Condición de interrupción en intercambiadores de vapor de placas

Si la contrapresión impuesta a un purgador es mayor que la presión disponible en su entrada, los intercambiadores de vapor de placas se dice que están en “condición de interrupción”. El condensado no puede pasar por el purgador y vuelve atrás, produciendo una pérdida del control efectivo sobre el intercambiador.

El punto en el que esta condición sucederá en una aplicación particular puede predecirse, bien por cálculo, bien trazando las condiciones de funcionamiento conocidas en un gráfico y tomando lectura de los puntos de interrupción. Ambos métodos se pueden ilustrar en ejemplos.

Cálculo de la condición de interrupción en intercambiadores de vapor de placas

Se necesita un intercambiador de calor de placas para calentar 4 kg/s de agua de 30oC a 90oC. Se dispone de vapor a 4 bar r y se asume inicialmente que habrá una caída de presión del 25% en la válvula de control de temperatura, entregando 3 bar r al intercambiador. El condensado se descarga a un sistema de retorno a 0 bar r. Para dar el rendimiento requerido y proporcionar una razonable caída de presión de aproximadamente 35 kPa al secundario, se ha seleccionado un intercambiador de calor de placas para vapor con una superficie de transferencia de calor de 2,6 m2 y un coeficiente de transmisión de calor (k) de 7.450 W/ m2 oC. Primero se calcula la carga de calor total de diseño, mediante la siguiente fórmula “A”.

Partiendo de la información ahora disponible, podemos calcular la temperatura media aritmética real, para dar el rendimiento requerido a plena carga, como se muestra en la fórmula “B”.

Como la temperatura media del secundario está fijada, la temperatura media del primario a plena carga TH(in), requerida para proporcionar esta diferencia de temperatura media aritmética global, se puede calcular mediante la fórmula “C”.

En las tablas de vapor se puede ver que esta temperatura de 112oC equivale a una presión de vapor saturado de aproximadamente 0,5 bar r. Este ejemplo muestra que con independencia de la presión de vapor disponible antes de la válvula de control de temperatura, la presión en los intercambiadores de vapor de placas dependerá del servicio real requerido y del área de transmisión de calor disponible en el intercambiador.

Puede observarse que en este ejemplo, a plena carga, no habrá condición de interrupción, ya que la presión a la entrada del purgador será de 0,5 bar r, proporcionando una presión diferencial de 0,5 bar en el purgador. Existirá condición de interrupción cuando la presión a la entrada del purgador es igual, o inferior a, 0 bar r. A esta presión la temperatura del vapor será de 100oC.

Esto puede suceder cuando una, o una combinación de las siguientes cosas sucede:

Las temperaturas de entrada y salida del secundario del intercambiador (DT del lado secundario) permanecen constantes pero se reduce el caudal.
El caudal permanece constante pero el DT del secundario se reduce – La temperatura de entrada se eleva o la temperatura de salida disminuye o ambas cosas.

El punto en el que alguna de estas cosas sucede se puede predecir mediante el cálculo. Bien la diferencia media logarítmica de temperaturas (lmtd) o la diferencia media aritmética de temperaturas (amtd), pueden usarse en los cálculos. El uso de lmtd es técnicamente correcto, mientras que amtd es de uso más sencillo.

Los cálculos realizados en este manual emplean la amtd y proporcionan soluciones suficientemente precisas para el uso práctico del día a día. Los cálculos asumen también un valor de k constante bajo todas las condiciones; en la práctica el valor de k varía cuando las velocidades y temperaturas del medio se alteran.

Un cálculo para predecir la reducción de caudal que produzca una condición de interrupción, se muestra en la fórmula ubicada en la primera imagen de este artículo.

Una vez calculado, esta fracción puede aplicarse al caudal a plena carga para predecir cuándo se dará la interrupción. En nuestro ejemplo, habrá interrupción cuando el caudal baje de 3,1 kg/s (4 kg/s x 0,77). Este cálculo está, de hecho, expresando la amtd en el punto de interrupción como una fracción de amtd a plena carga.

En el cálculo de la fracción que se debe aplicar, para predecir cuánto debe reducirse el DT del secundario (la temperatura aumenta en el lado secundario) para que haya interrupción, se utiliza la fórmula “D”, que expresa la diferencia de temperaturas entre el vapor y la salida del secundario, a plena carga, y con la interrupción expresada como fracción.

Una vez calculada, esta fracción puede aplicarse al DT del secundario a plena carga para predecir cuándo se dará la interrupción.

En este caso, será cuando el DT del secundario caiga a 27oC (60oC x 0,45) o menos. Por tanto, si la temperatura de salida se mantiene en 90oC, se producirá la interrupción si la temperatura de entrada sube hasta 63oC (90oC–27oC).