Intercambiadores de calor TLV

El problema del bloqueo en un intercambiador de calor: causas, consecuencias y soluciones

En los intercambiadores de calor en los que un fluido es calentado mediante vapor, se produce a menudo el fenómeno llamado “bloqueo” (stall en inglés) que a la larga puede dar lugar a diversos problemas, entre ellos daños mecánicos importantes en el intercambiador de calor.

El bloqueo ocurre cuando la demanda de calor cae por debajo de un cierto nivel crítico. Por ejemplo, porque, por necesidades del proceso, se reduce el caudal del fluido a calentar; si esta reducción es suficientemente grande, puede producirse el bloqueo.

El bloqueo consiste en la acumulación de condensado en el interior del intercambiador de calor debido a que el purgador no es capaz de drenarlo. La siguiente figura muestra una imagen ilustrativa del fenómeno, indicando el condensado acumulado (azul) y el vapor (violeta) que, como se observa, no cubre todo el haz de tubos, lo que reduce o incluso imposibilita el intercambio de calor.

El problema del bloqueo de los intercambiadores de calor

¿Por qué se bloquean los intercambiadores de calor?

En los intercambiadores de calor que emplean vapor como fuente de calor, el flujo de vapor suele regularse mediante una válvula de control equipada con un actuador neumático o eléctrico.

A medida que varía la demanda de calor, la válvula de control abre o cierra a fin de mantener la temperatura del fluido que se está calentando dentro de los límites establecidos. Estas variaciones en la apertura de la válvula se traducen en variaciones en la presión y temperatura del vapor dentro del intercambiador de calor.

Veamos un ejemplo: si la presión de alimentación del vapor es de 6 bar (correspondientes a 165 o C), la válvula de control totalmente abierta produce una pérdida de carga de 2 bar y la tubería que une esta última con el intercambiador tiene una pérdida de carga de 0,5 bar, la presión efectiva del vapor dentro del intercambiador de calor será de 6 – 2 – 0,5 = 3,5 bar y la temperatura del vapor será de 148 o C, no de 165 o C
como erróneamente podríamos imaginar.

Un segundo aspecto a considerar es el efecto que las variaciones en la demanda de calor tienen en la apertura de la válvula de control y por consiguiente en la pérdida de carga que genera en el vapor y en la presión efectiva de éste en el interior del intercambiador de calor.

Cuando la demanda de calor disminuye debido a las necesidades del proceso, la válvula de control actúa para evitar un sobrecalentamiento del fluido a calentar, para lo que reduce su apertura, lo que aumenta la pérdida de carga producida por la válvula. Ello hace disminuir la presión del vapor dentro del intercambiador de calor y por tanto su temperatura, logrando así disminuir el flujo de calor hacia el producto.

Si esa disminución de la presión del vapor se hace suficientemente grande, puede ocurrir que la presión del vapor dentro del intercambiador de calor sea inferior a la presión en la línea de condensado. En ese momento la presión diferencial se hace negativa y el purgador dejará de drenar condensado: comienza a producirse el bloqueo, y el condensado empezará a acumularse dentro del intercambiador de calor.

Efecto sobre el bloqueo del sobredimensionamiento de los intercambiadores de calor

Es práctica habitual de los diseñadores sobredimensionar la superficie de los intercambiadores de calor, para tener en cuenta el previsible ensuciamiento de los mismos, así como posibles necesidades adicionales debidas a futuros cambios en el proceso. Este sobredimensionamiento suele ser como mínimo del 20%, no siendo extraños sobredimensionamientos del orden del 40% o incluso superiores.

Un intercambiador de calor sobredimensionado (como lo son la mayoría de ellos) tiende a trabajar con aperturas de la válvula de control relativamente pequeñas, y por tanto con presiones del vapor dentro del intercambiador de calor relativamente bajas. Incluso es posible que en condiciones de carga nominal se produzca el bloqueo si el sobredimensionamiento del intercambiador es muy grande.

¿Puede bloquearse mi intercambiador de calor?

Tradicionalmente los diseñadores han evaluado las condiciones en las que un intercambiador de calor se bloqueará mediante gráficos disponibles en la literatura, pero actualmente es mucho más sencillo y práctico utilizar el Programa de Cálculos de Ingeniería elaborado por TLV, que está disponible en la página web de la compañía (https://www.tlv.com/global/ES/calculator/).

Concretamente existe en el Calculador un apartado que permite evaluar las condiciones en las que un intercambiador se bloqueará, accesible en: https://www.tlv.com/global/ES/calculator/stall-point.html.

El programa tiene dos opciones: cálculo elemental y cálculo avanzado.

En la primera opción solo se requieren cuatro datos:

  • Temperatura de entrada del fluido a calentar.
  • Temperatura de salida del fluido a calentar
  • Presión de alimentación del vapor
  • Presión en la línea de condensado

Veamos un ejemplo:

  • Temperatura de entrada del fluido a calentar: 20 º C
  • Temperatura de salida del fluido a calentar: 80 º C
  • Presión de alimentación del vapor: 6 bar
  • Presión en la línea de condensado: 1 bar

Si introducimos estos datos en el calculador, éste nos indica que este intercambiador de calor, si no está sobredimensionado, se bloqueará cuando la carga sea el 61% de la nominal. Pero si está sobredimensionado un 40%, cosa nada infrecuente, el bloqueo se producirá cuando la carga sea solamente del 85% de la nominal.

Si utilizamos la opción avanzada del programa podremos introducir datos suplementarios, como el sobredimensionamiento real y la pérdida de carga en la válvula, que nos darán un resultado más realista, aunque en la mayoría de los casos la opción elemental es suficientemente ajustada a la realidad.

¿Qué ocurre si mi intercambiador de calor se bloquea?

El bloqueo de un intercambiador de calor tiene diversas consecuencias negativas sobre los equipos y sobre la
eficiencia del proceso.

1) Pérdida de productividad: si se produce el bloqueo del intercambiador de calor, la transferencia de calor dejará de producirse, con el consiguiente impacto en la productividad del intercambiador de calor y posiblemente del conjunto del proceso. Normalmente, cuando ello ocurre se abre manualmente la válvula

de bypass del purgador de vapor y la mayoría de las veces se olvida volver a colocar el purgador de vapor en la línea, con el consiguiente aumento del consumo de vapor, que en buena parte será desperdiciado.

2) Transferencia de calor desigual y pérdida de calidad: con el bloqueo, la transferencia de calor puede volverse desigual, por lo que el producto puede tener problemas de calidad debido a que el calentamiento no será igual en todos los puntos.

3) No utilización del área de transferencia de calor: el bloqueo del intercambiador de calor disminuye el área efectiva de transferencia de calor. El intercambiador de calor no se utiliza en su totalidad y en algún momento se ha observado que para compensar el déficit se agrega un intercambiador de calor adicional a fin de superar el problema.

4) Golpe de ariete: Cuando la carga del equipo cae (debido a factores como una reducción en la cantidad de producto a calentar o un aumento en la temperatura del producto), el diferencial de presión entre las presiones de entrada y salida del purgador de vapor desaparece, comienza el bloqueo del intercambiador de calor y el condensado comienza a acumularse en la carcasa.

Con una aportación de vapor reducida (o nula) el condensado acumulado se enfría, y cuando la válvula de control abra de nuevo y se suministre vapor, éste, en contacto con el condensado frío, se condensa instantáneamente y se produce un golpe de ariete.

En la mayoría de los casos los golpes de ariete generados por este mecanismo son poco violentos, dando como resultado impactos pequeños pero perceptibles durante un período breve, a diferencia de los impactos violentos que ocurren en las líneas de distribución de vapor cuando se produce en ellas un golpe de ariete.

Sin embargo, si se permite que estos golpes de ariete a pequeña escala continúen durante largos períodos de tiempo, pueden debilitar el equipo hasta el punto de que se rompa repentinamente. Esta rotura a menudo ocurre bajo condiciones de alta presión, carga pesada y operación completa. Por lo tanto, la descarga rápida de condensado es fundamental desde el punto de vista del mantenimiento preventivo.

5) Fugas en el intercambiador de calor: debido al golpe de ariete y la corrosión provocada por acumulación de condensado, existe la posibilidad de fugas y fallas en el intercambiador de calor.

¿Cómo puedo prevenir el bloqueo de mi intercambiador de calor?

Existen básicamente dos formas de prevenir el bloqueo de un intercambiador de calor:

1) Mantenga la presión del vapor por encima de la presión atmosférica y use la gravedad para la extracción de condensado: Este es el método más económico de prevención del bloqueo; en este método necesitamos mantener la presión del vapor por encima de la presión atmosférica, agregar un rompedor de vacío y crear presión estática sobre el purgador, añadiendo (si no existe) un tramo vertical de tubería por encima del mismo, generalmente con un mínimo de 0,5 metros, para mantener el flujo de condensado. Pero para que funcione es necesario que a la salida del purgador no exista contrapresión, lo que muy a menudo no ocurre.

2) Use un purgador-bomba: el uso de un purgador bomba es la solución total al problema. El purgador-bomba actúa como purgador, drenando el condensado cuando la presión diferencial es suficiente, y cuando la presión diferencial es demasiado baja cambia automáticamente al modo bomba, utilizando para ello la presión del vapor de alimentación. La posibilidad de bloqueo desaparece definitivamente.

Los purgadores-bomba modelo GT de TLV están diseñados para resolver el problema del bloqueo de los purgadores de vapor y están disponibles en amplia gama de modelos que cubren caudales de condensado desde 250 kg/h hasta 8.000 kg/h. Se caracterizan, además, por su larga vida útil y la facilidad de mantenimiento que, al igual que en la mayoría de equipos TLV, puede realizarse sin desmontarlos de la línea.

La siguiente figura muestra un ejemplo esquemático de la instalación de un purgador-bomba GT de TLV.

Ejemplo esquemático de la instalación de un purgador-bomba GT de TLV.
Ejemplo esquemático de la instalación de un purgador-bomba GT de TLV.

Entre las características destacables del purgador-bomba GT de TLV pueden citarse:

  1. No requiere electricidad ni controles de nivel adicionales, por lo que es INTRÍNSECAMENTE SEGURO.
  2. La altura de llenado que requiere es minima: solo 710 mm.
  3. El resorte funciona a compresión, lo que le confiere una gran duración.
  4. Todas las partes internas son en acero inoxidable de alta calidad, y el endurecimiento de las superficies de trabajo asegura una gran fiabilidad.

Cuando el diseño del proceso es tal que la presión diferencial es siempre insuficiente para drenar e condensado producido, como ocurre cuando la tubería de condensado debe elevarse por encima de la ubicación del intercambiador de calor, es más conveniente y económico recurrir a una bomba de condensado sin función purgador, que no tendría utilidad: el modelo GP de TLV. A continuación se muestra un ejemplo esquemático de su instalación.

Instalación del modelo GP de TLV
Instalación del modelo GP de TLV

Como puede observarse la instalación de ambos modelos es similar, diferenciándose en que el purgador- bomba GT solo puede dar servicio a un equipo mientras que la bomba GP puede dar servicio a varios equipos pero requiere un venteo a la atmósfera.

Conclusión

El problema del bloqueo se presenta frecuentemente en los intercambiadores de calor que utilizan vapor como medio de calefacción y puede ser debido a multiples causas; una de las más frecuentes es el sobredimensionamiento de los intercambiadores de calor utilizados. El bloqueo de los intercambiadores de calor puede dar lugar a distorsiones en el proceso y a gopes de ariete que pueden provocar daños en el equipo.

El bloqueo de los intercambiadores de calor puede prevenirse fácilmente utilizando purgadores-bomba en lugar de purgadores convencionales.

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