Encrustación en intercambiadores de calor es la acumulación gradual de depósitos indeseados, incrustaciones, película biológica o productos de corrosión en una superficie de transferencia de calor, y es uno de los ladrones de energía más silenciosos en una planta porque el intercambiador sigue funcionando mientras pierde capacidad lentamente.
La solución no es misteriosa (límpielo según un programa impulsado por datos, no por el calendario), pero la mayoría de las plantas sólo se enteran de que un intercambiador está encrustado después de que las facturas de energía aumentan o un proceso aguas abajo empieza a funcionar con temperatura elevada.
Una capa de depósito se interpone entre el fluido de proceso y la pared del tubo o la placa y actúa como una resistencia térmica añadida en serie con la pared, los coeficientes de película y cualquier incrustación existente.
Los ingenieros cuantifican esto con un término de resistencia por encrustación, Rf, definido como Rf = 1/Ud menos 1/Uc, donde Ud es el coeficiente global de transferencia de calor "sucio" (en servicio) y Uc es el coeficiente en limpio medido o predicho para una superficie nueva y sin encrustar.
A medida que se acumulan los depósitos, Ud cae, Rf aumenta y el intercambiador necesita una mayor fuerza impulsora de temperatura (LMTD) o un área mayor para mover la misma carga térmica.
Dado que el área instalada es fija, el resultado práctico es una temperatura de salida creciente en la corriente que se intenta enfriar, o una temperatura de salida decreciente en la corriente que se intenta calentar.
Los investigadores del fouling (la clasificación remonta a los trabajos de Epstein sobre categorías de encrustación) generalmente agrupan los depósitos en cinco mecanismos, que a menudo ocurren juntos en la misma unidad:
La temperatura de aproximación (la diferencia entre la salida del fluido de proceso y la entrada del fluido utilitario, o viceversa) es una de las huellas más directas de la encrustación.
Un intercambiador limpio funciona con su aproximación de diseño; a medida que crece la capa de encrustación, la aproximación se abre porque el calor ya no cruza la pared tan eficientemente.
Para una carga de enfriamiento, eso significa que la corriente enfriada sale más caliente que en diseño con el mismo caudal y condiciones de utilidad.
Para mantener el punto de consigna del proceso, los operarios suelen compensar aumentando el caudal de refrigerante, bajando el setpoint del agua helada o abriendo un bypass, todo lo cual supone consumo adicional de energía de bombas, del enfriador o de ambos.
La práctica de diseño ya incorpora una tolerancia por encrustación (los valores de resistencia por encrustación referenciados por TEMA para servicios típicos, como agua de torre de enfriamiento tratada o hidrocarburos ligeros, son comúnmente del orden de unos pocos diezmilésimos a unos pocos milésimos de (h·ft²·°F)/Btu) además de aproximadamente un 15 a 25 por ciento de superficie adicional
precisamente para que la unidad pueda absorber una cantidad conocida de encrustación antes de que el rendimiento caiga por debajo de la especificación. Una vez que la encrustación excede esa tolerancia de diseño, el consumo energético extra es un coste directo y continuo en lugar de un evento puntual.
La forma más fiable de detectar la encrustación tempranamente es trazar la tendencia del coeficiente global de transferencia de calor, no sólo la temperatura de salida, porque U tiene en cuenta el caudal y los cambios de LMTD que pueden enmascarar una tendencia real de encrustación si sólo se vigila un delta-T. Un enfoque práctico de monitorización:
Este tipo de trazado es la misma disciplina utilizada en la monitorización de vibraciones y condiciones térmicas en otras partes de la planta. Si ya está trazando la salud de motores y rodamientos con termografía o análisis de vibraciones, extender el mismo hábito rutinario de registro de datos al delta-T de intercambiadores cuesta poco y detecta la encrustación meses antes de que lo haría una auditoría energética.
Una vez que las tendencias muestran que Ud se ha degradado por debajo de un umbral aceptable, o que la temperatura de aproximación ha superado el punto que el proceso puede tolerar, la limpieza es la respuesta estándar. Las tres categorías generales:
| Método | Más adecuado para | Notas |
|---|---|---|
| Limpieza mecánica (limpieza con varillas, cepillado, limpiadores de tubos tipo turbina) | Partículas sueltas, incrustación blanda, lodos dentro de los tubos | Normalmente requiere abrir el intercambiador; eficaz pero laboriosa |
| Hidrochorro (chorro de agua a alta presión) | Incrustación dura, depósitos generales en cara de tubo y en camisa | Sin químicos; puede realizarse en un paro de mantenimiento sin desmontar cada haz |
| Limpieza química (circulación de ácidos o álcalis) | Incrustaciones minerales, productos de corrosión, algo de biopelícula | Puede ejecutarse en línea u fuera de línea; requiere metalurgia compatible y una neutralización/eliminación adecuada |
La elección correcta depende del mecanismo de encrustación identificado a partir de la tendencia y la inspección, por lo que diagnosticar el mecanismo (incrustación frente a biológica frente a particulada) antes de elegir un método de limpieza ahorra tanto coste como tiempo de inactividad.
Limpiar demasiado pronto desperdicia un paro; limpiar demasiado tarde significa que la planta ya ha pagado meses de energía extra y, en el peor de los casos, corre el riesgo de una pérdida total del control de la carga.
La encrustación no ocurre de forma aislada. Un tratamiento de agua deficiente que permite la formación de incrustaciones suele ser el mismo problema de química del agua que provoca daños por cavitación en las bombas que alimentan el intercambiador, y ambos problemas aparecen juntos como un aumento inexplicado del coste energético.
Reducir pérdidas evitables como la encrustación, junto con las ineficiencias de motores y bombas, forma parte de la misma disciplina cubierta en las más amplias estrategias de reducción de costes energéticos en la manufactura , y se combina de forma natural con una postura de mantenimiento preventivo en lugar de reactivo tanto en equipos rotativos como estáticos.
Fabrico lee la condición de las máquinas y el OEE directamente de la línea, por lo que una temperatura de aproximación que deriva o una pérdida de eficiencia emergente en un skid de intercambiador puede generar automáticamente una orden de trabajo antes de que se convierta en una sorpresa en la factura de energía.
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El factor de encrustación (resistencia por encrustación, Rf) es la resistencia térmica añadida causada por depósitos en una superficie de transferencia de calor, calculada como Rf = 1/Ud menos 1/Uc, donde Ud es el coeficiente global real en servicio y Uc es el coeficiente para una superficie limpia.
Las tablas de diseño (referenciadas a la guía TEMA) asignan valores típicos de Rf según el tipo de fluido para que los ingenieros puedan dimensionar una tolerancia por encrustación esperada.
A medida que se espesa la capa de encrustación, el coeficiente global de transferencia de calor disminuye, por lo que el intercambiador necesita una mayor diferencia de temperatura o más caudal para entregar la misma carga.
Eso suele traducirse en más refrigerante, más gasto de enfriador o caldera, o una salida del proceso más caliente que en diseño, todo lo cual se refleja en un mayor consumo de servicios para el mismo rendimiento.
No existe un intervalo universal; el disparador correcto son los datos, no el calendario. Trace la tendencia del coeficiente global de transferencia de calor o de la temperatura de aproximación a lo largo del tiempo y limpie cuando cruce un umbral predefinido por debajo del factor de limpieza de diseño, en lugar de fijar una fecha de limpieza por adelantado independientemente de la condición real.
No por completo, pero puede ralentizarse significativamente con un tratamiento de agua adecuado (para limitar incrustaciones y biofouling), una velocidad de fluido suficiente para reducir el asentamiento de partículas, y elecciones de materiales o recubrimientos adecuados al riesgo de corrosión del servicio específico. Las tolerancias de encrustación en el diseño y los programas de limpieza periódica existen precisamente porque se espera cierta encrustación incluso con buenas prácticas.
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