Los 9 fallos más comunes en la instalación y puesta en marcha de un intercambiador

Cuales son los 9 fallos más comunes en la instalación y puesta en marcha de un intercambiador:

En los más de 40 años de historia de SACOME como referente en el campo de los intercambiadores de calor e industria de procesos, nuestra compañía ha suministrado miles de equipos para múltiples y diversas aplicaciones.

En el presente artículo hemos recogido los fallos más típicos a la hora de realizar la instalación y puesta en marcha de un intercambiador de calor, errores que pueden tener un impacto negativo sobre el rendimiento del equipo, incluso en algunos casos pueden llevarlo a la rotura o colapso.

Por ello recomendamos a nuestros clientes seguir los consejos de nuestro Departamento Técnico, así como las recomendaciones de instalación recogidas en nuestro manual de instrucciones y operación.

1. Disposición incorrecta de los sentidos de circulación de los fluidos en el intercambiador.

Atendiendo a los sentidos de circulación del flujo del fluido caliente y del fluido frío en un equipo, hay 2 maneras de instalar un intercambiador de calor, como se puede observar en la siguiente imagen:

Salvo en algunas aplicaciones muy específicas, un intercambiador de calor tiene una mayor eficiencia cuando es instalado en contracorriente, ya que con esta disposición se consigue una mayor diferencia logarítmica media de temperaturas (abreviadamente, LMTD) entre el fluido caliente y el frío, lo que se traduce en un mayor rendimiento térmico y, por tanto, en una menor superficie de intercambio requerida. No obstante, en algunos procesos específicos puede ser preferible una disposición en equicorriente, por lo que nuestro Departamento Técnico le recomendará la mejor solución para su caso particular en fase de diseño.

Una vez dicho esto, cuando el cliente procede a la instalación y puesta en marcha del equipo, puede por error disponer incorrectamente las entradas y salidas del servicio, en cuyo caso el equipo puede quedar instalado en equicorriente en lugar de contracorriente, lo cual, por los motivos expuestos más arriba, puede tener un impacto negativo en el rendimiento del intercambiador de calor.

Para ilustrar esta situación pondremos un ejemplo. En el cálculo térmico que adjuntamos más abajo, reproducimos un proceso calculado en contracorriente:

Ahora simularemos el mismo intercambiador con el mismo proceso, pero en esta ocasión consideraremos disposición en equicorriente:

Como podemos observar, el equipo pasa de poder realizar perfectamente el proceso (pues el exceso de área es 14.92 %) a tener un exceso de área negativo (-29.33 %), por lo que faltará área de intercambio y no se podrán alcanzar las temperaturas. La explicación para esto es que la diferencia logarítmica media de temperaturas (en las hojas de cálculo lo vemos como EMTD) se reduce de 26 ºC (para contracorriente) a 16 ºC (en equicorriente), mermando el rendimiento térmico del equipo.

En la práctica, para evitar este tipo de problemas, basta con respetar la disposición de entradas y salidas recogida en el plano de fabricación que enviamos al cliente, y que en la gran mayoría de casos se corresponde con una disposición en contracorriente.

2. Sobrepresiones debido a un circuito de agua cerrado mal diseñado.

Existen diferentes motivos por los que puede aparecer una sobrepresión inusual durante la operación de un intercambiador de calor tubular, como golpe de ariete o sobrecalentamiento de uno de los fluidos de trabajo, entre otros. Esta sobrepresión puede dar lugar tanto a una deformación plástica como a la rotura parcial o total de la camisa o los tubos interiores, o el colapso del fuelle, efectos que pueden llegar a inutilizar el equipo.

A este respecto, adjuntamos algunas fotos típicas de colapso de intercambiadores y, en particular, de la junta de expansión, por sobrepresiones en lado camisa:

En el caso que nos ocupa, sobrepresión en un circuito de agua caliente mal diseñado, es imprescindible instalar un vaso o depósito de expansión en el lazo cerrado de agua. Este componente tiene la función de absorber el aumento de presión del fluido caloportador (por ejemplo agua o agua glicolada), cuando éste se calienta. Dicho fluido, al incrementar su temperatura, tiende a aumentar también su volumen, y si el fluido está en un volumen cerrado y no hay ningún componente que pueda absorber esta dilatación, aparecerán importantes sobrepresiones que pueden llegar a colapsar elementos como la junta de expansión o los tubos interiores del intercambiador.

A continuación, incluimos el esquema típico de un lazo de agua cerrado donde, entre otros componentes necesarios, como bombas, manómetros, válvulas, drenajes o mirillas, podemos ver el vaso o depósito de expansión. Esta es una instalación típica en procesos de recuperación de calor en una planta.

3. Bloqueo de los soportes.

Dependiendo de la disposición en planta del equipo (instalación horizontal, vertical, uno o varios módulos en serie, etc.), el intercambiador puede ir apoyado o soportado sobre la cimentación de una manera u otra. Por ejemplo, en el caso de un único módulo con disposición horizontal, éste puede ir apoyado en 2 cunas o patas soporte, como se puede apreciar en la siguiente figura:

Si los pernos de fijación al suelo están anclados de manera que no permiten el movimiento del mismo, se producirán sobreesfuerzos en la junta de expansión así como en las soldaduras tubo-placa, pudiendo ocasionar grietas en dichas soldaduras. Teniendo esto en cuenta, si el intercambiador se encuentra fijado en 2 puntos, conviene dejar uno de ellos deslizante o de manera que permita la libre dilatación.

En muchas ocasiones el soporte o bastidor forma parte del alcance de suministro, en cuyo caso ya tenemos en cuenta este tipo de detalles constructivos. Ahora bien, si este no es el caso y el cliente decide realizarlo por otros medios, es importante que la empresa instaladora tenga este tipo de detalles en cuenta, con el fin de evitar tensiones (y posibles roturas) en el equipo. Esta es una de las recomendaciones que recogemos en nuestro manual de instrucciones y operación.

4. Mal diseño de la línea de condensados.

En un condensador o intercambiador agua / vapor, si el purgado de condensados no se lleva a cabo adecuadamente, el lado carcasa puede comenzar a inundarse, causando que el vapor al entrar choque en la capa de líquido y provoque fuertes ruidos y vibraciones. Para detectar esta anomalía basta con tocar con cuidado la parte superior y la parte inferior de la carcasa del equipo una vez que esté funcionando con vapor. Si la parte superior está caliente y la inferior fría, es posible que la carcasa esté inundada hasta el nivel en el que cambia la temperatura de la superficie. Esta anomalía es uno de los tipos de golpe de ariete que se pueden dar en una línea de procesos.

5. Excesivo ensuciamiento o “fouling”.

El “fouling” es un fenómeno que disminuye el coeficiente de transferencia térmico, aumenta las pérdidas de carga e incluso puede activar y acelerar los procesos de corrosión. Existen diferentes mecanismos de ensuciamiento: cristalización (típico en aguas muy duras y ricas en sales como carbonato cálcico, cal), sedimentación (deposición de arena, óxido u otros sólidos en suspensión), químico (en procesos donde el producto se puede degradar por la temperatura), congelación (cuando una fracción del producto se congela por las temperaturas de proceso), biológico (cuando se procesa agua no tratada, de modo que pueden proliferar diferentes tipos de organismos o microorganismos), precipitación de proteínas (típico en productos derivados de la leche), entre otros.

Dada la complejidad de este fenómeno, la solución tampoco suele ser trivial y suele implicar diferentes aspectos. Con el fin de minimizar el problema y aumentar los tiempos de producción entre limpiezas, se pueden hacer las siguientes actuaciones:

• A la hora de realizar el cálculo térmico, se puede considerar un elevado exceso de área o introducir factores de ensuciamiento, a modo de factor de seguridad. Esto dará al equipo un margen para ensuciarse y seguir alcanzando las temperaturas.
• Hacer circular el fluido más “sucio” en el lado tubos, que es más fácil de limpiar que el lado camisa.
• Diseñar el equipo para asegurar una elevada velocidad de proceso para el fluido de proceso, minimizando el fouling.
• Disponer de un diseño de placa tubular bridada para en caso necesario poder desmontar la reducción o cabezal y poder acceder a lado tubos.
• En caso de que el fluido sucio circule por lado camisa, optar por un diseño de haz tubular desmontable.

6. Propiedades de producto diferentes a las consideradas en fase de diseño.

Este no es un fallo que podamos asociar a una incorrecta instalación o puesta en marcha, más bien es un error de diseño, pero dado que en ocasiones puede ser subestimado, creemos conveniente incluirlo en este artículo.

Para simular correctamente el cálculo térmico de un intercambiador de calor, es imprescindible conocer con la mayor exactitud posible las propiedades térmicas de los fluidos que circulan por el lado tubos así como lado camisa.

Las principales propiedades térmicas son la densidad, calor específico, conductividad térmica así como las viscosidad o curvas de viscosidad, dependiendo del comportamiento newtoniano o no newtoniano del fluido.

En SACOME disponemos de una considerable base de datos de más de 600 fluidos. Por otro lado, gracias a nuestra estrecha colaboración con los laboratorios de diferentes universidades, en el caso de que el producto a procesar sea un producto nuevo en el mercado o nuestro cliente desconozca los parámetros mencionados más arriba, podemos realizar ensayos de propiedades en sus laboratorios. Esto nos proporciona una base muy sólida sobre la que realizar el cálculo del equipo más adecuado a las necesidades del cliente.

A continuación, vamos a ilustrar con un sencillo ejemplo la influencia que la variación de algunos de estos parámetros puede tener sobre el rendimiento de un intercambiador de calor.

Dado un programa de temperaturas aleatorio, este es el cálculo térmico de un equipo para el que hemos supuesto que tanto en lado camisa como en el lado tubos circula agua:

Y este es el cálculo para el mismo intercambiador, pero en este caso el fluido tiene 5 cP de viscosidad, del orden de la viscosidad de determinados zumos:

Como se puede observar, el cálculo con el fluido más viscoso da un exceso de área claramente negativo, y faltaría área de intercambio para realizar el proceso. En cambio, en el primer caso (producto con la viscosidad del agua) el proceso se realizaría perfectamente. Con el fin de evitar este tipo de problemática, será importante transmitir a nuestro Departamento Técnico toda la información disponible sobre los productos a procesar, con el fin de que nuestros técnicos puedan asumir las propiedades térmicas adecuadas.

Dada la trascendencia que puede llegar a tener este aspecto, dedicamos un artículo técnico para abordarlo en mayor profundidad:

https://www.sacome.com/analisis-propiedades-termicas-fluidos/

7. Corrosión por emplear un fluido de limpieza demasiado agresivo.

El ensuciamiento o “fouling” en un intercambiador de calor es un fenómeno complejo que puede dar lugar a diferentes tipos de depósitos e incrustaciones, como depósitos de aceites y grasas, incrustaciones de cal, diferentes tipos de depósitos orgánicos, lodos u óxidos metálicos. En caso de realizar limpieza química (Cleaning-in-Place o abreviadamente CIP), se pueden emplear soluciones de limpieza con diferentes agentes y concentraciones, como por ejemplo ácido clorhídrico (HCl), ácido fosfórico (H₃PO₄), ácido nítrico (HNO₃), ácido cítrico (C₆H₈O₇), sosa cáustica (NaOH) y diferentes polifosfatos (como NaPO₄ o Na₃PO₄).

Algunos de estos agentes son muy agresivos, lo que unido a las temperaturas a las que dicha limpieza química se suele efectuar (normalmente entre 60 ºC y 80 ºC), puede ocasionar problemas de corrosión (generalizada o localizada, como corrosión por picaduras o por intersticios) en el material de construcción del intercambiador.

A continuación, damos algunas pautas muy básicas a tener en cuenta a la hora de realizar limpieza CIP:

• Consultar con una empresa especializada los productos de limpieza y concentraciones a emplear, así como el protocolo de limpieza, teniendo en cuenta el material de construcción del intercambiador, tanto de los tubos como de las juntas.
• Solamente hacer circular productos de limpieza y concentraciones siguiendo las recomendaciones de esta empresa especializada. Productos como ácido clorhídrico (HCl), ácido fosfórico, ácido nítrico, entre otros, pueden ser muy agresivos a elevadas temperaturas.
• Una vez finalizado el ciclo de limpieza química, será conveniente proceder al enjuague completo con agua. En caso contrario, la solución puede decantar y en determinadas zonas del equipo aumentar la concentración del elemento limpiante, elevando el riesgo de corrosión.

8. Corrosión por emplear un agua de servicio con elevado contenido en cloruros.

En ocasiones el cliente emplea un agua de servicio no tratada o de baja calidad, con gran cantidad de ppm de sales e iones cloruro, lo que, unido a temperaturas de proceso elevadas, puede dar lugar a corrosión localizada si la calidad de inoxidable empleada no es la adecuada.

En la imagen podemos ver la conexión de entrada de camisa de un equipo con un agua de servicio con una elevada dureza y ppm de Cl- lo que ha ocasionado un elevado ensuciamiento además de dar inicio a corrosión de los tubos.

9. Congelación de producto.

Si al parar el sistema, las unidades no se drenan completamente, quedando fluido en su interior, y la temperatura ambiente baja por debajo de 0ºC, existirá el riesgo de congelación de este producto estancado, lo que puede dañar los tubos de los intercambiadores, para lo que recomendamos que se dispongan válvulas de drenaje en los puntos más bajos de la instalación. En la imagen se puede ver un equipo colapsado por agua que ha quedado retenida en su interior y que ha solidificado al bajar la temperatura por debajo de 0ºC.

Otra posible solución es utilizar soluciones con anticongelante (por ejemplo propilén glicol en una proporción adecuada), con un menor punto de congelación que el agua.

Por todo lo anterior, recomendamos a nuestros clientes seguir las recomendaciones de nuestro Departamento Técnico y los procedimientos recogidos en nuestro manual de instrucciones y operación.

Documentación técnica sobre nuestros intercambiadores de calor