Mejores prácticas no. 24

Febrero 2024

Número 24

MEJORES PRÁCTICAS

Efecto de bloqueo (Stall en inglés) en intercambiadores de calor

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. Hoy hablaremos de las soluciones al bloqueo en intercambiadores 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 la trampa no es capaz de drenarlo. La 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. ¿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 kg/cm² (correspondientes a 165°C), la válvula de control totalmente abierta produce una pérdida de carga de 2 kg/cm² y la tubería que une esta última con el intercambiador tiene una pérdida de carga de 0.5 kg/cm², la presión efectiva del vapor dentro del intercambiador de calor será de 6 – 2 – 0,5 = 3,5 kg/cm² y la temperatura del vapor será de 148°C, no de 165°C como erróneamente podríamos imaginar. Un segundo aspecto para 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.

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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 la trampa 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 estos, 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 . El bloqueo de un intercambiador de calor tiene diversas consecuencias negativas sobre los equipos y sobre la eficiencia del proceso. Veremos algunas causas antes de ver las soluciones al bloqueo en intercambiadores de calor: 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. ¿Qué ocurre si mi intercambiador de calor se bloquea?

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. Temperatura Desigual Algunas veces creemos que solo los intercambiadores de calor presentan este efecto de bloqueo, también las marmitas pueden conducir a serios problemas de temperaturas no uniformes en el producto. Cuando el bloqueo (Stall) ocurre, el condensado se acumula. La temperatura de la parte más baja del condensado acumulado en el interior de la chaqueta cae, experimentando temperaturas desiguales en la superficie de transferencia de calor, con lo cual se puedes tener un efecto negativo en la calidad del producto. El reemplazar la trampa de vapor no previene efecto de bloqueo (Stall) ya que esta no resolverá la presión diferencial negativa que se presenta a través de la trampa.

Línea de vapor

Retorno de condensado

Temperaturas Desiguales Ocurren en la Fuente de Calentamiento (Superficie de Transferencia de Calor)

La prevención del efecto de bloqueo normalmente incluirá dos métodos:

• Incrementando la presión a la entrada de la trampa (primaria), o • Reduciendo la presión a la salida de la trampa (secundaria).

Como Prevenir el efecto de bloqueo (Stall) Reducir la presión de salida requiere el uso de una bomba de vacío. Cuando se utiliza una bomba de vacío, la presión en la tubería de salida de la trampa (línea de retorno de condensado) se reduce por debajo de la presión atmosférica, esto mantiene la presión diferencial que se requiere para que la trampa opere. Al utilizar una bomba de vacío, la presión de salida de la trampa de vapor es menor que la presión de entrada y permite que el condensado sea descargado por la trampa. Dependiendo de la capacidad de la bomba de vacío, se podrían manejar varias trampas. El incremento de la presión de entrada puede ser alcanzada al cambiar la configuración del sistema para incluir alguno de los siguientes puntos: • Trampa de vapor que descargue a un tanque de flasheo con una bomba mecánica. • Trampa de vapor que descargue a un tanque de flasheo con una bomba motorizada. Cuando utilizamos una bomba o la combinación trampa/bomba mecánica, se aplica aire o vapor a presión al condensado acumulado para incrementar la presión de entrada (primaria) para que esta sea mayor a la presión de salida (secundaria) de la trampa. Esto forzara la descarga de condensado antes de que se acumule dentro del equipo. Al instalar una bomba mecánica equipada con una trampa interna, y utilizar presión de vapor de otra línea, es posible descargar el condensado inmediatamente sin que exista ninguna acumulación dentro del equipo (en la zona de transferencia de calor). Este tipo de bomba/trampa también permite eliminar cualquier temor de cavitación. • Trampa/Bomba Mecánica.

Bomba de vacío

Trampa/Bomba mecánica

Al instalar una bomba mecánica, con el uso de una trampa de vapor que descargue a un tanque de flasheo, es posible descargar el condensado de la trampa ya que la presión secundaria de la trampa (contrapresión) se reduce. La bomba es utilizada cuando el condensado se retorna a un lugar elevado. De igual manera este equipo elimina cualquier temor de cavitación.

La contrapresión en pequeña

Bomba mecánica

Al instalar una bomba motorizada, es posible descargar el condensado de la trampa ya que se reduce la presión secundaria (contrapresión) de la trampa. La bomba es utilizada cuando el condensado se retorna a un lugar elevado. Cuando se utiliza una bomba motorizada centrífuga, requerirá de un sistema para evitar la cavitación.

La contrapresión en pequeña

Bomba motorizada