Documento: El diseño correcto en los sistemas de intercambio de calor por lotes Fecha: 13 Enero 2015 Autor: Arnold Kleijn.

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1 Documento: El diseño correcto en los sistemas de intercambio de calor por lotes Fecha: 13 Enero 2015 Autor: Arnold Kleijn -1- Resumen En este artículo vamos a ver con detalle el sistema de intercambio de calor en operaciones por lotes. En estos sistemas, la masa contenida en un recipiente es bombeada a través de un intercambiador de calor externo para el enfriamiento o calentamiento de dicha masa. Para un diseño correcto en este tipo de sistemas, se han de tener en cuenta muchas variables, por lo que es fácil cometer errores. En este artículo repasaremos todos los parámetros necesarios para obtener el diseño óptimo. Mostraremos ejemplos de cómo un sistema de configuración errónea puede dar lugar a resultados no deseados y cómo podemos corregirla en cada caso. -2- Introducción Los sistemas de calentamiento y enfriamiento por lotes son encontrados en muchísimos lugares de la industria moderna (procesos, alimentación, farmacéutica, etc.). En estos sistemas un recipiente es llenado por el contenido y necesita ser calentado o enfriado en un período determinado. Podemos hacer una distinción entre calentamiento directo del recipiente (chaqueta o coil interno) o calentamiento indirecto usando un intercambiador de calor y una bomba de recirculación del producto. Ver la figura siguiente. Product in Product in Product in Service out Service in Service in Service out Service in Product out Product out Product out Service out Vessel + jacket Vessel + internal coil Vessel + external heat exchanger Las ventajas de usar un intercambiador de calor externo son: - Al escoger el flujo correcto de recirculación del producto es posible diseñar un intercambiador de calor con la suficiente velocidad en el lado del producto. Esto ayuda a conservar las altas tasas de transferencia de calor y ayuda a reducir los efectos negativos del ensuciamiento de las paredes de intercambio de calor. En caso de que el ensuciamiento sea un problema, se puede diseñar un sistema con dos intercambiadores (uno para la limpieza y otro para el procesamiento), o incluso se puede escoger un intercambiador de calor de superficie rascada. - Es más fácil diseñar una instalación con una gran área de superficie de transferencia de calor con un intercambiador de calor externo que con un tanque, donde el límite está definido por la geometría del tanque. - Los tanques existentes sin chaqueta o coil, pueden convertirse en sistemas de calentamiento o enfriamiento por lotes añadiendo una bomba, un intercambiador de calor las tuberías de proceso.

2 -3- Definición del sistema La siguiente figura muestra la configuración detallada de un sistema por lotes con intercambiador de calor externo. Product in LT Mp Tbi Tbe Tpo Service in TT TT Tpi TT Fs Tsi Fp FT TT Tso Product out Procedimiento por lotes: Service out - El recipiente es llenado con producto hasta el nivel deseado. Mb es el total de la masa del lote (kg). Tbi es la temperatura inicial del lote (ºC). Tbe es la temperatura deseada final del lote (ºC). - La bomba se pone en marcha y el producto se recircula. Fp es el caudal del producto (kg/hr). - El fluido del servicio se suministra al intercambiador de calor. Fs es la velocidad de flujo del fluido de servicio (kg/hr). Tsi es la temperatura de entrada del servicio (ºC). Tso es la temperatura de salida del servicio (ºC). - Progresivamente, el lote es calentado o enfriado (dependiendo si se trata de una aplicación de calentamiento o enfriamiento). Tpi es la temperatura de entrada al intercambiador de calor (ºC). Tpi es igual a la temperatura del lote. Se supone que el agitador asegura una buena mezcla y una temperatura homogénea del lote completo. - Cuando la Tbe es alcanzada, la recirculación del producto se para y el recipiente se vacía. - La instrumentación es colocada en puntos clave. Transmisores de flujo, temperatura y nivel (FT, TT, LT) hacen posible monitorizar los parámetros del proceso y controlarlo. - Es posible trabajar con diferentes tipos de fluido de servicio: Fluido de servicio isotérmico, significa trabajar con un fluido que experimenta un cambio de fase. Por ejemplo, vapor usado para calentar. La energía proporcionada al sistema es el calor latente de condensación. El vapor condensado existente tiene la misma temperatura que el vapor entrante. Fluido de servicio no isotérmico, significa trabajar con un fluido que no experimenta un cambio de fase. Por ejemplo, agua para calentar o enfriar que no se lleva hasta temperaturas de ebullición o congelación. La temperatura de salida del agua es diferente de la temperatura de entrada.

3 -4- Directrices de diseño Al diseñar un sistema de calentamiento o enfriamiento por lotes, el problema suele presentarse en un caso similar al del siguiente ejemplo: Calentamiento de 1m 3 de agua de 20 ºC a 90 ºC usando agua sobrecalentada como fluido de servicio. Tiempo requerido para el calentamiento del lote: 30 minutos máxime. Para el diseño de tal sistema por lotes hay muchas variables a tener en cuenta: flujo de recirculación, fluido de servicio, es la temperatura de entrada del servicio fija o puede ser controlada para alcanzar la temperatura deseada? Cuál es el área de transferencia de calor para el diseño? Cuál es el coeficiente de transferencia de calor esperado? Hay algún límite en el espacio para la instalación del sistema del intercambiador de calor? Cuáles son los límites de la caída de presión para los fluidos de producto y de servicio? Cuál es la masa total del sistema (recipiente + tubería + bomba + intercambiador de calor)? Etc. A continuación se van a discutir los parámetros más importantes involucrados en el diseño y se proporcionarán algunas reglas básicas que ayudarán a los ingenieros de diseños para alcanzar la mejor solución de sistema. Las reglas claves para el diseño ser resaltan en azul y negrita, para una clara identificación. Masa total del sistema En un sistema de calentamiento o enfriamiento por lotes, el material involucrado en el depósito, tubería, bomba e intercambiador de calor será una parte del proceso de transferencia de calor. En el ejemplo dado anteriormente, estos materiales también se calentarán de 20 a 90 ºC. Así que parte del calor liberado por el agua sobrecalentada es absorbida por los materiales de alrededor. Normalmente, este porcentaje de calor absorbido, es mucho menor que el calor absorbido por la masa del lote. Lo ilustraremos con un ejemplo: Masa del lote: 1000 kg de agua, calentados de 20 a 90 ºC, calor específico del agua: 1 kcal/kg.ºc. Calor necesario: 1000 x 1 x (90 20) = kcal. Masa del sistema (material: acero inoxidable): Depósito: 250 kg. Tubería: 30 kg. Bomba: 30 kg. Intercambiador de calor: 120 kg. Masa total del sistema: 430 kg. Calentada de 20 a 90 ºC. Calor específico del acero inoxidable: 0.12 kcal/kg.ºc. Calor necesario: 430 x 0,12 x (90-20) = kcal => 4,9% del total del calor necesario. El calor necesario de la masa del sistema es una pequeña fracción del total de calor necesario. Aún así, se debe evaluar de antemano cual va a ser la pérdida potencial del calor necesario de los elementos que no sean parte del contenido del recipiente. De esta forma, se pueden evitar sorpresas en los tiempos de calentamiento por lotes. La forma correcta es calcular/estimar la masa del sistema y el calor específico y uso de esta contribución en el cálculo del calentamiento por lotes. Recirculación del flujo de producto, Fp El Fp es un parámetro importante. Un cambio en el Fp tiene una influencia directa sobre el tiempo de proceso por lotes necesario. Es recomendable que durante el tiempo requerido en el proceso la masa total del lote sea bombeada a través del intercambiador de calor varias veces. Imagina un lote de 1000 litros con

4 un tiempo de tratamiento de una hora y un valor para el Fp de 1000 litros/hora. Como promedio, cada litro de producto solo pasa una vez por el intercambiador de calor, por lo que el calor se recoge una sola vez. Cambiando a un caudal de l/h, cada litro pasa tres veces. Una reducción en el caudal del producto significará una mayor área de calor necesaria para cumplir con el tiempo requerido en el proceso por lotes. Hemos visto casos en los que una reducción del 50% del Fp requiere la instalación de un 30% más de área de transferencia de calor. En general, la inversión adicional para el área de transferencia de calor es más que el coste ahorrado para una bomba con menos capacidad. Se debe tener cuidado en no seleccionar valores para el Fp demasiado altos. Esto podría conducir a un aumento de los costes de bombeo. La inversión de capital reduce los costos operativos pero pueden exceder las expectativas. Como regla general se recomienda empezar a diseñar con un caudal suficiente para bombear todo el lote tres veces en el tiempo de tratamiento definido. Flujo del fluido de servicio, Fs Para el análisis del fluido de servicio haremos primero una distinción entre fluidos de servicio isotérmicos y no isotérmicos. Para los fluidos isotérmicos el tiempo necesario no depende del Fs. Cuando se usa el calentamiento con vapor, la cantidad de vapor condensado depende de la capacidad de transferencia de calor del intercambiador de calor: U x A y la diferencia de temperatura entre el flujo de servicio y el de producto. U = Coeficiente de transferencia de calor (kcal/hr.m2.ºc). A = Área del intercambiador de calor (m2). Como el sistema es isotérmico en el lado del servicio, la diferencia de temperatura entre el flujo del servicio y del producto no cambia debido a un cambio en el caudal de servicio. En el caso de los fluidos de servicio no isotérmicos es diferente. Una reducción el Fs puede causar una mayor diferencia de temperatura entre el servicio de entrada y la temperatura de salida. El promedio de diferencia de temperatura entre servicio y producto disminuirá. La capacidad de transferencia de calor se ve afectada y se incrementa el tiempo en el proceso por lotes. También, una reducción en el Fs significa una reducción en la velocidad del fluido en el intercambiador de calor. Menos velocidad del fluido significa una reducción del coeficiente de transferencia de calor. Una vez más, el tiempo necesario en el proceso se ve afectado negativamente. Para compensar, se ha de instalar una mayor área de transferencia de calor. Demasiado flujo de servicio significa un mayor coste de bombeo necesario, por lo que hay que llevar cuidado. También se debería tener cuidado para mantener velocidades del fluido dentro de los límites con el fin de evitar vibraciones en el tubo del el intercambiador de calor. Se recomienda iniciar el diseño del proceso con valores del Fs entre dos y tres veces el valor del Fp. Temperatura del fluido de servicio, Ts Normalmente la temperatura del fluido de servicio no es un parámetro que puede cambiarse. El calentamiento o enfriamiento del agua pueden estar disponibles a partir de un sistema central que proporciona servicios para diferentes instalaciones de la planta y las temperaturas no se pueden cambiar de forma individual para un sistema por lotes. Pero hay un escenario diferente para trabajar con el vapor de la caldera, por ejemplo. Las calderas proporcionan vapor a presión de 6 a 8 bar. En el momento del consumo del vapor, la temperatura del vapor puede ser regulada a través de la instalación de válvulas para la reducción y/o control de la presión. (Vapor saturado a 6 bar tiene una temperatura de 159 ºC, reduciéndolo

5 a la presión atmosférica, 1 bar, la temperatura del vapor cae a 100 ºC). En general, cuanto mayor es la temperatura del vapor, mayor es la diferencia de temperatura entre servicio y producto y más cortos los tiempos del proceso. Para un tiempo de calentamiento fijo, la transferencia de calor necesaria para la instalación puede ser reducida incrementando la presión/temperatura del vapor de la caldera. Pero, y si la temperatura del servicio es tan alta que se produce un sobrecalentamiento del producto? En el último momento antes de alcanzar la temperatura deseada, el producto entra al intercambiador de calor con una temperatura muy próxima a la temperatura final necesaria y es muy probable que el producto salga del intercambiador de calor con una temperatura mayor que la temperatura final deseada. Esto significa que parte del lote se calienta demás y puede provocar situaciones peligrosas o no deseadas: - Temperaturas de producto pueden exceder las temperaturas del punto de ebullición en la salida del intercambiador de calor. - Calentamiento por encima de la temperatura deseada puede hacer que el producto se deteriore. Situaciones smilares pueden ocurrir en aplicaciones de enfriamiento: productos que pueden ser llevados a temperaturas por debajo de su punto de congelación. O las propiedades físicas del fluido cambian demasiado debido a temperaturas demasiado bajas. La viscosidad puede aumentar rápidamente a bajas temperaturas y esto afectará al coste de bombeo y a las tasas de transferencia de calor. Lo ilustramos con un ejemplo: 1000 kg de producto de solución acuosa (punto de ebullición 100 º C) con un calor específico de 1 kcal/kg ºC, para ser calentado de 20 a 80 ºC con vapor de la caldera en 30 minutos. La masa del sistema es igual a 200 kg de acero inoxidable con un calor específico de 0,12 kcal/kg ºC. La bomba de recirculación tiene un caudal máximo de kg/h. El ingeniero de diseño ha dado con una solución que implica una temperatura de vapor de 120 ºC y un intercambiador de calor de 1,5 m2 y un coeficiente de transferencia de calor de 2000 kcal/hr. m2.ºc. Él ha calculado un tiempo de calentamiento en el proceso de 29 minutos y 41 segundos. Se olvida de calcular la temperatura del producto a la salida del intercambiador de calor. Si lo hubiera hecho, ésta sería la tabla de temperaturas obtenida: Tiempo Tp entrada (T= T lote) Tp salida Ts entrada Hr ºC ºC ºC

6 100 ºC steam 1 bar 100 ºC liquid 105 ºC Después de unos 18 minutos las temperaturas de salida del producto alcanzan unos valores > 100 ºC y el agua se evaporará si el tanque opera bajo condiciones atmosféricas. En caso de que el producto sea inyectado en el seno del líquido en el depósito, entonces se pueden formar burbujas cuando parte del producto que entra evapora. Esto podría traer problemas, como espumas no deseadas. Al instalar una válvula de control de vapor es posible bajar la temperatura del vapor. Si el sistema hubiera sido diseñado con una temperatura de 104 ºC y un área de transferencia de calor de 2,5 m2, los resultados de las temperaturas hubieran sido los siguientes: Tiempo Tp entrada (T por lotes) Tp salida Ts entrada Hr ºC ºC ºC El tiempo total del calentamiento del lote es sólo un poco más de 30 minutos, pero la temperatura de salida del producto no ha excedido el punto de ebullición. Una mejor solución al problema sería cambiar la bomba y trabajar con un caudal mayor de recirculación del producto. Al duplicar el caudal a km/hr podemos bajar el área de transferencia de calor a 1,1 m2 y así evitar el sobrecalentamiento del producto. Tiempo Tp entrada (T por lotes) Tp salida Ts entrada Hr ºC ºC ºC

7 A un caudal de kg/hr la masa total del lote se bombea tres veces en el tiempo de tratamiento de 30 minutos. Esto coincide con la recomendación dada en el análisis previo del flujo de recirculación del producto. Se recomienda siempre comprobar la temperatura de salida del producto en el intercambiador de calor y asegurarse que se mantiene por debajo de los valores máximos aceptables. Coeficiente de transferencia de calor y área de transferencia de calor, U y A Estos dos parámetros están estrechamente relacionados en el proceso de diseño. Normalmente los caudales de producto y servicio se definen primero y luego se realiza el cálculo de la transferencia de calor. Esto puede ser calculado manualmente o usando software de transferencia de calor especializado. Basándose en las condiciones del proceso y las propiedades físicas del producto y servicio, el coeficiente de transferencia de calor se calcula en primer lugar. Con U conocido, se escoge un valor de A para cumplir con el tiempo de tratamiento deseado del lote. Los valores de A que son demasiado altos nos conducirán a costosos intercambiadores de calor. La elección puede ser realizada para cambiar las condiciones del proceso, de manera que U se incrementará y A puede ser reducida. Otra forma de reducir el área puede ser cambiar la temperatura de servicio para conseguir una mayor diferencia entre el servicio y el producto. Como hemos visto en la sección anterior, esto puede llevar a una situación no deseada, por lo que es necesario llevar precaución. Es importante que el coeficiente de transferencia de calor sea calculado con los parámetros correctos. Las propiedades físicas pueden cambiar las temperaturas. Para fluidos con propiedades físicas estables dentro del rango de temperatura, una buena aproximación es calcular U a la temperatura media del proceso por lotes. Para líquidos con valores variables, la recomendación es calcular U para las condiciones del principio y el final del proceso por lotes y después calcular el valor medio de U de los dos, para así utilizarlo en el cálculo del tiempo del proceso por lotes. Ejemplos de sistemas con cambio en los valores de U: - Calentadores de lotes usando vapor mostrarán unos mayores coeficientes de transferencia de calor al final del proceso del lote que al principio. El consumo de vapor es mayor al principio (mayor dt entre producto y servicio) y la viscosidad de los productos es normalmente menor cuando está más frío. Las altas cargas de vapor y el incremento de la viscosidad causan unos coeficientes de transferencia de calor más bajos. - Una aplicación de enfriamiento por lotes puede mostrar grandes cambios en la viscosidad del producto. Esto puede verse a menudo en aplicaciones de la industria alimentaria con productos tales como salsas o miel, donde la viscosidad aumenta al final del proceso de enfriamiento del lote, reduciendo así los coeficientes de transferencia de calor. La perdida de carga adicional requerirá una mayor potencia de bombeo para mantener la recirculación del flujo en el caudal deseado. Hay que llevar especial cuidado en la selección de la bomba para estas aplicaciones. Limitaciones de espacio Desde un punto de vista de inversión, los intercambiadores de calor tubulares para procesos por lotes están mejor diseñados largos con menos diámetro de carcasa, que cortos y con mayor diámetro de carcasa.

8 Si no hay limitaciones de espacio, entonces el objetivo son intercambiadores de calor con mayores longitudes. Para intercambiadores de calor de placas la situación es diferente, ya que estos son muy compactos por naturaleza y pueden ser diseñados para espacios mucho más pequeños. Sin embargo, ciertas aplicaciones requieren intercambiadores de calor tubulares. Si el espacio es limitado, entonces hay soluciones alternativas: - Intercambiador de calor multi paso: Por ejemplo, dos pasos de tres metros de longitud en vez de un paso con seis metros de longitud: se ahorra un espacio de tres metros. Cuatro pasos de un metro y medio de longitud ahorrarían cuatro metros y medio de superficie. El diseño multi paso a menudo es la mejor elección con fluidos isotérmicos de servicio. Para estos sistemas los perfiles de temperatura no se cruzan (en una aplicación de calentamiento, esto significa que la temperatura de salida del producto es siempre menor que la temperatura de salida del servicio). Para sistemas no isotérmicos se necesita precaución. A menudo, para aplicaciones de calentamiento, la temperatura de salida del producto es mayor que la temperatura de salida del servicio y tendremos así una situación de temperatura cruzada. Las unidades multi-paso con una temperatura cruzada son mucho menos eficientes que un intercambiador de calor de un único paso para los mismos perfiles de temperatura. Para evitar cruces de temperaturas podemos escoger trabajar con mayores caudales de producto y servicio. Esto reducirá el incremento de la temperatura tanto del producto y servicio como el flujo a través del intercambiador de calor. Intercambiadores de calor multi pasos son una buena solución para aplicaciones por lotes con fluidos isotérmicos de servicio. Para sistemas por lotes con fluido no isotérmico de servicio, se ha de evitar los cruces de temperaturas tanto como sea posible. - Si las unidades multi pasos no son una opción, entonces se puede realizar un diseño con varios módulos en serie de intercambiadores de calor de un solo paso, unidos con codos de interconexión. De esta forma, la configuración combinada puede proveer la longitud térmica total necesaria en un flujo a contracorriente puro en un pequeño espacio. La longitud térmica máxima está definida por las limitaciones del espacio. Módulos de paso único con longitudes reducidas, conectados en series, son una buena solución para aplicaciones por lotes con temperaturas cruzadas y limitaciones de espacio.