Fundamentos del intercambio térmico
Como se indica aquí, el principio básico de transferencia de calor es extremadamente simple: dos fluidos a diferentes temperaturas se ponen en contacto con una barrera conductora (la pared del tubo) y el calor se transfiere desde el fluido más caliente al fluido más frío hasta que alcanzan el mismo nivel de temperatura. En los procesos industriales, esto se lleva a cabo en intercambiadores de calor de diversos tipos y estilos usualmente construidos para el proceso y las condiciones del lugar de la aplicación.
Esta sección trata de los elementos clave de la teoría del intercambio térmico y el diseño del intercambiador de calor, que no se encuentran dentro de la sección de Recursos.
Tipos de fluidos
Los fluidos, tanto si es el del producto como si es el del servicio, con los que el diseñador del intercambiador de calor tiene que trabajar, son tan variados como los procesos que utilizan dichos intercambiadores. Sin embargo, pueden clasificarse en dos categorías muy amplias:
- Newtonianos – Cuando la propiedad inherente, definida como viscosidad, es independiente de la velocidad de cizallamiento dentro del fluido.
- No newtonianos – Cuando la propiedad inherente, definida como viscosidad, sí depende de la velocidad de cizallamiento dentro del fluido.
En términos simples, la viscosidad efectiva de un fluido newtoniano no depende de la velocidad con la que fluye a través de un tubo, pero sí lo es en un fluido no newtoniano.
Además de la viscosidad de los fluidos con los que se trabaja, otras cuatro propiedades son de gran importancia al modelar el rendimiento del intercambiador:
- Densidad – La masa del fluido por unidad de volumen que afecta directamente a la velocidad con la que éste fluye a través de un sistema.
- Calor específico – La cantidad de calor que una determinada masa de un fluido requiere para que la temperatura sea cambiada en 1°C.
- Conductividad térmica – La velocidad a la cual el calor puede fluir a través de un fluido.
- Calor latente – La cantidad de calor que una determinada masa de una sustancia requiere para cambiar de estado – es decir, para fundir si es un sólido, congelar si es líquido, evaporarse si es un líquido o condensar si es un gas.
Desde el punto de vista operativo, también son importantes las características de corrosión del fluido, porque influyen en la elección final de materiales de fabricación que el diseñador debe usar.
Es particularmente importante identificar los fluidos que se sabe que son altos en cloruros, ya que éstos pueden provocar corrosión por estrés en algunos tipos de acero inoxidable, pero cualquier líquido de alta acidez o alcalinidad debe ser verificado por un experto en materiales para confirmar su idoneidad. En aplicaciones como el enfriamiento de gases de escape, es importante verificar la condensación en la pared del tubo y la composición del gas (o combustible) para verificar si se formarán ácidos al enfriarse el gas. Si se confirma la condensación y el gas o combustible contiene compuestos de azufre, se debe buscar de nuevo la asistencia del experto en materiales para obtener asesoramiento sobre materiales adecuados.
La finalidad de los fuelles de expansión
La mayoría de los intercambiadores de calor estándar de HRS se fabrican como unidades de tubo fijo y normalmente están equipados con un compensador de expansión de múltiples capas de pared fina (o fuelles), para permitir la expansión diferencial entre la camisa y el tubo. Es de vital importancia que la unidad de fuelle esté diseñada correctamente y HRS Heat Exchangers sigue las recomendaciones de la Asociación de Fabricantes de Juntas de Expansión (TEMA) de América.
Esto significa que se tienen en cuenta las peores condiciones de presión, temperatura y expansión diferencial (que pueden ser CIP u otras condiciones no funcionales) para su uso en los cálculos de diseño. TEMA hace hincapié en que los intercambiadores de calor no estén diseñados para actuar como puntos de anclaje del trabajo de tuberías. Si el diseñador no tiene en cuenta las expansiones y contracciones producidas en todas las condiciones operativas y les permite imponer cargas externas en las conexiones del intercambiador de calor, tanto los fuelles como las tuberías de boquilla pueden dañarse.
Conexiones
Las conexiones son una parte importante de cualquier intercambiador de calor, ya que proporcionan la interfaz entre la unidad y el tubo de trabajo del sistema. Para el funcionamiento seguro y conveniente del equipo, es fundamental que el tipo de conexión se elija cuidadosamente para satisfacer los requisitos de seguridad, la presión de diseño, la temperatura y los requerimientos del cliente para la conveniencia y la idoneidad del proceso. Si un intercambiador de calor va a ser habitualmente sustituido para su limpieza, entonces las abrazaderas de liberación rápida pueden ser una opción más apropiada que las bridas atornilladas.
Tanto las bridas como los diversos estilos de abrazaderas de liberación rápida ofertadas por los proveedores, están limitadas en presión y temperatura de trabajo. Es esencial que, independientemente del estilo de conexión especificado por el cliente (u ofrecido por el diseñador), se compruebe la capacidad de temperatura y presión de la conexión, para confirmar su aceptabilidad. La compatibilidad del proceso de la junta o del material de sellado utilizado para la conexión debe comprobarse siempre. Hay una gama de materiales disponibles para la mayoría de los tipos de conexión y el elegido debe ser apropiado para los fluidos de trabajo.
El tamaño de la conexión también es importante. A menudo será especificado por el instalador, pero el diseñador del intercambiador de calor debe ser consciente de las implicaciones de los tamaños elegidos. Consideraciones mecánicas también afectan la elección de la boquilla. Esencialmente, cuanto más grande sea el agujero en la camisa, ésta se volverá más débil y bajo las reglas de los recipientes a presión, se verificará el efecto de debilitamiento y, si es necesario, se añadirá refuerzo en el área de la boquilla.
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