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Intercambiador de Placas parte 2

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Materiales de Juntas El sellado y estanqueidad entre las placas se consigue mediante juntas que van colocadas entre ellas; las que a su vez tienen también por finalidad direccionar el flujo de fluidos a través del conjunto de placas. El material de las juntas está directamente ligado a las exigencias del servicio, esto es: presiones y temperaturas de operación y de las características fisicoquímicas de los fluidos manejados (ácidos, álcalis, sólidos abrasivos, etc). Las juntas pueden ir pegadas a las placas o con algún dispositivo de grampa (clip).Las juntas pueden ser de diferentes materiales entre los que encontramos:

Materiales de las juntas          Temperatura               Aplicacion
de las juntas                          máxima operación
Goma Nitrilica                           135                        agua, ceite mineral, vegetal.
Goma EPDM                                60                        agua claliente, agua con vapor.
Neopreno                                    70                        Refrigeracion R22 R134.
Goma butílica                            150>                      ácidos, álcalis, aceites, aminas.
Goma base fluorelastómero        180                       ácidos minerales, vapor, aceite.
Juntas a base de grafito             500                       producto orgánico, minerales.
En algunos equipos donde la posible pérdida de estanqueidad de las juntas y mezcla de los fluidos puede ser perjudicial (contaminación o reacción peligrosa), se recurre a placas dobles especiales que permiten evacuar la fuga hacia el exterior previniendo el contacto entre ellos. La figura N°4 muestra este tipo de placas y sus juntas
Figura N°4 – Placas dobles para prevención de mezclas de fluidos

 
Operación de los intercambiadores de placas
1. Distribución y características del flujo de fluidos

Mientras que en los intercambiadores de calor de cascos y tubos (THE - Tubular heat exchangers) es posible manejar solamente una corriente fría y otra caliente en un determinado arreglo, en los intercambiadores de placas el flujo de fluidos no solamente puede ser dispuesto de diferentes formas sino también efectuar transferencia de calor en múltiples corrientes. La disposición en corrientes múltiples es generalmente aplicada en aquellos casos donde es necesario efectuar recuperación de calor entre corrientes que deben ser calentadas y luego enfriadas como sucede en algunos tratamientos térmicos de productos en la industria alimenticia, tal es el caso del proceso de pasteurización. En estos casos la distribución y recombinación de flujos de procesos es implementada en el interior del equipo, lo que trae aparejado además un importante ahorro en los costos de cañerías.
Muchos fluidos viscosos que en un intercambiador de casco y tubos tendrían un flujo laminar, en los equipos compactos presentan flujos decididamente turbulentos. La distribución del flujo a través de las placas en el caso de fluidos viscosos es en general complejo, más aún cuando el paquete de placas es largo y estará de alguna forma definida por la caída de presión a través del equipo.

La figura N° 5 muestra una disposición típica para el caso de transferencia en corrientes múltiples donde es posible efectuar distintas operaciones entre los fluidos (calentamiento, enfriamiento, etc)

Figura N°5 – Disposición multiflujo

2. Flujo de fluidos y transferencia de calor Las velocidades de escurrimiento promedio en los PHE son menores que en los THE.- Así, se encuentra en ellos un rango de velocidades entre 0.5 a 0.8 m / sec contra los 1.2 a 2 m /sec que se presentan en los intercambiadores de casco y tubos
Sin embargo, como ya dijimos anteriormente, pese a estas bajas velocidades se obtienen coeficientes totales de transferencia de calor muy superiores a los de casco y tubos Con relación a las condiciones de termotransferencia y fluidodinámicas en estos equipos, es posible manejarse dentro de los siguientes valores: •Flujo másico por unidad: 0.13 a 800 kg / sec (flujo de agua)
•Presión de trabajo: vacío a 30 bar (máximo)
•Temperatura de trabajo (PHE): - 40 a 180°C
•Temperatura de trabajo (BHE): - 195 a 225°C
•Coeficiente total de transferencia de calor (K): 3500 a 7000 Kcal. / h.m2.°C (agua -agua)
•Coeficiente total K : 800 a 2800 Kcal / h.m2.°C (soluciones acuosas – agua)
•Coeficiente total K: 300 a 800 Kcal / h.m2.°C (agua – aceite)

La caída de presión en los PHE es uno de los más importantes parámetros a definir en el proyecto de estos equipos, ya que ella puede estar restringida por aspectos económicos (costos de bombeo) o por consideraciones de procesos o una combinación de ambos. Como ya dijéramos anteriormente, esta caída de presión ocasionada por el flujo de los fluidos a través de la superficie de calefacción y de las conexiones de entrada / salida del equipo, es utilizada para generar elevados coeficientes de convección y por ende altas transferencias de calor
Afin de relacionar la pérdida de carga con la aptitud del equipo para transferir calor, se introduce el concepto de caída específica de presión, también llamada Número de Jensen (Je) Este concepto permite relacionar diferentes superficies intercambiadoras de calor y representa la pérdida de carga experimentada por el fluido durante su pasaje a través del equipo con relación al número de unidades de transferencia NTU obtenido, esto es:

Numero de Jensen : ∆P/ NTU (kg/m^2)
La perdida de carga en los intercambiadores puede ser calculada por la ecuación de cooper
               
∆P= (2f (G^2) L / g D  ρ)

 Ecuación en la que f = 2,5/ Re^0,3
con:
∆P: pérdida de carga en el equipo en kg. / m2 G: flujo másico en kg. / h.m2
L: longitud del canal de pasaje en m
D: diámetro equivalente del canal de fujo en m
ρ: densidad del fluido en kg / m3 g: constante gravitacional en m / h2
Re: Número de Reynolds
f: factor de fricción

La elevada transmisión de calor en los equipos está también asociada a la diferentes disposiciones en las que los flujos pueden ser dispuestos. Esto posibilita aprovechar las diferencias de temperaturas de manera eficiente y optimizar el proceso.
Como vimos las disposiciones posibles de flujos en estos equipos pueden ser diversas, a saber
•Flujo en serie, en el cual la corriente cambia de dirección verticalmente
•Flujo paralelo, donde la corriente se divide y luego converge sobre un mismo colector
•Sistema Loop, en el que ambos fluidos circulan en flujo paralelo
•Sistema complejo, que presenta una combinación de los anteriores (serie – paralelo)

En la figura N°6 podemos ver las diferentes combinaciones de flujo que pueden ser establecidas en estos equipos:

Figura N°6 – Arreglos de flujo en PHE

 



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Pese haber sido introducidos en la industria ya hace más de setenta años, estos equipos constituyen un ejemplo claro del desarrollo de productos y de mercado. La innovación permanente que han tenido posibilitó incorporar de manera continua nuevas aplicaciones a las distintas necesidades existentes en el campo tanto industrial, comercial como doméstico. Existen varios diseños de intercambiadores de placas, pero son dos las construcciones básicas más difundidas, a saber:
•Intercambiador de placas con juntas, designado PHE (Plate heat exchangers)
•Intercambiador de placas soldadas, designado BHE (Brazed heat exchangers).

Ambas diseños se conocen indistintamente como intercambiadores compactos Los PHE consisten en un conjunto de placas metálicas corrugadas montadas entre dos placas, una fija (bastidor) y otra móvil (de presión). Este paquete de placas a su vez, es soportado por dos barras guía, una superior y otra inferior que apoyan sobre una columna o pedestal. El sellado entre placas se efectúa mediante juntas elastoméricas quienes a su vez dirigen los fluidos por canales alternos. Las placas contienen orificios que permiten y dirigen el flujo de los fluidos. El conjunto de placas es comprimido mediante espárragos que aseguran el apriete y estanqueidad entre las mismas. Las conexiones de entrada y salida se localizan en la placa fija del bastidor salvo en el caso de que haya más de un paso, donde se utilizan ambas placas del bastidor

Los PHE son llamados también intercambiadores de placas y marcos (Plate and Frame) por su similitud constructiva con los filtros prensas. La figura N°1 muestra un esquema típico del equipo.


En el caso de los BHE, las placas están soldadas entre sí y conectadas a dos placas finales de apoyo, no existiendo en ellos las juntas ni los elementos de soporte y apriete. Las placas en estos equipos son soldadas entre sí con cobre o níquel 99% en un horno al vacío y forman una unidad compacta resistente a la presión. Este diseño ha sido concebido para las aplicaciones de alta presióny temperatura de trabajo y presentan la ventaja de poder ser montados directamente sobre las cañerías La cantidad, tamaño, material y configuración geométrica de las placas dependerá de las características del proceso, esto es, del caudal, propiedades físicoquímicas de los fluidos, temperaturas y pérdida de presión requeridas. La figura N°2 muestra un equipo armado en conjunto.

Figura N°2 – PHE armado













Construcción de los intercambiadores

La construcción de los intercambiadores está determinada principalmente por las características de las placas y en el caso de los PHE también por las propiedades de sus juntas 1. Materiales y dimensiones de las placas Las placas constituyen el alma del equipo y tanto la selección de materiales como el diseño, tamaño y cantidad de las mismas dependerá de las condiciones del servicio requerido. Las placas en general presentan un diseño en forma de “ tabla de lavar “ que reconoce cinco segmentos funcionales, a saber:
•Segmento de ingreso del fluido en la parte superior (Inlet port)
•Segmento de distribución del fluido
•Segmento o área principal de transferencia de calor
•Segmento colector de fluído
•Segmento de egreso del fluido (outlet port)

Los materiales de construcción de las placas en los PHE pueden ser de los siguientes materiales: •Aceros inoxidables austeníticos, tipo AISI 304, 316, 318, 312 (aplicaciones generales)
•Titanio, Titanio Paladio
•Niquel
•Hasteloy
•Grafito Diabon F100 / NS1 (servicios muy corrosivos)

En los intercambiadores soldados las placas son únicamente de acero inoxidable AISI 316 Las placas pueden construirse en diferentes medidas y espesores, variando entre las siguientes dimensiones:

•Espesores de placas: 0.5 a 1.2 mm
•Area de intercambio por placa: 0.032 a 3.4 m2
•Area de intercambio por unidad: 0.1 a 2200 m2 . En los BHE máx (70 m2)
•Espaciado entre canales: 1.6 a 5.5 mm
•Dimensiones placas: ancho (0.2 a 1.5 m) y alto (0.5 a 3 m)
•Dimensiones por unidad: 0.5 a 6 m
•Dimensiones de las conexiones: 1” a 18”. En los BHE máx (4”)
•Tipo de conexiones: roscadas, socket, bridadas o Victaulic

2. Diseño de las placas El diseño de estos elementos está directamente relacionado con las características de la aplicación buscada, esto es, su configuración dependerá de:

•Tipo y propiedades de los fluidos que intercambian calor (líquidos, gases, vapores, emulsiones, viscosidad, presencia de partículas o fibras, corrosivos, fouling, etc)
•Servicio buscado, calentamiento, enfriamiento, evaporación, condensación, etc. •Caudales manejados, tiempos de retención y pérdidas de presión permitidas

El diseño corrugado de las placas crea conductos a través de los cuales circulan los fluidos en capas de muy bajo espesor y con gran turbulencia, lo que origina una alta transferencia de calor. Este escurrimiento turbulento a través de las placas hace también que los depósitos causados por fluidos sucios sean continuamente removidos de la superficie de transferencia durante la operación, lo que se traduce en un mayor coeficiente total de transferencia y en un mayor tiempo de trabajo del equipo sin necesidad de pararlo para limpieza.
La corrugación de las placas provoca turbulencia aún en flujo laminar con números de Reynolds tan bajos como Re: 10 a 500, hecho que un intercambiador de casco y tubos sería imposible

El flujo turbulento producido por las corrugaciones rompe la película límite adherida a la superficie de transferencia dando altos coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento.

La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de película a través de las cuales se transmite el calor. Así, mientras en los intercambiadores de placas la distancia media entre ellas puede variar entre 1.6 a 5.5 mm; en los intercambiadores de casco y tubos esta distancia media podrá variar entre 12.5 y 38 mm ( tubos de ½ a 1 ½ “)
Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma encontraremos placas llamadas softque se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga y las placas llamadas hardque inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción. Estas últimas son de una geometría más complejas pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Las placas soft en cambio, son más cortas y anchas
Las placas soft en general tienen un diseño en ángulo agudo (chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos, en tanto que las placas hard presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga. Combinando diferentes diseños de canales se podrán cubrir diferentes tipos de servicios. Las placas del tipo hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor
Como veremos más adelante, la aptitud o perfomance de las distintas configuraciones geométricas de las placas para transferir calor quedan expresadas por el llamado Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units). Así veremos que las placas antes definidas como soft y hard podrán ser caracterizadas por su correspondiente NTU
El número de unidades de transferencia de calor NTU se define como: NTU = ( t1– t2) /∆ ∆∆ ∆tm Donde:t1 y t2 representan las temperaturas de entrada y salida de la placa en °C ∆ ∆∆ ∆tm: es la diferencia logarítmica media de temperaturas entre una placa y su adyacente, °C Una de las ventajas que ofrecen estos equipos es que en virtud de las diferentes geometrías de placas existentes es posible efectuar combinaciones entre ellas para optimizar el proceso térmico. De esta forma al mezclar placas con distintos ángulos y separaciones se permite satisfacer distintos requerimientos mediante configuraciones de único paso, lo que simplifica las conexiones y el mantenimiento del equipo. La figura N°3 muestra distintas configuraciones de placas indicando aquellas con alto y bajo NTU
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