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Fundamentos del Fouling y del Coeficiente Global de la transferencia de calor.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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ÍNDICE DE CONTENIDOS:

- FOULING EN LOS INTERCAMBIADORES.

EL COSTE DEL FOULING.

MECANISMOS DE ENSUCIAMIENTO (FOULING),

- DEPOSICIÓN DE PARTÍCULAS.

- REACCIÓN QUÍMICA DE ENSUCIAMIENTO (FOULING).

- FOULING POR CORROSIÓN DE SUPERFICIES.

- MECANISMOS MIXTOS DE ENSUCIAMIENTO (FOULING).

- FACTORES QUE AFECTAN LA INCIDENCIA DEL FOULING.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

FOULING EN LOS INTERCAMBIADORES.

El ensuciamiento (Fouling) de los intercambiadores de calor puede definirse como la acumulación de depósitos no deseados en las superficies de transferencia de calor. La capa impelente impone una resistencia adicional a la transferencia de calor y el estrechamiento del área de flujo, debido a la presencia de depósito, da como resultado un aumento de la velocidad para un caudal volumétrico dado. Además, el depósito generalmente es áspero hidrodinámicamente, de modo que hay una mayor resistencia al flujo del fluido a través de la superficie del depósito. Por lo tanto, las consecuencias de las incrustaciones son, en general, una reducción en la eficiencia del intercambiador y otros problemas operativos asociados, incluida la caída excesiva de presión en el intercambiador. Es solo en los últimos años que el problema de las incrustaciones en el intercambiador de calor ha atraído el tratamiento científico y teórico y muchos aspectos aún no se han investigado. 

En algunos intercambiadores de calor, las incrustaciones se producen rápidamente, en otros, el equipo puede funcionar durante largos períodos, quizás varios años, antes de que se manifieste un problema. Mucho depende del fluido en particular y de las condiciones bajo las cuales opera el intercambiador. La naturaleza de los depósitos es extremadamente variable. En algunos ejemplos, los depósitos son duros, tenaces y difíciles de eliminar. Otras acumulaciones son suaves y friables que se prestan a la eliminación.

Debido a esta calidad extremadamente variable de los depósitos, se ha convertido en una práctica común considerar diferentes mecanismos de ensuciamiento en el desarrollo de técnicas para mitigar el problema. Se han identificado seis mecanismos que dan lugar a problemas de ensuciamiento en los intercambiadores de calor. Incluyen:

a) La incrustación por cristalización

 

b) El ensuciamiento de partículas

Como su nombre indica, depende de la llegada de partículas discretas a la superficie de transferencia. Las partículas pueden ser pequeñas (es decir, <1 μm) o pueden ser grandes (es decir, varios mm). El ensuciamiento de partículas es común en los sistemas de líquidos y gases.

 

c) La contaminación biológica 

d) Las reacciones químicas

En o cerca de la superficie pueden dar lugar a lo que a menudo se denomina ensuciamiento por reacción química . El efecto del calor en un fluido de proceso a medida que pasa a través del intercambiador, puede acelerar las reacciones químicas, por ejemplo, reacciones de craqueo o polimerización que pueden dar lugar a la deposición en la superficie. En algunos casos, la superficie metálica del intercambiador de calor actúa como un catalizador ayudando así al proceso de ensuciamiento. El ensuciamiento por reacción química generalmente se asocia con líquidos, pero también puede ocurrir en corrientes de vapor o gas.

e) Por corrosión

La corrosión de algunos materiales de construcción de intercambio de calor por la naturaleza agresiva de los fluidos o impurezas en los fluidos en contacto con la superficie. El resultado puede ser una capa protectora, pero lo más probable es que el proceso de corrosión produzca una capa gruesa de corrosión. La incrustación por corrosión se puede observar tanto en sistemas de líquidos como de gases.

f) En las operaciones de enfriamiento

 

Aunque los diferentes mecanismos han sido identificados como conducentes a la incrustación, es posible considerar la incrustación de una manera idealizada y general. Si el grosor del depósito debido al ensuciamiento se traza en función del tiempo, se pueden visualizar tres curvas idealizadas como se muestra en la Figura 1 .

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Curvas idealizadas de ensuciamiento.

 

La curva A representa una relación de línea recta, es decir, el espesor del depósito es proporcional al tiempo. La curva B es una curva de tasa descendente, es decir, la tasa de deposición disminuye con el tiempo. La curva C es la forma habitual de la relación entre el espesor del depósito (o la resistencia térmica del ensuciamiento) y el tiempo; Es una curva exponencial o asintótica. Durante un breve periodo de tiempo, el intercambiador de calor incurre relativamente lento, pero después de un período de tiempo, la velocidad de deposición se acelera rápidamente para ir seguida de una caída en la velocidad de deposición. Finalmente, el espesor del depósito se mantiene constante. El grosor de un depósito es una medida de la resistencia del depósito a la transferencia de calor, por lo que se obtendrían curvas similares si la resistencia térmica de Foulant se graficara contra el tiempo.

 

Se muestra que las curvas en la Figura 1 se desarrollan desde el origen. En algunos ejemplos de incrustaciones, se requiere un período de iniciación o de inducción antes de que comience la incrustación. Los períodos de inducción pueden ser extremadamente cortos, es decir, unos pocos segundos, o pueden requerir varias semanas o meses. La extensión del período de inducción depende de la naturaleza de la superficie del intercambiador de calor, es decir, del material de construcción y la rugosidad de la superficie, junto con las propiedades del fluido (y cualquier impureza) que pasa sobre la superficie.

 

La presencia de un depósito en las superficies de un intercambiador de calor da lugar a dos problemas principales:

1) La eficiencia del intercambiador de calor se reduce con respecto a la transferencia de calor como resultado de la resistencia térmica del depósito. En general, la conductividad térmica de los depósitos es mucho menor que la de los metales, por lo que incluso una capa delgada puede causar una resistencia térmica significativa. El hecho de que la superficie de la capa protectora sea rugosa en comparación con la superficie metálica original aumentará, en general, la transferencia de calor debido al aumento de la turbulencia generada por los elementos de rugosidad. Hasta cierto punto, esto contrarresta los efectos del aumento de la resistencia térmica en el intercambiador de calor. Sin embargo, los beneficios, debido a la presencia de la capa de ensuciamiento, suelen ser relativamente pequeños en comparación con las restricciones al flujo de calor impuestas por las propiedades aislantes del agente foulant.

El efecto general sobre la transferencia de calor se puede resumir en la siguiente declaración:

El cambio en el coeficiente de transferencia de calor global es una función de

Aunque se ha citado la dependencia con respecto al intercambiador de calor en su conjunto, es estrictamente aplicable a las condiciones locales. Sin embargo, es probable que la incidencia y la calidad de un depósito varíen según su ubicación en el intercambiador:

 

- Cambio debido a la resistencia térmica de la capa foulant.

- Cambio debido a la rugosidad superficial del depósito.

- Cambio debido al aumento de la velocidad para un caudal volumétrico dado, como resultado de las restricciones en el área de flujo impuestas por la presencia del depósito.

 

2) Debido a la rugosidad del depósito y las restricciones del área de flujo que son responsables de la turbulencia mejorada y la transferencia de calor en comparación con la condición para el mismo caudal, la caída de presión también aumenta. Relativamente, las capas en el interior de un tubo pueden, por ejemplo, aumentar sustancialmente la caída de presión. Por ejemplo, una capa de 1 mm en el interior de un tubo intercambiador de calor con un diámetro interno nominal de 18 mm aumenta la velocidad para un caudal volumétrico dado en un factor o 18 2/16 2 = 1.27.

 

Dado que la caída de presión es una función del cuadrado de la velocidad, la caída de presión con el depósito en su lugar aumentará en un factor de 1,27 2 o alrededor de 1,6 veces, es decir, un aumento del 60%. Estos cálculos descuidan el efecto de la rugosidad del depósito, de modo que, si fuera posible tener en cuenta numéricamente la contribución adicional a la caída de presión, la caída de presión a través del intercambiador en condiciones de suciedad puede aproximarse al doble de un intercambiador limpio.

La reducción de la transferencia de calor y el aumento de la caída de presión en condiciones contaminadas pueden tener implicaciones importantes para la utilización de energía en la planta de proceso, es decir, la reducción de la recuperación de calor que puede tener que hacerse con la energía primaria y el aumento de los requisitos de energía para monitorear el fluido a través del intercambiador. Ambos efectos tienen implicaciones en términos de costo de operación. Las penalizaciones económicas de las fallas del intercambiador de calor en el desempeño financiero incluyen otros efectos que se deben a la presencia de depósitos que no siempre pueden ser reconocidos en la etapa de diseño o durante la operación posterior.

 

Durante las etapas iniciales de selección del intercambiador de calor, cuando se están considerando los conceptos básicos del diseño, el problema del posible ensuciamiento será una preocupación importante. Después de una reflexión cuidadosa, es habitual incluir una resistencia térmica adicional superior a la de las condiciones de limpieza, para permitir la acumulación anticipada de depósitos. El resultado es un aumento en el área de transferencia de calor para una carga de calor dada y requisitos de cambio de temperatura. El aumento en el área de transferencia de calor (es decir, un aumento en el tamaño del intercambiador de calor para un servicio determinado) representa un aumento en el costo de capital. La elección del aumento anticipado en la resistencia de transferencia de calor debido a la incrustación es crucial para el costo final del intercambiador de calor.

Cuando se anticipa un ensuciamiento excesivo y un intercambiador de calor en particular es vital para el proceso, puede ser prudente duplicar el intercambiador de calor además de permitir la acumulación de depósitos en el diseño básico, para que la producción pueda mantenerse sin la necesidad de apagar el depósito. 

La duplicación y el sobredimensionamiento, para permitir el ensuciamiento, representan costos de capital adicionales sustanciales. Donde se requieren materiales especiales de construcción, debido a la naturaleza de los fluidos que pasan por el intercambiador de calor, el costo adicional puede ser considerable.

 

EL COSTE DEL FOULING

 

A menos que se reconozca el problema de ensuciamiento en la etapa de diseño y se tomen las medidas adecuadas para asegurar que se contenga el problema, pueden surgir serias dificultades de operación y mantenimiento que se suman al costo de producción. El apagado de emergencia puede ser necesario porque el intercambiador de calor pierde rápidamente la eficiencia de la transferencia de calor o, lo que es más probable, el flujo no puede mantenerse debido a la caída de presión excesiva generada por la presencia del depósito. Una consecuencia adicional de las altas presiones necesarias para conducir el fluido a través del intercambiador puede ser la falla de las juntas y los empaques, y un mayor desgaste en las bombas asociadas. Además, la presencia de depósitos puede fomentar la corrosión del metal subyacente con la necesidad de un reemplazo temprano.

 

Todos los factores directamente atribuibles a las incrustaciones representan un aumento en los costos de mantenimiento que pueden ser considerables en algunos casos. Cuando se experimente ensuciamiento, tarde o temprano, será necesario limpiar el intercambiador de calor. El proceso de limpieza no solo implica costos de mano de obra, sino que también puede requerir un equipo especial, especialmente si se trata de una limpieza química. Es posible que se requieran circuitos adicionales que incluyan bombas, tanques, tuberías y válvulas, productos químicos comprados y el proceso de limpieza puede producir efluentes que requieren tratamiento antes de la descarga.

Las técnicas de limpieza convencionales , como la perforación de tubos, el cepillado de superficies y el chorro de agua a alta presión también implicarán una cierta inversión financiera además del costo de la mano de obra asociada. A menos que se tomen las precauciones adecuadas, el proceso de limpieza puede dañar el intercambiador de calor. En algunos casos donde los depósitos son tenaces y difíciles de eliminar, el daño puede ser inevitable.

El mantenimiento y la limpieza adicionales significan que el proceso deberá cerrarse para permitir el acceso a menos que se haya proporcionado el equipo de reserva. Como consecuencia, existe un período de pérdida de producción que representa una pérdida de rendimiento de la inversión de capital en el equipo del proceso en su conjunto, y una rentabilidad reducida. La producción perdida como resultado de un cierre no planificado debido a cualquier causa, incluida la incrustación, puede tener un efecto sustancial cuando hay una competencia aguda.

También debe recordarse que las dificultades continuas con la operación de una planta de proceso, especialmente los intercambiadores de calor sujetos a un ensuciamiento excesivo, afectarán la moral de la fuerza laboral. Puede ser especialmente cierto cuando se trata de bonos e incentivos de producción. El resultado de estas preocupaciones puede ser una reducción general del sentido de responsabilidad, la falta de limpieza y las actitudes relajadas. Los costos son difíciles de cuantificar, pero habrá una penalización de costos asociada con estos problemas de personal.

 

El problema del ensuciamiento ha conducido a tecnologías correctivas que pueden incluir la limpieza en línea o el uso de aditivos. El propósito es evitar que se produzcan incrustaciones o reducir sus efectos en el rendimiento del intercambiador de calor en cuestión. La mitigación por cualquier medio implicará costos adicionales, ya sea en términos de capital para el equipo asociado o la compra de productos químicos de tratamiento.

 

El costo del ensuciamiento del intercambiador de calor puede ser considerable, aunque depende mucho de la naturaleza de los fluidos que se manejan, del diseño del intercambiador de calor y de las condiciones bajo las cuales se opera.

 

Las sanciones económicas descritas anteriormente pueden resumirse:

  1. Aumento de los costos de capital, es decir, área adicional de transferencia de calor, equipos de mitigación y limpieza.

  2. Requerimiento de energía adicional para permitir una recuperación de energía reducida.

  3. Costes laborales asociados al mantenimiento, limpieza y mitigación adicionales.

  4. Pérdida de ingresos por pérdida de producción.

  5. Costes de reposición de equipos.

  6. Costes adicionales asociados a la baja moral laboral.

 

 

MECANISMOS DE ENSUCIAMIENTO

El mecanismo subyacente involucrado en la acumulación de depósitos en las superficies de los intercambiadores de calor generalmente se puede considerar que involucra tres etapas:

a) El líquido o los agentes o impurezas (p. Ej., Bacterias, partículas sólidas o agentes corrosivos) que conducen a la formación de depósitos, se aproximan a la superficie desde la masa a través de la subcapa viscosa adyacente a la superficie del intercambiador de calor, a través de la cual fluye el fluido. Se aplican los principios de transferencia masiva.

b) En la superficie, la adhesión puede tener lugar e involucra una serie de factores que incluyen la interacción de las fuerzas de la superficie, las reacciones químicas y la orientación estructural.

c) Una vez depositado en la superficie, el material puede estar sujeto a fuerzas que compactan o debilitan el depósito.La calidad del depósito es probable que dependa del tiempo.

Estas tres etapas se verán influenciadas por una serie de parámetros del sistema, pero principalmente están asociados con el flujo de fluido, el calor y la transferencia de masa. Como consecuencia, el proceso por el cual una superficie se ensucia y el depósito se mantiene, es complejo como resultado de la interacción de varios factores. Aunque es extremadamente raro que un solo mecanismo se aplique, es útil examinar por separado los mecanismos brevemente mencionados anteriormente para tener una apreciación de los efectos de las variables del sistema involucradas.

DEPOSICIÓN DE PARTÍCULAS

 

La acumulación de partículas en las superficies del intercambiador de calor es un fenómeno común de ensuciamiento.Una amplia gama de tamaños de partículas puede estar involucrada en el proceso de deposición. El origen de las partículas varía. En algunos casos (por ejemplo, agua y petróleo crudo), el material particulado puede ser inherente a la corriente de fluido.

 

En los sistemas de combustión, la materia particulada (por ejemplo, la materia mineral en el carbón) se puede liberar a medida que los componentes combustibles se queman. Las partículas minerales avanzan con los gases de combustión y se depositan en las superficies del intercambiador de calor. También es posible en los sistemas de combustión, que si el proceso de combustión no se controla adecuadamente, se produce una combustión incompleta y se transportan partículas de carbono sin quemar en la corriente de gas. Las altas temperaturas que prevalecen en los sistemas de combustión pueden significar que algunas partículas están en forma de gotas líquidas que se solidifican a medida que se enfrían. La aglomeración y la reacción química de las partículas con componentes gaseosos en el gas de combustión pueden aumentar la complejidad del proceso de ensuciamiento.

 

En algunas corrientes de proceso, los efectos de la temperatura conducen a reacciones químicas que producen moléculas grandes (p. Ej., Polímeros) como material particulado capaz de depositarse en las superficies.

REACCIÓN QUÍMICA DE ENSUCIAMIENTO

 

La acumulación de depósitos puede ocurrir como resultado de reacciones químicas en o cerca de la superficie de un intercambiador de calor. Debido a que las reacciones químicas generalmente mejoran con temperaturas elevadas, se puede experimentar un ensuciamiento por reacción química cuando se calienta un fluido reactivo. En estas circunstancias, las capas de líquido de movimiento lento cerca de la superficie de transferencia de calor están sujetas a temperaturas relativamente altas.

Las incrustaciones debidas a la incidencia de reacciones químicas pueden ocurrir en un amplio rango de corrientes de proceso y en un amplio rango de temperatura, es decir, desde ambientes cercanos a temperaturas asociadas con las condiciones de combustión. Los procesos en los que la reacción química es responsable de la formación de depósitos, incluyen el procesamiento de alimentos (p. Ej., La pasteurización de la leche), el refino de petróleo (p. Ej., El precalentamiento del petróleo crudo antes de la destilación primaria) y la fabricación química que implica reacciones de polimerización. Incluso en la combustión, las impurezas contenidas en el combustible original (por ejemplo, carbón o residuos combustibles) pueden provocar reacciones químicas en combinación con gases ácidos como el SO 2 y SO 3contenidos en los gases de combustión. La combustión incompleta puede llevar a la generación de partículas de hollín que se depositan en las superficies de transferencia de calor. Los radicales libres pueden ser responsables de reacciones en cadena en líquidos orgánicos que en última instancia conducen a la formación de depósitos. Estos ejemplos de reacción química demuestran la amplia gama de sustancias que pueden considerarse depósitos de reacciones químicas.En consecuencia, los depósitos pueden ser blandos y friables o difíciles y difíciles de remover según las reacciones químicas involucradas y las condiciones.

 

CORROSIÓN DE SUPERFICIES

 

A diferencia de otros mecanismos de ensuciamiento, en el ensuciamiento por corrosión, la propia superficie de transferencia de calor se degenera para formar una capa de conductividad térmica inferior a la del metal original. La resistencia de muchos metales y aleaciones a la corrosión se debe a la presencia de una capa delgada de óxido en la superficie que restringe el flujo de electrones e iones, generalmente necesarios para que ocurra la corrosión. Una capa protectora de óxido puede considerarse como corrosión controlada pero deseable. Al mismo tiempo también representa una resistencia térmica. En general, el espesor de la capa protectora es tal que el flujo de calor no se ve muy afectado. Sin embargo, si las condiciones son tales que la corrosión de la superficie es extensa, entonces las capas de óxido (y probablemente las capas de hidróxido en sistemas acuosos) representan un problema de ensuciamiento.También es posible que la corrosión sea facilitada por la eliminación de capas protectoras de óxido por agentes químicos agresivos, por ejemplo, ataque ácido.

En los sistemas de combustión, las sales inorgánicas depositadas en las superficies de transferencia de calor pueden estar sujetas a temperaturas tan altas que se funden. La condición líquida puede proporcionar vías para la transferencia de electrones que acelera la corrosión debajo del depósito.

El ensuciamiento por corrosión depende en gran medida del material de construcción a partir del cual se fabrica el intercambiador de calor. El problema de la incrustación por corrosión puede eliminarse con la elección correcta del material de construcción, pero en general, las aleaciones resistentes a la corrosión son caras. Las circunstancias pueden ser tales que no se puedan considerar los altos costos involucrados. Luego se deben emplear otras técnicas para restringir la incidencia de la corrosión.

MECANISMOS MIXTOS DE ENSUCIAMIENTO

Aunque se han descrito brevemente seis mecanismos de ensuciamiento, tres son aplicables al circuito refrigerante. Y es raro que el ensuciamiento práctico del intercambiador de calor sea el resultado de un solo mecanismo. En la mayoría de los flujos de procesos donde se producen incrustaciones, están involucrados dos o más mecanismos. Es posible que un mecanismo pueda ser dominante y, desde un punto de vista práctico, los otros mecanismos presentes pueden ignorarse cuando se considera la acción correctiva. En los sistemas de enfriamiento de agua, es probable que, además de los microorganismos, el agua en circulación contenga sólidos disueltos, partículas suspendidas y, quizás, también sustancias químicas agresivas. El depósito acumulado en las superficies del equipo puede contener microorganismos, partículas, incrustaciones y productos de corrosión. La naturaleza gelatinosa de la biopelícula puede ayudar al desarrollo de la capa foulant al capturar partículas cuando chocan con su superficie. Los efectos de concentración pueden ocurrir cerca de la película que estimula la formación de cristales, y las condiciones de carga debajo del depósito pueden aumentar la corrosión.

En el ensuciamiento asociado con la combustión, el ensuciamiento en los intercambiadores de calor puede deberse a la deposición de partículas, reacciones químicas y corrosión como se describió anteriormente.

De estos dos ejemplos quedará claro que el proceso de ensuciamiento puede ser extremadamente complejo y requiere, como lo hace, un enfoque bastante empírico para su comprensión e investigación.

FACTORES QUE AFECTAN LA INCIDENCIA DEL ENSUCIAMIENTO

Una serie de variables del sistema afectan la incidencia de ensuciamiento en las superficies de intercambio de calor, pero tres generalmente tienen más importancia que todas las demás, entre ellas: la temperatura del fluido y la distribución de temperatura asociada, las velocidades de la corriente y, como sería de esperar, la concentración de todo el foulant, o Foulant precursores que están contenidos en las corrientes de fluidos. Las variables de menor importancia general, pero que pueden asumir importancia en ciertos ejemplos, incluyen: pH, material de construcción y condición de superficie asociada. La atención a la magnitud de estas variables, asociada con todos los mecanismos de ensuciamiento, puede contribuir en gran medida a mitigar problemas particulares de ensuciamiento, aunque debe decirse que ciertos problemas pueden no responder tan bien como otros.

 

Las pautas asociadas con la temperatura que son útiles para el diseño inicial y la posterior operación de los intercambiadores de calor sugieren:

 

Las bajas temperaturas:

- Reducir los efectos de la reacción química y la corrosión ya que las tasas de reacción son generalmente sensibles a la temperatura; Las altas temperaturas favorecen las reacciones aceleradas;

- Reducir la actividad de los micro y macroorganismos;

- Reducir la oportunidad de que ocurran condiciones de sobresaturación para las sales de solubilidad inversa.

 

Las altas temperaturas:

- Reducir la incidencia de bioincrustaciones donde la temperatura es superior a la del crecimiento óptimo;

- Evitar las condiciones que podrían provocar la congelación de las incrustaciones;

- Reducir la posibilidad de que ocurran condiciones de sobresaturación con sales disueltas con solubilidad normal.

 

Además de los efectos de la temperatura que influyen en el proceso de ensuciamiento, la temperatura también puede ser un factor en la retención a largo plazo del depósito en la superficie. Durante un período de tiempo es más que probable que un depósito en particular envejezca. El proceso de envejecimiento puede verse influido por la temperatura. Los efectos podrían ser beneficiosos o perjudiciales para el funcionamiento continuo del intercambiador de calor. Es posible que, debido a las reacciones químicas internas, el depósito sea más tenaz y difícil de remover. Para otras incrustaciones, el efecto de la distribución de la temperatura cambiada a medida que el depósito crece en grosor, los planos de debilidad y las inconsistencias en el depósito conducen a la fractura y desprendimiento.

Los efectos de la temperatura están, en general, asociados con la distribución de la temperatura en el intercambiador de calor. Para una diferencia de temperatura dada entre las corrientes de calor y frío dentro del equipo, el crecimiento del depósito (generalmente en ambos lados): afectará la distribución de esa fuerza impulsora de la temperatura total, de modo que la pared divisoria de metal separa los fluidos; Experimentará una temperatura cambiante. Los depósitos en sí también se verán afectados en términos de sus respectivas temperaturas. Para grandes diferencias de temperatura y depósitos gruesos, es probable que haya una diferencia de temperatura considerable en todo el depósito con implicaciones para la calidad del depósito. Por ejemplo, las reacciones químicas involucradas cuando el depósito es relativamente delgado, pueden ser muy diferentes de las asociadas con los depósitos gruesos. Tales condiciones, por ejemplo, en el lado de los gases de combustión del equipo de combustión de carbón, pueden dar lugar a depósitos estratificados y transformaciones químicas a medida que pasa el tiempo.

 

Aunque se especificará la temperatura de las corrientes dentro de un intercambiador de calor, el diseñador tiene cierta flexibilidad para modificar la distribución de la temperatura. Al investigar los cambios en la velocidad que afectan la resistencia térmica en las corrientes respectivas, es posible cambiar, beneficiosamente, las diversas temperaturas de la interfaz. Los cambios en la velocidad tienen implicaciones por derecho propio.

 

Ya se han hecho algunos comentarios sobre los efectos de la velocidad, a saber, los efectos sobre la distribución de la temperatura y la caída de presión. Este último está estrechamente relacionado con la cizalladura del fluido: el aumento de la velocidad aumenta la cizalla del fluido en la interfaz entre una superficie sólida y el fluido que fluye a través de ella. Las altas fuerzas de cizallamiento pueden dar como resultado la eliminación de foulant, que tiende a mantener una condición de falta de estática, es decir, cerca de la condición asintótica o de ensuciamiento de equilibrio. En estas circunstancias, la velocidad controla el espesor del depósito. El aumento de la velocidad puede parecer atractivo para minimizar los efectos de los depósitos, pero para un depósito en particular, la velocidad necesaria puede ser inaceptablemente alta, lo que conduce a altos costos de bombeo y posiblemente a problemas de erosión. También se debe recordar que el aumento de la velocidad aumentará la turbulencia, de modo que cuando el proceso de ensuciamiento se controla mediante transferencia de masa, se facilita la deposición. En las incrustaciones biológicas, por ejemplo, las velocidades más altas, aunque conducen a mejores oportunidades de eliminación, también facilitarán la transferencia de nutrientes a la materia viva que coloniza la superficie en particular.

 

La elección de la velocidad, por lo tanto, es en gran medida un compromiso dependiendo del sistema particular que se esté considerando. Como una guía aproximada, las velocidades del orden de 2 m / s para flujos de líquido en tubos tendrán algún efecto de control sin costos de bombeo excesivos. En el lado de la carcasa, las velocidades medias del fluido para líquidos a través del banco de tubos de alrededor de 1 m / s pueden considerarse una guía adecuada. En los sistemas de gas son posibles velocidades mucho más altas, pero es difícil proporcionar pautas confiables.

En general, cuanto más alta sea la concentración de foulant o de precursor de depósitos, mayor será el ensuciamiento de las superficies, ya que la fuerza impulsora de la transferencia de masa, es decir, aumenta el gradiente de concentración hacia la superficie objetivo. Por lo general, no es un don del diseñador u operador del intercambiador de calor, influir en la concentración de precursores de foulant en la corriente que maneja el intercambiador. A menudo, el problema potencial de ensuciamiento no se reconoce en la etapa de diseño; solo se puede descubrir durante la operación subsiguiente como constituyentes de traza del flujo de flujo. Puede ser posible limitar el precursor del depósito, por ejemplo, partículas o especies sin reaccionar, mediante un mejor control de los procesos aguas arriba del intercambiador. En ciertas circunstancias excepcionales, puede ser necesario reducir o eliminar por completo los componentes responsables del proceso de ensuciamiento.

CONCEPTO DE RESISTENCIA A LAS INCRUSTACIONES

 

El método habitual para permitir la incidencia de ensuciamiento en el diseño del intercambiador de calor es emplear resistencias que den cuenta del ensuciamiento en ambos lados del intercambiador. A veces, estas reacciones de ensuciamiento se conocen como "factores de ensuciamiento" . La última descripción no es del todo satisfactoria, ya que el término "factor" generalmente se aplica a un multiplicador.

La resistencia térmica debida al ensuciamiento es aditiva, como se ilustra en la siguiente ecuación, que suma toda la resistencia térmica entre los dos fluidos. Si el coeficiente global de transferencia de calor es U 1, entonces:

donde R 1 y R 2 son las resistencias de ensuciamiento asociadas con las corrientes de fluido 1 y 2, respectivamente.

R w representa la resistencia térmica de la pared metálica que separa los dos fluidos. En general, esta resistencia es bastante pequeña y, con frecuencia, se puede ignorar por completo debido a la alta conductividad térmica de los metales, α 1 y α 2 son los coeficientes de transferencia de calor en la pared metálica para los fluidos 1 y 2, respectivamente, y D 1 y D 2 es el diámetro interior y exterior del tubo a través del cual pasa el fluido 1. El fluido 2 pasa por el exterior del tubo. Se verá que, en realidad, la ecuación no es matemáticamente sólida, excepto en condiciones de estado estable, es decir, cuando el grosor del depósito en ambos lados del intercambiador permanece constante. En estas condiciones, es probable que se haya alcanzado la resistencia de ensuciamiento asintótica. La discusión anterior ha demostrado que el desarrollo de incrustaciones es transitorio, por lo que la condición de estado estable no se aplica.

Para ayudar a los diseñadores y otros, se publican tablas de resistencias a las incrustaciones, por ejemplo, las resistencias a las incrustaciones de TEMA (Asociación de Fabricantes de Cambiadores Tubulares) [Chenoweth (1990)]. Los datos se clasifican según el fluido y el proceso, y las cifras se basan en la experiencia de expertos reconocidos en el campo.Aunque la información es una guía útil, debe ser tratada con precaución a la luz de la discusión anterior sobre la influencia de la temperatura, la velocidad y la concentración de precursores de foulant. En general, las tablas no especifican ninguna de las variables, por lo que resulta difícil relacionarlas con un conjunto particular de condiciones.También debe entenderse que las resistencias de ensuciamiento publicadas solo son aplicables a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y, por ejemplo, no se pueden usar en el diseño de intercambiadores de calor de placas.Además, debe recordarse que al tener en cuenta la resistencia anticipada a la incrustación, un intercambiador de calor limpio (recién en funcionamiento) tendrá un rendimiento superior. Para compensar, se realizarán ajustes en la (s) velocidad (s) de flujo del fluido que podrían alentar el proceso de ensuciamiento, de modo que la predicción de la condición de ensuciado se cumpla.

 

Siempre que sea posible, los datos sobre las resistencias de ensuciamiento relacionados con los flujos del proceso real y las condiciones de velocidad y temperatura correspondientes al diseño particular se deben utilizar para fines de evaluación. Desafortunadamente, estos datos no están generalmente a la mano. La elección, entonces, se convierte en una de experiencia y juicio con la guía de las figuras publicadas. A este respecto, debe apreciarse que el aumento del costo de capital de un intercambiador de calor por encima de la condición de limpieza para permitir el ensuciamiento, puede muy bien depender de la elección arbitraria de la resistencia al ensuciamiento.

MITIGACIÓN DEL ENSUCIAMIENTO

 

Para controlar la incidencia de ensuciamiento, se puede emplear una amplia gama de técnicas de mitigación en línea, pero generalmente se dividen en dos grupos, a saber, métodos mecánicos y el uso de aditivos químicos.

Los métodos mecánicos, como su nombre indica, utilizan métodos físicos de eliminación. Algunos ejemplos se dan en la siguiente tabla:

Tabla 1. Técnicas de control mecánico.

Se verá que siempre que sea posible, el uso del aditivo es complementario a los efectos de corte producidos por la velocidad del fluido a través de la superficie del intercambiador de calor. Otros aditivos imparten cambios a las partículas depositantes oa la superficie, de modo que las partículas se "retienen" de la superficie.

En general, la concentración del aditivo es relativamente pequeña, es decir, hasta 100 mg / l, pero en muchas aplicaciones la concentración puede ser tan baja como 1 mg / l. Para que sea rentable, la concentración de aditivo debe mantenerse lo más baja posible.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 2. Aplicación de aditivos químicos.

 

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Bell, Kenneth J.
DOI: 10.1615 / AtoZ.o.overall_heat_transfer_coefficient


El coeficiente de transferencia de calor global se emplea para calcular la tasa de transferencia de calor de un fluido a una temperatura media T1 a través de una superficie sólida a un segundo fluido a una temperatura T2 media (donde T1> T2). La ecuación de definición generalmente solo es aplicable a un elemento incremental de la superficie de transferencia de calor dA para el cual la tasa de transferencia de calor es d, y la ecuación es estrictamente válida solo en condiciones de estado estable y una transferencia de calor lateral insignificante en la superficie sólida, condiciones generalmente bastante verdaderas En la mayoría de las aplicaciones prácticas. La ecuación definitoria es
 

donde U hace referencia a una superficie específica (ver más abajo).
En la situación particular de la transferencia de calor a través de una pared plana de espesor uniforme, U se relaciona con los coeficientes de transferencia de calor de la película individual, α1 y α2, de los dos fluidos por la ecuación

donde δw es el espesor de la pared y λw es la conductividad térmica de la pared.
Si hay depósitos de suciedad en la pared, tienen una resistencia a la transferencia de calor, R1 y R2, en unidades de m2 K / W, y estas resistencias se deben agregar en (consulte Factores de incrustación y incrustaciones)

 

 

 

Para el caso especial pero muy importante de la transferencia de calor a través de la pared de un tubo redondo liso, deben considerarse las diferentes áreas de transferencia de calor en las superficies internas y externas del tubo. Deje que dAi sea el área incremental interior y dAo sea el exterior. Luego (incluyendo las resistencias de ensuciamiento Rfi y Rfo por dentro y por fuera):
 

 

 

donde Ui se denomina "coeficiente de transferencia de calor global referenciado (o basado en) el área de transferencia de calor del tubo interior", y ri y ro los radios internos y externos del tubo.
Alternativamente, el coeficiente global puede basarse en el área de transferencia de calor exterior, dando

 

 

 

donde Uo se denomina "coeficiente general de transferencia de calor en función del área de transferencia de calor del tubo exterior". Tenga en cuenta que
 

 

 

Estas ideas pueden extenderse a superficies más complicadas, como tubos con aletas o compuestos, pero luego es necesario agregar términos de resistencia adicionales (y las correcciones de la relación de área) para las aletas o el contacto imperfecto de metal a metal.
Generalmente, para usar estas ecuaciones en aplicaciones de transferencia de calor, la ecuación básica debe integrarse:

 

 

 

donde AT es el área total requerida para transferir T y T1, T2 ya veces U debe expresarse como funciones del calor ya transferido desde un extremo hasta un punto dado en el dispositivo de transferencia de calor. Esta es la ecuación básica de diseño para la mayoría de los intercambiadores de calor.