Entender y prevenir el ensuciamiento en un intercambiador de calor

Cuando se opera en condiciones excepcionalmente complicadas, o se tratan productos difíciles, como aguas residuals, lodos y fangos, incluso los intercambiadores de calor mejor diseñados son susceptibles de ensuciarse. Comprender los diferentes tipos de incrustaciones y sus causas ayudará a los ingenieros y operadores a elegir el mejor tipo de intercambiador de calor para su aplicación particular y mantenerlo funcionando en condiciones óptimas.

El impacto de la suciedad en los intercambiadores de calor se ha estudiado desde 1910, cuando se llevó a cabo la primera investigación sobre el tema. Desde entonces, ha habido muchos desarrollos, desde soluciones patentadas hasta la adopción de buenas prácticas, como mantener los caudales y controlar cuidadosamente las temperaturas. Un intercambiador de calor bien diseñado tomará el «factor de ensuciamiento» estándar en la etapa de especificación, asegurando que se produzca un intercambio térmico suficiente cuando se experimentan niveles normales de ensuciamiento en la operación.

¿Qué es el ensuciamiento?

La definición más común de ensuciamiento, en relación con los intercambiadores de calor, es la que lo define generalmente como la deposición y acumulación de material no deseado, como escamas, sólidos en suspensión, sales insolubles e incluso algas, en las superficies internas del intercambiador de calor. Dependiendo de los materiales involucrados, este ensuciamiento puede ocurrir tanto en la superficie primaria como en la de servicio del intercambiador, y algunas veces, en ambas a la vez.

¿Por qué es importante el ensuciamiento?

El ensuciamiento tiene un impacto significativo en la transferencia térmica a través de la superficie del intercambiador de calor y, por lo tanto, en el rendimiento operativo general y, en última instancia, en la rentabilidad económica del proceso.

La acumulación de incrustaciones también reduce el área de la sección transversal de los tubos o canales de flujo y aumenta la resistencia de los fluidos que pasan sobre la superficie. Estos efectos secundarios se combinan para aumentar la caída de presión en el intercambiador de calor, reduciendo las tasas de flujo y agravando el problema. En los peores casos, el intercambiador de calor se bloquea rápidamente.

Finalmente, dependiendo de los depósitos de incrustación involucrados, se puede llegar a la corrosión del intercambiador de calor, que a menudo puede ser ocultada por la propia capa de suciedad, lo que acorta su vida útil, pudiendo ocasionar fallos graves en el proceso.

¿Qué es el factor de ensuciamiento?

El factor de ensuciamiento representa la resistencia teórica al flujo de calor debido a la acumulación de una capa de suciedad en las superficies de los tubos del intercambiador de calor. En la práctica, los factores de ensuciamiento son a menudo exagerados por el usuario final en un intento de minimizar la frecuencia de limpieza. Sin embargo, usar un factor de ensuciamiento incorrecto puede desembocar en la necesidad de una limpieza más frecuente.

El factor de ensuciamiento es un valor matemático (generalmente denominado Rf o Rd) que representa la resistencia térmica del depósito/s y muestra una relación entre el coeficiente de transferencia de un intercambiador de calor totalmente limpio y la misma unidad después del ensuciamiento.

Los valores estándar están disponibles para una serie de líquidos y gases comunes, como fuel oil, agua de mar y vapor de alcohol. Sin embargo, para muchos materiales, incluidos aquellos con los factores de ensuciamiento más altos, como lodos, es mejor analizar la sustancia para lograr un resultado preciso.

Indicios de ensuciamiento

Uno de los primeros signos de ensuciamiento significativo más allá de los parámetros de diseño, es una pérdida de rendimiento a medida que se deteriora la transferencia de calor.

Un aumento en la caída de presión a veces se puede observar a medida que se acumula el ensuciamiento, pero no es fiable como indicador del rendimiento del intercambiador de calor y ciertamente no es tan efectivo y fiable como el monitoreo del rendimiento de la transferencia térmica.

Tipos de ensuciamiento

Existen diferentes tipos de ensuciamiento, que pueden variar según diversos factores, como las condiciones de funcionamiento en las que se utiliza el intercambiador. También hay diferentes términos utilizados globalmente para los diferentes tipos de incrustaciones y esto puede llevar a confusión sobre lo que realmente está sucediendo en una situación concreta.

En términos simples, hay cuatro tipos diferentes de incrustaciones:

• Las incrustaciones químicas (o scaling) se producen cuando los cambios químicos dentro del fluido hacen que se deposite una capa de suciedad en la superficie del tubo. Un ejemplo común es la suciedad en una caldera causada por las sales que se depositan sobre los elementos de calentamiento a medida que su solubilidad se reduce al aumentar la temperatura. La probabilidad de incrustaciones aumenta con la temperatura, la concentración y los niveles de pH. Dichos efectos pueden minimizarse controlando cuidadosamente la temperatura de la pared del tubo en contacto con el fluido. El ensuciamiento químico se elimina mediante tratamiento químico o descalcificación mecánica.
• La contaminación biológica causada por el crecimiento de organismos, como las algas, dentro del fluido que se deposita en las superficies del intercambiador de calor. Si bien está fuera del control directo cuando se diseña el intercambiador, sí puede verse influido por la elección del material. Por ejemplo, los materiales de latón no ferrosos son venenosos para algunos organismos. Este tipo de ensuciamiento también se elimina mediante tratamientos químicos o procesos de cepillado mecánico.
• El ensuciamiento por deposición (también conocido como ensuciamiento por sedimentación) ocurre cuando las partículas contenidas dentro del fluido se depositan en la superficie, generalmente cuando la velocidad del fluido cae por debajo de un nivel crítico. Un buen diseño del intercambiador de calor, incluido el cálculo de la velocidad crítica para cualquier combinación de fluidos y partículas, debe dar como resultado velocidades de trabajo mínimas por encima de este nivel crítico. El montaje vertical del intercambiador de calor también puede minimizar el efecto, a medida que la gravedad extrae las partículas del intercambiador de la superficie de transferencia térmica, incluso a niveles de baja velocidad. El ensuciamiento por deposición normalmente se elimina mecánicamente mediante cepillado o rascado.
• El ensuciamiento por corrosión se produce cuando una capa de productos corrosivos se acumula en las superficies del tubo y forma una capa extra de material, que a menudo presenta una resistencia térmica. No debe confundirse con la corrosión que se produce debajo de la capa de incrustación, como se mencionó anteriormente. El uso cuidadoso de materiales resistentes a la corrosión, como el acero inoxidable, es un factor clave para prevenir el ensuciamiento por corrosión.

Prevención y reducción del ensuciamiento

En todos los casos, la prevención es la mejor solución: la prevención o reducción de las incrustaciones será más económica y eficaz para mantener el rendimiento del intercambiador de calor que los procesos de eliminación o la limpieza.

Algunos de los métodos para reducir cada tipo de ensuciamiento ya han sido discutidos. El uso de tubos corrugados en la fabricación de intercambiadores de calor, como lo hace HRS, es beneficioso para prevenir tanto el ensuciamiento por deposición como el ensuciamiento químico. El ensuciamiento por deposición se reduce debido a mayores niveles de turbulencia a velocidades de fluido más bajas, mientras que el ensuciamiento químico a menudo se reduce debido a que los coeficientes de transferencia de calor mejorados producidos por el tubo corrugado dan como resultado temperaturas de la pared del tubo más cercanas a la temperatura de los fluidos de trabajo.

La superficie del intercambiador de calor también influye, siendo las superficies rugosas las que acumulan más partículas, aumentando el ensuciamiento. Las superficies lisas y pulidas que se pueden lograr en tubos de acero inoxidable 304 ó 316 también ayudarán a minimizar el ensuciamiento.

Como resumen

Si bien algunas formas de ensuciamiento son inevitables, un diseño cuidadoso y la elección del intercambiador de calor correcto, por ejemplo, utilizando tubos corrugados, puede hacer mucho para minimizar los efectos. El primer paso siempre debe ser analizar el producto y los fluidos de servicio para calcular los factores de ensuciamiento precisos, para posteriormente, elegir un buen diseño que garantice velocidades, temperaturas y otros parámetros operativos adecuados.

El diseño también tendrá en cuenta la probabilidad de ensuciamiento y la frecuencia requerida de inspección y limpieza, e incluirá características para hacer que estos procesos sean lo más rápidos y sencillos posible, como paneles de inspección integrados y tubos extraíbles.

Sin duda, proporcionar la mayor cantidad de información en la fase de diseño es la mejor manera de que los intercambiadores de calor funcionen correctamente durante muchos años.