensionadas para soportar las presiones de trabajo del lado del tubo y del lado de la carcasa, sino que también deben cumplir la norma de bridas elegida.

Cuando la interconexión del lado del tubo no esté incorporada en la placa tubular, el espesor se determinará a partir de los cálculos de diseño mecánico utilizando las presiones de diseño del lado del tubo y del lado de la carcasa y (cuando proceda) la presión adicional causada por la dilatación diferencial entre los tubos y la carcasa.

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PORCENTAJE DE SÓLIDOS DISUELTOS

El total de sólidos disueltos (a menudo abreviado TDS) es una medida del contenido combinado de todas las sustancias inorgánicas y orgánicas contenidas en un líquido en forma molecular, ionizada o microgranular (solución coloidal) en suspensión.

En general, la definición operativa es que los sólidos deben ser lo suficientemente pequeños como para sobrevivir a la filtración a través de un tamiz del tamaño de dos micras. Normalmente, los sólidos disueltos totales sólo se analizan en sistemas de agua dulce, ya que la salinidad comprende algunos de los iones que constituyen la definición de SDT.

Aunque el TDS no se considera generalmente un contaminante primario (por ejemplo, no se considera que esté asociado a efectos sobre la salud), se utiliza como indicación de las características estéticas del agua potable y como indicador agregado de la presencia de una amplia gama de contaminantes químicos.

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PORCENTAJE DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

El total de sólidos en suspensión es una medida de calidad del agua que suele abreviarse como SST. Está catalogado como contaminante convencional y en su día se denominó residuo no filtrable (NFR), término que hace referencia al peso en seco de las partículas atrapadas por un filtro, normalmente de un tamaño de poro determinado.

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PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Normalmente se considera que la presión atmosférica «estándar» es de 1013 mBar a nivel del mar.

Si el equipo trabaja a una altitud considerable, la densidad del aire debe corregirse para tener en cuenta la presión reducida, ya que esto reducirá el caudal másico para un caudal volumétrico determinado. Esto es especialmente importante en los intercambiadores de calor que utilizan aire a presión atmosférica como medio de refrigeración, como los radiadores de chorro de aire y las torres de refrigeración evaporativa, pero también afecta al volumen absorbido por los compresores de aire.

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PRESIÓN DE DISEÑO

Según las normas de la Directiva sobre equipos a presión (cf.), los intercambiadores de calor se definen como recipientes a presión y, por lo tanto, deben diseñarse para soportar la presión previsible más alta a la que estará sometido el equipo. En el caso de los condensadores de vapor, normalmente será el ajuste de la válvula de descarga + 10% de presión positiva, pero también el vacío total (cf.) en el supuesto de que en algún momento de su vida útil las válvulas de aislamiento se cerrarán con el intercambiador de calor lleno de vapor que se condensará para producir condiciones de vacío.

Es el diseñador del sistema quien debe especificar la presión máxima que se utilizará, ya que dependerá de las capacidades de su bomba, de los ajustes de la válvula de alivio y de las pérdidas del sistema, pero el diseñador del intercambiador de calor tiene la responsabilidad legal, en virtud de la Directiva sobre recipientes a presión, de asegurarse de que el equipo está correctamente diseñado y es seguro de utilizar.

Por lo tanto, la regla debe ser siempre: Si el usuario final no indica la presión máxima de trabajo en su solicitud, DEBE PREGUNTAR SIEMPRE CUÁL SERÁ.

Tenga en cuenta que, en las unidades o condensadores calentados por vapor, el suministro de vapor a los intercambiadores de calor suele reducirse a partir de la presión de la caldera con una válvula reductora de presión automática (véase) y, en caso de fallo de la válvula, la presión de vapor más alta puede llegar al intercambiador de calor. Esta presión más alta debe utilizarse como presión de diseño a menos que se instale un dispositivo de alivio de presión para limitar la presión a un valor inferior.

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PRESIÓN DE FUNCIONAMIENTO

Según las normas de la Directiva europea sobre equipos a presión (véase), el diseñador del recipiente a presión o del intercambiador de calor debe establecer, en la medida de sus posibilidades, la presión máxima de funcionamiento del equipo.

Como esto dependerá de muchos factores que escapan a su control directo, es esencial que el usuario final o el diseñador del sistema facilite esta información de forma clara e inequívoca. De lo contrario, podría resultar peligroso utilizar el equipo.

Si este valor no está claramente definido, el diseñador del intercambiador de calor deberá indicar de forma clara e inequívoca qué valores ha utilizado para elaborar su diseño.

Las presiones máximas de funcionamiento también deben estar claramente marcadas en la placa de características del intercambiador de calor para que el usuario del equipo sepa cuáles son los límites de presión.

La presión máxima de funcionamiento se calculará normalmente a partir de la presión de elevación de una válvula de seguridad o de la presión de ruptura de un disco de ruptura +10%, que representa la acumulación (cf.) de presión a través de la válvula o disco cuando ha funcionado.

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PRESIÓN DE PRUEBA

Para comprobar la resistencia y la estanqueidad de los intercambiadores de calor (y de la mayoría de recipientes a presión), lo normal es presurizar la unidad a una presión superior a la presión de diseño (véase).

Los códigos de diseño mecánico describen el método que debe utilizarse para calcular cuál debe ser la presión de ensayo y, por lo general, tienen en cuenta las resistencias relativas de los materiales a temperatura atmosférica y a temperatura de diseño para someter el material a un ensayo realista.

El código de diseño europeo EN13445-5 define la presión de prueba como:

  • No menos que el más alto de los dos:

[1] Pt = 1,25 x Ps x (f /f )at

o

[2] Pt = 1,43 x Ps

donde

  • Ps = Presión de trabajo máxima admisible
  • Pt = Presión de ensayo a aplicar
  • fa = tensión nominal admisible para el componente más débil a la temperatura de ensayo
  • ft = tensión nominal admisible a la temperatura máxima de servicio admisible

Lo normal es aplicar las presiones de prueba de forma independiente (con el otro circuito de fluido vacío y despresurizado) durante un tiempo de 30 minutos o durante el tiempo exigido por cualquier Inspección de Terceros (cf.) responsable de la inspección final en el intercambiador de calor.

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PRESIÓN MÁXIMA ADMISIBLE

Según las normas de la Directiva europea sobre equipos a presión, ésta es la presión de diseño del equipo y representa la presión más alta que el usuario final puede aplicar al equipo.

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PRUEBAS DE FÁBRICA

Las pruebas en fábrica se limitan normalmente a la presurización de ambos circuitos de fluido (independientemente) a las presiones de prueba (cf.) requeridas por el código de diseño mecánico utilizando agua de red limpia y fresca, pero a veces se requieren otras pruebas para demostrar la calidad de la soldadura o la estanqueidad.

La comprobación de la calidad interna de las soldaduras de acero inoxidable se realiza normalmente mediante técnicas de rayos X (radiografía), aunque también pueden utilizarse técnicas ultrasónicas. Ambos métodos examinan la estructura interna de las soldaduras para averiguar si existen fallos, tal como se definen en los Códigos de Soldadura (cf.). Si se lleva a cabo alguna de estas pruebas, los códigos de diseño permiten utilizar un mayor nivel de tensión de diseño en las fórmulas de diseño, lo que puede dar lugar a que se requieran secciones de material más delgadas.

La prueba mínima para cualquiera de los dos métodos es el 10% de la longitud total de la soldadura, pero para aplicaciones críticas puede ser necesario el 100%. Se trata de pruebas que deben subcontratarse a una organización de pruebas especializada, ya que requieren conocimientos técnicos demostrados y personal cualificado.

Si se va a realizar una radiografía, debe suspenderse el trabajo normal en la fábrica durante las pruebas por motivos de seguridad, ya que se utilizan materiales radiactivos.

A veces se lleva a cabo una prueba de estanqueidad para garantizar que el intercambiador de calor no tendrá fugas por soldaduras o juntas dilatadas con rodillos, lo que implica llenar el circuito de fluido con un gas halógeno a baja presión y utilizar un «olfateador» electrónico para comprobar si hay fugas. Los gases halógenos se utilizan porque tienen la capacidad de filtrarse a través de las grietas más pequeñas y se detectan fácilmente mediante técnicas electrónicas. Se trata de una prueba que es mejor subcontratar a una organización de pruebas especializada, ya que requiere experiencia demostrada y personal cualificado. Para esta prueba se requiere un lugar de trabajo bien ventilado, ya que los detectores electrónicos son muy sensibles y un entorno herméticamente cerrado puede provocar una acumulación de gas halógeno y lecturas positivas falsas.

A veces, el cliente también puede solicitar que se realicen pruebas de rendimiento térmico, pero normalmente se trata de una operación muy costosa, ya que requiere muchas tuberías, bombeo de fluidos, una fuente de calor, fuentes de refrigeración, instrumentación, etc., por lo que, si es posible, una prueba «in situ» en el lugar de destino del intercambiador de calor será una solución mejor y más económica.

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PUNTO BURBUJA

Al calentar un líquido formado por dos o más componentes, el punto de burbuja es el punto en el que se forma la primera burbuja de vapor. Dado que el vapor probablemente tendrá una composición diferente a la del líquido, el punto de burbuja (junto con el punto de rocío) a diferentes composiciones son datos esenciales a la hora de diseñar sistemas de destilación.

Para los líquidos monocomponentes, el punto de burbuja y el punto de rocío son el mismo y se denominan comúnmente punto de ebullición del líquido.

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PUNTO DE ROCÍO

El punto de rocío de un vapor es la temperatura a la que el vapor se condensa. En el caso de un vapor monocomponente, se trata de la temperatura de condensación, pero en las mezclas multicomponente es la temperatura a la que empieza a condensarse el primer componente.

Es importante tener en cuenta con los fluidos de condensación multicomponente que a medida que los componentes individuales alcanzan su punto de rocío (a la presión parcial del componente) la composición del vapor y las presiones parciales individuales cambiarán y habrá un rango de temperaturas para el proceso de condensación.

Para los diseñadores de intercambiadores de calor esto es importante, ya que la diferencia de temperatura cambiará durante el proceso y el diseño debe tener en cuenta este cambio.

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PUNTOS DE TOMA DE TIERRA

Cuando un líquido o gas fluye a través de un intercambiador de calor es posible que se acumule electricidad estática en las superficies de la unidad y, a menos que éstas estén conectadas a tierra de forma segura, puede resultar desagradable para un operario que toque la superficie y, lo que es más importante, pueden ser peligrosas si hay sustancias inflamables o explosivas en la zona de trabajo.

En las aplicaciones en las que existen estos riesgos, es práctica común fijar un «saliente de puesta a tierra» a un punto conveniente del intercambiador de calor, normalmente un soporte soldado.

La toma de tierra consiste en un casquillo roscado hembra soldado a la estructura en el que se atornilla y fija una varilla de latón o cobre. En la obra, se fijará un cable de puesta a tierra a esta varilla atornillada y se conectará a una barra de puesta a tierra para llevar la electricidad estática a tierra.

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RANURAS EN LOS ORIFICIOS DE LOS TUBOS

Cuando los tubos se enrollan en placas tubulares (para mayor seguridad, para unidades farmacéuticas con placas tubulares dobles o cuando los materiales del tubo y de la placa tubular no pueden soldarse entre sí) es aconsejable anclar los tubos en las placas tubulares mediante ranuras poco profundas mecanizadas en la placa tubular.

La sección 5-7.24 de TEMA proporciona detalles sobre las ranuras, pero en términos generales, si el grosor de la placa tubular es superior a 25,4 mm, TEMA exige dos ranuras. Para placas tubulares iguales o inferiores a 25,4 mm se permite una sola ranura.

Cada ranura debe tener una profundidad de 0,4 mm y una anchura de 3,2 mm.

Se ha demostrado mediante pruebas que una junta expandida de rodillo de tubo a placa tubular con ranuras requiere una fuerza significativamente mayor para sacar el tubo de la placa tubular que una junta sin ranuras, por lo que en aplicaciones en las que hay una expansión diferencial significativa que resulta en una carga final de tubo alta, el diseño será más seguro.

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RANURAS PARA ORIFICIOS DE TUBOS

Cuando los tubos se enrollan en placas tubulares (para mayor seguridad, para unidades farmacéuticas con placas tubulares dobles o cuando los materiales del tubo y de la placa tubular no pueden soldarse entre sí) es aconsejable anclar los tubos en las placas tubulares mediante ranuras poco profundas mecanizadas en la placa tubular.

La sección 5-7.24 de TEMA proporciona detalles sobre la ranura, pero en términos generales, si el espesor de la placa tubular es igual o superior a 25,4 mm, se requieren dos ranuras. Para placas tubulares iguales o inferiores a 25,4 mm se permite una sola ranura.

Cada una de las ranuras debe tener una profundidad de 0,4 mm y una anchura de 3,2 mm.

Se ha demostrado mediante pruebas que una junta expandida de rodillo de tubo a placa tubular con ranuras requiere una fuerza significativamente mayor para extraer el tubo de la placa tubular que una junta sin ranuras.

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RAYOS X

Los rayos X se utilizan para visualizar un material, como el material de construcción de un intercambiador de calor, con el fin de comprobar la presencia de discontinuidades en las zonas soldadas, así como en el material base. Utilizando las propiedades físicas del rayo se puede desarrollar una imagen que muestre zonas de diferente densidad y composición.

Un generador de rayos X produce un haz heterogéneo de rayos X que se proyecta hacia la zona examinada. En función de la densidad y la composición de las distintas zonas del objeto, éste absorbe una parte de los rayos X. Los rayos X que lo atraviesan son captados detrás del objeto por un detector (película sensible a los rayos X o detector digital) que ofrece una representación 2D de todas las estructuras superpuestas.

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REBOILERS

Los reboilers son intercambiadores de calor utilizados normalmente para proporcionar calor a la parte inferior de las columnas de destilación industrial. Hierven el líquido del fondo de una columna de destilación para generar vapores que se devuelven a la columna para impulsar la separación de la destilación.

El funcionamiento correcto del reboiler es vital para una destilación eficaz. En una columna de destilación clásica típica, todo el vapor que impulsa la separación procede del reboiler. El reboiler recibe una corriente líquida del fondo de la columna y puede vaporizar parcial o totalmente esa corriente. El vapor suele proporcionar el calor necesario para la vaporización.

El elemento más crítico del diseño de un recalentador es la selección del tipo de recalentador adecuado para un servicio específico. La mayoría de los reboilers son del tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos, y normalmente utilizan vapor como fuente de calor. Sin embargo, pueden utilizarse otros fluidos caloportadores, como aceite caliente o Dowtherm (TM).

Los reboilers de tipo intercambiador de calor más utilizados son:

  • Calderas
  • Calderas termosifón

No requieren el bombeo del líquido al calderín, sino que la circulación natural se obtiene utilizando la diferencia de densidad entre el líquido del fondo de la columna de entrada al calderín y la mezcla de líquido y vapor de salida del calderín para proporcionar una altura de líquido suficiente para introducir el líquido en el calderín. Los reboilers de termosifón (también conocidos como calandrias) son más complejos que los de caldera y requieren más atención por parte de los operarios de la planta.

Existen muchos tipos de calderas termosifón. Pueden ser verticales u horizontales y también pueden ser de un solo paso o de recirculación. Algunos fluidos pueden ser sensibles a la temperatura y, por ejemplo, estar sujetos a polimerización por contacto con las paredes de los tubos de transferencia de calor a alta temperatura. En tales casos, es mejor tener una alta tasa de recirculación de líquido para evitar tener altas temperaturas en las paredes de los tubos que causarían polimerización y, por lo tanto, ensuciamiento de los tubos.

La volatilidad relativa de la alimentación al reboiler debe tenerse en cuenta antes de diseñar los reboilers de termosifón. La velocidad de recirculación y el perfil de presión del bucle de termosifón deben calcularse equilibrando la presión motriz con las pérdidas de presión del sistema.

Reboiler de circulación forzada: Este tipo de caldera utiliza una bomba para hacer circular el líquido a través de la caldera.

Cabe señalar que el vapor no es la única fuente de calor que puede utilizarse. Cualquier corriente de fluido a una temperatura lo suficientemente alta puede utilizarse en cualquiera de los muchos tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

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REDUCTORES CONCÉNTRICOS

Cuando las tuberías de entrada y salida del lado de los tubos de un intercambiador de calor difieren en tamaño del diámetro de la carcasa, debe hacerse una transición de una a otra. El proveedor de las tuberías puede encargarse de ello, pero a menudo se utiliza un cabezal en cada extremo con conexiones que coinciden con las tuberías adyacentes y que se atornillan o sueldan al intercambiador de calor para formar las conexiones del lado de los tubos.

Un método alternativo para los intercambiadores de calor de un solo paso, cuando el cambio de diámetro es modesto, consiste en utilizar un reductor cónico que lleve en un extremo una conexión que coincida con la tubería adyacente y en el otro una conexión que coincida con el intercambiador de calor.

En un reductor concéntrico, estas dos conexiones de distinto tamaño se encuentran en la misma línea central, de modo que las tuberías adyacentes están alineadas con la línea central del intercambiador de calor.

Es importante tener en cuenta que, cuando se montan horizontalmente, los intercambiadores de calor equipados con reductores concéntricos no pueden autodrenarse por el lado de los tubos.

Otro punto importante a tener en cuenta es que si el diámetro de la tubería especificado por el diseñador del sistema da lugar a una alta velocidad a través de la tubería puede haber un efecto de chorro a través del cabezal cónico que puede dar lugar a velocidades diferenciales a través de los tubos del intercambiador de calor.

  • Diferentes velocidades de transferencia de calor a través del haz de tubos
  • Diferentes temperaturas de la pared del tubo a lo largo del haz de tubos
  • Diferentes índices de expansión del tubo a lo largo del haz de tubos
  • Diferentes niveles de tensión en el haz de tubos

El más importante de ellos es, probablemente, los diferentes niveles de tensión provocados por los tres factores anteriores, ya que pueden causar distorsiones en la placa tubular que provoquen grietas en las soldaduras de los extremos de los tubos.

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REDUCTORES EXCÉNTRICOS

Similar al reductor concéntrico (véase), pero con los ejes de las dos conexiones desplazados entre sí.

Es importante señalar que cuando se monta horizontalmente con los lados paralelos al eje de la línea central del intercambiador de calor en las posiciones correctas, el intercambiador de calor se puede hacer en gran medida auto-drenaje y auto-ventilación.

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REFRIGERACIÓN FLASH

También conocida como refrigeración por vacío, la refrigeración flash es una técnica que combina la refrigeración líquida con un proceso de concentración.

Al introducir un líquido caliente a presión en una cámara sometida a menor presión o vacío, se emite vapor hasta que el líquido alcanza el equilibrio térmico. Esto provoca una reducción instantánea de la temperatura en el líquido, y la concentración de sólidos secos aumenta.

El líquido concentrado se descarga mediante bombeo.

En función de la temperatura inicial, la presión o el nivel de vacío mantenidos dentro del recipiente, la temperatura final y las propiedades del líquido, la concentración puede aumentarse entre un 1% y un 10% de sólidos secos, y la temperatura puede reducirse hacia 0°C.

La selección de la temperatura final puede hacerse independientemente del proceso, pero cuanto más se enfríe mayor será el aumento de la concentración.

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REGLAS

En las industrias alimentaria y farmacéutica, la limpieza y la higiene son de vital importancia y es normal que los intercambiadores de calor se limpien e inspeccionen rutinariamente. Para facilitar el desmontaje y la reconexión, en estos sectores es habitual utilizar casquillos higiénicos sellados por una junta elastomérica, cuya presión de sellado se ejerce mediante una abrazadera en forma de cuña sobre los casquillos.

Existen varias normas comerciales, algunas aprobadas por TÜV y ASME, y el diseñador debe elegir el estilo y el tipo adecuados para la aplicación y las presiones y temperaturas de trabajo especificadas para el equipo.

Fabricantes como Stahlcon (Alemania) o Advanced Couplings (Reino Unido) disponen de una amplia gama de casquillos homologados. Alfa Laval también suministra casquillos (marca comercial «Tri-Clover»), pero deben evitarse en la medida de lo posible, ya que suelen ser más caros que los de otros proveedores.

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SELLO ‘U’

Véase ASME VIII División 1

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SHELL

Es el término utilizado normalmente para describir la envoltura de presión que rodea el tubo o tubos interiores de un intercambiador de calor de carcasa y tubos.

XLG utiliza una gran variedad de diámetros de tubo, normalmente basados en la norma DIN o en la norma ASTM. El acabado superficial es mate para aplicaciones industriales y pulido (acabado espejo) para aplicaciones alimentarias o farmacéuticas.

En los diseños de intercambiadores de calor de carcasa y tubos con placas tubulares fijas se suele instalar un fuelle de expansión (véase) para absorber la dilatación diferencial entre la carcasa y el tubo o tubos interiores.

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SILICONA

La silicona es un elastómero que se utiliza en una amplia gama de juntas y empaquetaduras.

Se utiliza principalmente en aplicaciones alimentarias y puede suministrarse con la certificación de aprobación de la FDA. Tiene una temperatura máxima de servicio continuo de +200 °C y es adecuado para la mayoría de las aplicaciones basadas en aceite.

Su temperatura mínima de servicio es de -40°C.

No es adecuado para aplicaciones que requieran una gran resistencia a la tracción, al desgarro o a la abrasión.

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SISTEMA DE GESTIÓN DE LA CALIDAD

Para fabricar intercambiadores de calor que funcionen a presión, el fabricante debe disponer de un Sistema de Gestión de la Calidad documentado.

ISO 9001 es la Norma Internacional de Sistemas de Gestión de la Calidad y establece en términos muy generales los procedimientos que deben seguir los fabricantes.

El Manual de Calidad de XLG define el sistema utilizado para garantizar el cumplimiento de esta norma y también de los requisitos legales de la Directiva de Equipos a Presión (cf.) y demás legislación vigente.

El Manual de Calidad define:

  • Cómo se asegura XLG de que los requisitos del cliente se documentan y cumplen correctamente
  • Cómo garantiza XLG que los procesos de diseño se llevan a cabo de forma controlada y documentada en todas las fases
  • Cómo garantiza XLG que los procesos de fabricación se llevan a cabo de acuerdo con sus requisitos documentados
  • Cómo garantiza XLG que los equipos se prueban correctamente y que estas pruebas se documentan correctamente
  • Cómo garantiza XLG una protección adecuada para el transporte e información para la instalación del equipo
  • Cómo mantiene XLG los registros apropiados para poder prestar un servicio postventa adecuado

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SISTEMAS DE SELLADO

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos utilizan diversos sistemas de sellado para lograr la estanqueidad a la presión.

En las unidades XLG MD, de triple tubo y BD, una serie de juntas tóricas dobles forman el sistema de sellado para mantener la solidez de la presión de los circuitos de fluido de producto y/o servicio.

Las aplicaciones relacionadas con la alimentación suelen utilizar casquillos y abrazaderas con juntas higiénicas.

Las aplicaciones industriales utilizan una variedad de juntas tóricas, de sección cuadrada o planas en función del estilo de intercambiador de calor que se utilice y de los requisitos de servicio de presión, temperatura y fluidos en contacto.

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TAMAÑOS DE TUBO

Los tamaños de los tubos varían según el fabricante y la aplicación. A la hora de decidir qué tamaño de tubo es el más adecuado en aplicaciones específicas, los factores que deben tenerse en cuenta son los siguientes:

  • Material que debe utilizarse para maximizar la resistencia a la corrosión y la conductividad térmica.
  • Presencia de partículas: el diámetro interno del tubo debe ser al menos 3 veces superior a la sección máxima de partículas.
  • Requisitos de limpieza – si se va a utilizar un sistema de pigging para limpiar el producto del tubo o tubos, habrá un diámetro interior mínimo especificado por el diseñador del sistema.
  • Tipo de intercambiador de calor: monotubo, multitud, triple tubo, etc.
  • Disponibilidad de tallas para el material elegido.

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TEMA

TEMA es el nombre abreviado de las «Normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares», con sede en Nueva York (EE.UU.), que se publican en forma de libro para ayudar a usuarios, ingenieros y diseñadores a especificar e instalar intercambiadores de calor.

Las normas se dirigen esencialmente a la industria petroquímica, la industria química y la industria pesada de ingeniería de procesos en general, y describen lo que se consideran las mejores prácticas para fabricar intercambiadores de calor seguros y fiables.

Aunque muchos de los ejemplos de diseño se basan en unidades de gran diámetro, contiene algunos datos de referencia útiles que pueden aplicarse a unidades más pequeñas (cf. Frecuencia natural) y recomendaciones que pueden aplicarse a muchas unidades diferentes.

Si se hace referencia a TEMA, el usuario debe tener en cuenta que se basa totalmente en normas americanas y que todas las dimensiones se basan en unidades imperiales.

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TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO

El aire atmosférico contiene normalmente una pequeña cantidad de humedad.

La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar sólo por evaporación del agua. Es la temperatura que se siente cuando la piel está mojada y se expone al aire en movimiento. A diferencia de la temperatura de bulbo seco (véase), la temperatura de bulbo húmedo indica la cantidad de humedad que hay en el aire.

La temperatura de bulbo húmedo puede tener varios significados técnicos:

  • Temperatura termodinámica de bulbo húmedo: temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación a presión constante por evaporación de agua en él, aportando todo el calor latente el volumen de aire.
  • La temperatura leída en un termómetro de bulbo húmedo
  • Temperatura adiabática de bulbo húmedo: temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación y luego se comprimiera adiabáticamente hasta la presión original en un proceso húmedo-adiabático.

Para el diseñador de transferencia de calor es importante conocer la temperatura de bulbo húmedo cuando se utiliza una torre de refrigeración evaporativa como fuente de agua de refrigeración, ya que estas torres utilizan la temperatura de bulbo húmedo como referencia para determinar el tamaño de torre necesario y las pérdidas previstas por evaporación de agua que habrá que reponer.

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TEMPERATURA DE BULBO SECO

La temperatura de bulbo seco es la temperatura que se suele considerar como temperatura del aire, y es la verdadera temperatura termodinámica.

Es la temperatura medida por un termómetro normal expuesto a la corriente de aire.

A diferencia de la temperatura de bulbo húmedo (cf.), la temperatura de bulbo seco no indica la cantidad de humedad del aire.

Al dimensionar los radiadores de chorro de aire, normalmente se utiliza la temperatura de bulbo seco para determinar la superficie necesaria.

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TEMPERATURA DE DISEÑO

Según las normas de la Directiva sobre equipos a presión (cf.), los intercambiadores de calor se definen como recipientes a presión y, por tanto, deben diseñarse para soportar la temperatura más alta previsible a la que estará sometido el equipo.

Es el diseñador del sistema quien debe especificar cuál debe ser esta temperatura, pero normalmente es seguro asumir que la temperatura máxima especificada para las condiciones de diseño térmico serán las condiciones máximas de diseño.

Tenga en cuenta que, en el caso de unidades o condensadores calentados por vapor, esta suposición puede no ser siempre segura, ya que el suministro de vapor a los intercambiadores de calor suele reducirse a partir de la presión de la caldera con una válvula reductora de presión (véase) y, en caso de fallo de la válvula, la temperatura más alta del vapor puede llegar al intercambiador de calor.

El diseñador del intercambiador de calor tiene la responsabilidad legal, en virtud de la Directiva europea de equipos a presión 97/23/CE, de asegurarse de que el equipo se diseñe con los valores correctos tanto de presión máxima como de temperatura máxima, por lo que, si no se indican claramente, debe preguntar siempre.

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TEMPERATURA DE LA PARED DEL TUBO

En un gran número de aplicaciones es conveniente conocer la temperatura del metal en contacto con los fluidos para asegurarse de que no se congelarán o quemarán en la superficie o sufrirán un cambio de estado.

La temperatura de la pared del tubo en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos puede calcularse del siguiente modo.

[1] Si el fluido caliente está en el lado del tubo:

tw = tc – [( ho / [ hi + ho ]) x [ Tc – tc ]]

Dónde:

  • tw = temperatura de la pared del tubo
  • tc = temperatura del fluido frío
  • ho = coeficiente parcial de transferencia de calor del lado de la envoltura
  • hi = coeficiente de transferencia parcial de calor del lado del tubo referido a la superficie exterior
  • Tc = temperatura del fluido caliente

[2] Si el fluido caliente está en el lado de la coraza:

tw = tc + [( ho / [ hi + ho ]) x [ Tc – tc ]]

Dónde:

  • tw = temperatura de la pared del tubo
  • tc = temperatura del fluido frío
  • ho = coeficiente parcial de transferencia de calor del lado de la envoltura
  • hi = coeficiente de transferencia parcial de calor del lado del tubo referido a la superficie exterior
  • Tc = temperatura del fluido caliente

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TEMPERATURA MÁXIMA ADMISIBLE

Según las normas de la Directiva europea sobre equipos a presión, ésta es la temperatura de diseño del equipo y representa la temperatura más alta que el usuario final puede aplicar al equipo.

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TENSIÓN SUPERFICIAL

La tensión superficial es una propiedad de la superficie de un líquido que le permite resistir una fuerza externa. Se manifiesta, por ejemplo, en la flotación de algunos objetos en la superficie del agua, aunque sean más densos que ésta, y en la capacidad de algunos insectos para correr sobre la superficie del agua. Esta propiedad se debe a la cohesión de moléculas similares y es responsable de muchos de los comportamientos de los líquidos.

Es importante para el diseñador de transferencia de calor, ya que es un factor utilizado en el cálculo de los coeficientes de ebullición en evaporadores y reboilers.

Los datos sobre los valores de tensión superficial pueden obtenerse de la bibliografía estándar, siendo una fuente útil la siguiente:

http://webbook.nist.gov/chemistry/

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TERMOSÍFON

Un termosifón es un método de intercambio térmico pasivo basado en la convección natural, que hace circular el líquido sin necesidad de una bomba mecánica. Esta circulación puede ser en bucle abierto, como cuando el líquido de un tanque de retención pasa en una dirección a través de un tubo de transferencia calentado montado en el fondo del tanque hasta un punto de distribución, o puede ser un circuito vertical en bucle cerrado con retorno al recipiente original. Su finalidad es simplificar el bombeo de líquido y/o la transferencia de calor, evitando el coste y la complejidad de una bomba de líquido convencional.

XLG lo utiliza habitualmente en el diseño de generadores de vapor en los que se aprovecha un efecto termosifón natural para hacer circular el líquido que se evapora por el lado de los tubos de un intercambiador de calor montado verticalmente.

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TIEMPO DE ESPERA

Es el tiempo necesario para que un producto se mantenga a la temperatura de pasteurización con el fin de eliminar la máxima cantidad de agentes patógenos.

Este tiempo debe determinarlo el diseñador del proceso a partir de su conocimiento del producto y de los patógenos que es probable que estén presentes. Determinará el tiempo de mantenimiento necesario para reducir el número de patógenos viables al número permitido por la legislación sobre higiene alimentaria para el producto.

Los tiempos de retención se especifican normalmente como tiempos mínimos, por lo que el diseñador del intercambiador de calor, al incorporar tubos de retención (cf.) en su sistema, debe pecar siempre de precavido y asegurarse de que el tiempo se supera ligeramente con el caudal máximo de producto especificado.

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TIEMPO DE RESIDENCIA

Se denomina así al tiempo que el producto permanece dentro del intercambiador de calor o de los tubos de retención (cf.), que será especificado por los tecnólogos alimentarios para alcanzar el nivel de eliminación bacteriológica necesario para lograr una duración de conservación adecuada.

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TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Hay muchos tipos diferentes de intercambiadores de calor de carcasa y tubos, cada uno diseñado para satisfacer un conjunto específico de criterios de diseño y necesidades de aplicación.

Los principales tipos de unidad producidos por XLG son los siguientes, pero debe tenerse en cuenta que siempre hay disponibles variantes de estos tipos para satisfacer necesidades de aplicación específicas. La mayoría de los diseños pueden fabricarse para cumplir los requisitos de la industria farmacéutica o las normas EHEDG y 3-A.

  • Unidades multitubo de tubo recto – tipo de tubo fijo (serie B) o desmontable (serie BD)
  • Unidades multitubo con tubo en U – normalmente desmontables (serie BU)
  • Unidades monotubo de tubo recto – tipo de tubo fijo (serie M) o desmontable (serie MD)
  • Unidades de triple tubo recto – tipo de tubo fijo
  • Unidades tipo caldera – unidades desmontables de tubo en U

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TOLERANCIA A LA CORROSIÓN

En las superficies metálicas sometidas a presión y que pueden corroerse por el fluido o fluidos en contacto con ellas, es normal añadir una sobremedida de espesor por encima del espesor requerido para la presión, a fin de tener en cuenta el adelgazamiento del componente debido a la corrosión.

En el caso de los aceros al carbono, esta tolerancia puede oscilar entre 1,6 mm para niveles bajos de corrosión y 3,0 mm para condiciones muy corrosivas.

En el caso de los aceros inoxidables austeníticos utilizados por XLG, normalmente no es necesaria una tolerancia a la corrosión, ya que es improbable que los componentes sufran corrosión, pero el diseñador siempre debe ser consciente de la posibilidad de contaminación por sustancias corrosivas y debe realizar las tolerancias adecuadas cuando sea necesario.

Obsérvese que es normal excluir los tubos de esta tolerancia; se supone que el material del tubo siempre se elegirá para garantizar la resistencia contra todas las formas de fallo por corrosión.

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TORRES DE REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA

Se suelen utilizar para proporcionar una fuente de agua de refrigeración para intercambiadores de calor y otros equipos de proceso y funcionan evaporando una pequeña cantidad de agua caliente que se pulveriza en la torre por la parte superior. Una corriente de aire de refrigeración/evaporación atraviesa la torre en sentido contrario para conseguir el efecto de refrigeración.

Utilizan aire atmosférico como medio refrigerante y tienen la ventaja de que emplean la temperatura de bulbo húmedo (cf.) para conseguir la refrigeración y, en algunos climas, ésta puede ser varios grados inferior a la temperatura de bulbo seco utilizada en los radiadores refrigerados por aire seco.

El uso de torres evaporativas presenta algunas desventajas importantes:

  • Pierden una cantidad importante de agua debido a las salpicaduras y a la evaporación, que hay que reponer. En zonas áridas esto puede ser imposible y en zonas menos áridas puede representar un coste de funcionamiento importante y continuo.
  • Contaminan el agua con los contaminantes presentes en la atmósfera, de modo que si se encuentran en una zona costera, el agua se contaminará con cloruro sódico y si están en una zona muy industrializada, recogerán los contaminantes atmosféricos presentes, como los óxidos de azufre, y producirán una corriente de agua ácida.
  • Filtran cualquier partícula de polvo u otras sustancias orgánicas presentes en la atmósfera, por lo que el agua puede ensuciarse mucho y el sistema requerir una limpieza constante para eliminar el limo.

Existe una alternativa a este sistema de pulverización abierta que minimiza los efectos descritos anteriormente y es la «Torre Baltimore», que combina las ventajas de un radiador de circuito cerrado con un efecto de refrigeración mediante evaporación y temperatura de bulbo húmedo del aire.

Esto se consigue pulverizando agua sobre una matriz de radiadores de circuito cerrado que mantiene internamente un circuito de agua limpia. El mayor inconveniente es que las pérdidas de agua son importantes y requieren una sustitución constante.

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TRATAMIENTOS ANTIINCRUSTACIONES

Para combatir los mecanismos de ensuciamiento resumidos más arriba hay que utilizar diversos métodos:

  • Deposición de incrustaciones: la filtración del agua cargada de limo o su paso por tanques de decantación antes de su uso puede minimizar el nivel de depósitos. Sin embargo, una vez que se han formado, es necesario utilizar métodos de limpieza mecánicos, como el cepillado con alambre o el chorro de agua a alta presión, para eliminar los depósitos.
  • Ensuciamiento químico: como depende totalmente del proceso, poco se puede hacer para minimizar o prevenir este tipo de ensuciamiento. Dado que intervienen muchos factores diferentes, como los fluidos del proceso, los materiales de base, etc., se recomienda solicitar asesoramiento a una empresa de limpieza industrial especializada para determinar la mejor forma de eliminarlo.
  • Ensuciamiento por corrosión: sólo se puede combatir eligiendo los materiales adecuados para que estén en contacto con los fluidos de funcionamiento. Si la corrosión es grave, existe el riesgo de rotura del tubo, por lo que puede ser necesario cambiar por completo el tubo del equipo afectado y, si es posible, sustituirlo por un material más resistente a la corrosión.
  • Ensuciamiento biológico: puede combatirse de dos maneras. La elección inicial de los materiales puede inhibir las incrustaciones biológicas, ya que algunos materiales a base de cobre son venenosos para diversos organismos biológicos y pueden utilizarse con éxito en aplicaciones en las que se utiliza agua de mar como refrigerante. El tratamiento del agua de refrigeración también es útil, sobre todo en sistemas de recirculación como las torres de refrigeración, donde la dosificación del agua con agentes antiincrustantes puede minimizar la contaminación.

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TUBOS

Es el término general utilizado para designar los tubos (normalmente) de pequeño diámetro utilizados en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos. La diferencia esencial entre un tubo y una tubería es que los tubos tienen paredes de mayor grosor.

Los tubos XLG suelen estar corrugados para mejorar la capacidad de transferencia de calor de los tubos y se suministran en una variedad de aceros inoxidables, aleaciones dúplex y materiales de grado superior como titanio, Incoloy®, etc.

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TUBOS DE SUJECIÓN

En las aplicaciones de procesado de alimentos, muchos productos líquidos o purés tienen que pasteurizarse para que puedan almacenarse durante un periodo aceptable tras su procesado y por razones de higiene general.

Cada producto es diferente, por lo que la temperatura de pasteurización y el periodo de tiempo durante el cual debe mantenerse dicha temperatura también serán diferentes y, cuando el diseñador del intercambiador de calor dimensione su equipo, el diseñador del proceso (normalmente el usuario final) le indicará el tiempo durante el cual debe mantenerse la temperatura de pasteurización antes de que el producto se enfríe para su posterior procesamiento o envasado.

El tiempo de retención (cf.) es función del volumen de producto que fluye y del diámetro interior de los tubos por los que circula. Si el producto se procesa en intercambiadores de calor monotubo, normalmente es conveniente (a efectos de limpieza) utilizar tubos de retención del mismo diámetro que los instalados en el intercambiador de calor, lo que permitirá a los operarios utilizar un sistema de pigging (véase) para recuperar y limpiar el producto.

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VALOR ALFA

Es el término comúnmente utilizado para los coeficientes parciales de transferencia de calor derivados para el lado de la carcasa y el lado del tubo de un intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Los valores relativos de uni y uno controlan la temperatura de la pared del tubo (cf.) del intercambiador de calor y el diseñador puede utilizarlo para calcular los valores adecuados cuando exista peligro de ebullición o congelación en la superficie del tubo.

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VALOR K

Suele ser el término comúnmente utilizado para el coeficiente global de transferencia de calor de un intercambiador de calor.

A veces se describe como el valor «U» global, pero sea cual sea la denominación que se utilice, se calcula de la misma manera, combinando los coeficientes parciales de transferencia de calor (véase) con la resistencia de la pared del tubo y cualquier factor de ensuciamiento:

K = 1 / [ (1/ai ) + (1/ao ) + Rw + FFi + FFo ]

Dónde:

  • ai = Coeficiente de transferencia parcial de calor del lado del tubo
  • ao = Coeficiente de transferencia parcial de calor del lado de la carcasa
  • Rw = Resistencia de la pared del tubo
  • FFi = Factor de ensuciamiento del lado del tubo
  • FFo = Factor de ensuciamiento del lado de la carcasa

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VALOR U

Ver valor K

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VÁLVULAS DE ALIVIO

Si existe la posibilidad de que la presión dentro de un sistema aumente por encima de la presión de diseño, debe instalarse un dispositivo de alivio de presión, de acuerdo con las normas de la Directiva europea sobre presión (véase).

A veces es conveniente que el dispositivo, que puede ser una válvula o un disco de ruptura, se monte en el intercambiador de calor o junto a él.

Si existe el peligro de que las válvulas de aislamiento del intercambiador de calor se cierren en un circuito de fluido mientras el otro circuito está fluyendo, esto puede causar una sobrepresurización del circuito cerrado y DEBE instalarse un dispositivo de alivio de presión entre las válvulas de aislamiento del intercambiador de calor.

TLV Francia dispone de una amplia gama de válvulas limitadoras de presión, a las que se debe hacer referencia para dimensionar una válvula adecuada.

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VAPOR EN VIVO

Este término se aplica a cualquier fuente de vapor que se alimente directamente de una caldera encendida.

Debe tenerse en cuenta que el vapor vivo se suministra a menudo a los equipos del usuario a través de una válvula reductora de presión, por lo que, a menos que el sistema esté equipado con válvulas limitadoras de presión ajustadas para funcionar a la presión máxima admisible más baja (cf.) del equipo del usuario, el equipo debe diseñarse para la presión y temperatura máximas del vapor de la caldera.

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VAPOR SOBRECALENTADO

Cuando el agua hierve para producir vapor, la temperatura del vapor depende de la presión, lo que se denomina «temperatura de saturación».

Cuando es necesario transportar el vapor por un sistema, inevitablemente se producen pérdidas en el sistema debidas a la radiación térmica y a la conducción del calor hacia superficies más frías, y estas pérdidas hacen que se condense una pequeña cantidad de vapor que se transporta por el sistema en forma de agua líquida. Esto puede causar problemas en los equipos del usuario, incluidos los intercambiadores de calor, ya que el líquido puede desplazarse a gran velocidad y erosionar las superficies.

Una solución habitual a este problema en las centrales de vapor es sobrecalentar el vapor, es decir, elevar la temperatura del vapor para formar un gas seco, de modo que las pequeñas pérdidas de temperatura no provoquen la condensación del vapor en el sistema de tuberías.

Desde la perspectiva de los diseñadores de intercambiadores de calor, esto tiene la ventaja de que hay una menor probabilidad de que el agua líquida cause daños por erosión, pero la desventaja de que los cálculos iniciales para el vapor deben asumir que el vapor sobrecalentado debe enfriarse como gas antes de que pueda comenzar la condensación.

En realidad, sin embargo, hay una forma de evitar esta desventaja asegurando que la temperatura de la pared del tubo adyacente a la entrada de vapor esté por debajo de la temperatura de saturación del vapor, lo que hace que el vapor se condense inmediatamente, eliminándose el recalentamiento a través de la capa de condensado formada en las superficies del tubo.

Sin embargo, los consumos de vapor deben calcularse utilizando en primer lugar el calor específico de la fase gaseosa y la caída de temperatura para alcanzar la temperatura de saturación y, a continuación, el calor latente correspondiente a la presión de trabajo.

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VIBRACIÓN DEL TUBO

Dado que los tubos de un intercambiador de calor de carcasa y tubos están sometidos a un paso continuo de fluidos, son propensos a vibrar debido a su gran relación longitud/diámetro. Es esencial comprobar las características de vibración de cada aplicación para garantizar que se proporcionan los soportes adecuados y que se evitan las vibraciones en las frecuencias naturales de los tubos.

El cálculo de la vibración de los tubos es un proceso complejo, pero TEMA proporciona una tabla de «reglas empíricas» para las longitudes máximas recomendadas de los tubos sin soporte (Tabla RCB-4-52) y en la Sección 6 «Vibración inducida por el flujo» proporciona un método para llevar a cabo un análisis de vibración para unidades específicas.

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VISCOSIDAD

La viscosidad describe la resistencia interna de un fluido al flujo y puede considerarse una medida de la fricción del fluido que depende de la temperatura.

Es importante establecer la viscosidad de cualquier fluido a la(s) temperatura(s) de funcionamiento que se utiliza(n) en la transferencia de calor, ya que es un factor fundamental para establecer el número de Reynolds utilizado en la determinación del coeficiente de transferencia de calor.

Existen dos tipos distintos de medición de la viscosidad:

  • Viscosidad dinámica (unidad Pascal-Segundo o Poise)
  • Viscosidad cinemática (unidad Stokes)

Una conversión útil de la viscosidad cinemática a la viscosidad dinámica es la siguiente:

Viscosidad dinámica = (Viscosidad cinemática / 1000) x Densidad

Dónde:

  • La viscosidad dinámica se expresa en cP (mPa.s)
  • La viscosidad cinemática se expresa en cSt (Stokes/100)
  • La densidad se expresa en kg/m³.

En los cálculos de transferencia de calor es normal utilizar la Viscosidad Dinámica.

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VITON

VITON es el nombre comercial (fabricado por DuPont) de una gama de elastómeros muy útiles y conocidos por su excelente resistencia al calor (400°F/200°C) y a los combustibles y productos químicos agresivos, y cuenta con registro mundial ISO 9000 e ISO/TS 16949.

Encontrará información detallada sobre las características de rendimiento de este material, que puede utilizarse tanto para juntas tóricas como para juntas planas, en:

www.dupontelastomers.com/products/viton

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ZINC

En las aplicaciones que utilizan agua de mar como medio de refrigeración, a veces es necesario proporcionar protección anticorrosión a las superficies de transferencia de calor. Cuando el material elegido para los tubos no es férreo (latón o cobre-níquel), la protección suele consistir en almohadillas de zinc instaladas en el sistema de circulación de agua de mar, que se corroerán preferentemente para proteger las superficies más nobles.

Si se utiliza este sistema, es esencial que las almohadillas de zinc se comprueben periódicamente y se sustituyan cuando sea necesario, ya que una vez agotadas las superficies de transferencia de calor serán vulnerables a la corrosión.

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