¿Puede un intercambiador de placas trabajar con vapor? Límites de temperatura, drenaje de condensado y estancamiento
Sí, un intercambiador de placas puede calentarse con vapor. Los intercambiadores de placas vapor-agua son habituales en subestaciones de calefacción urbana, sistemas de agua caliente, plantas de alimentación y bebidas y muchos procesos de calentamiento. Pero el vapor perdona menos que un servicio agua-agua. Tres preguntas deciden si un equipo de placas es la opción adecuada: ¿soporta el sellado la temperatura del vapor?, ¿puede el condensado salir libremente de las placas con cualquier carga? y ¿con qué frecuencia cambia la carga?
Esta guía está pensada para compradores e ingenieros que estudian un intercambiador de placas para vapor y quieren hacer las preguntas correctas a los proveedores. El catálogo de productos de este sitio incluye intercambiadores de placas con juntas, intercambiadores de placas soldadas, intercambiadores de placas y carcasa e intercambiadores de carcasa y tubos. Para un proyecto concreto, envíe los datos de vapor y condensado mediante el formulario de solicitud de oferta.
1. Empezar por la temperatura del vapor
El vapor saturado está más caliente cuanto mayor es su presión, así que incluso un vapor «de baja presión» puede estar ya cerca del límite de una junta. La tabla recoge las temperaturas de saturación de las tablas de vapor IAPWS-IF97. La presión manométrica es aproximadamente 1 bar inferior a la presión absoluta.
| Presión del vapor, bar(a) | Aprox. bar(g) | Temperatura de saturación |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 120,2 °C |
| 4 | 3 | 143,6 °C |
| 6 | 5 | 158,8 °C |
| 8 | 7 | 170,4 °C |
| 10 | 9 | 179,9 °C |
El vapor sobrecalentado está más caliente que la temperatura de saturación a su presión, así que indique la temperatura real del vapor además de la presión. Indique también la presión más alta que puede alcanzar el lado de vapor, por ejemplo si la válvula de control falla abierta, y no solo la presión normal de operación.
2. En un equipo con juntas, el límite lo pone la junta
Las placas de un intercambiador de placas con juntas suelen ser de acero inoxidable y rara vez limitan el servicio con vapor. Lo limita la junta. Una guía de juntas publicada por Heat Exchanger World da al NBR (nitrilo) un rango de unos -10 °C a 110 °C y presenta el EPDM como el material para agua caliente y vapor, con un rango de unos -10 °C a 150 °C. Las calidades de EPDM resistentes al vapor llegan más lejos: en 2006, Alfa Laval indicó que su material de junta EPDMP permitía a sus intercambiadores de placas operar hasta 180 °C, 20 °C más que sus juntas anteriores. En este sitio, el intercambiador de placas con juntas de Shanghai Heat Transfer Equipment indica una temperatura de diseño de hasta 180 °C, con juntas de NBR, HNBR, EPDM, H-EPDM y FKM.
De ahí se derivan dos consecuencias prácticas. Primera: una junta que trabaja cerca de su temperatura máxima envejece más deprisa que una que conserva margen, así que pida la vida esperada de la junta a su temperatura de operación, no solo su valor máximo. Segunda: los valores dependen de la formulación exacta y del proveedor, por lo que la oferta debe indicar la formulación propuesta para el lado de vapor y su límite de temperatura en vapor.
3. El condensado tiene que poder salir de las placas
En un intercambiador de placas calentado con vapor, el vapor entra por una conexión superior, se condensa sobre las placas y el condensado sale por una conexión inferior. Todo lo que retenga el condensado inunda parte del paquete de placas. Spirax Sarco señala dos causas principales de este anegamiento: un purgador de vapor mal elegido y el estancamiento («stall»). Un equipo anegado pierde superficie de intercambio, su temperatura de salida se vuelve difícil de controlar y pueden aparecer golpes de ariete y corrosión.
Buenas prácticas en el lado del condensado:
- Utilizar un purgador que descargue el condensado en cuanto se forma. Los montajes que Spirax Sarco describe para intercambiadores utilizan purgadores de boya.
- Instalar el purgador por debajo de la salida de condensado, para que este llegue por gravedad.
- No elevar el condensado justo después del purgador si la presión del vapor en el intercambiador puede bajar mucho.
- Dimensionar la salida y la tubería de condensado para el caudal de condensado más alto, no solo para el normal.
4. Estancamiento: por qué un calentador de vapor se inunda a carga parcial
La mayoría de los intercambiadores de vapor controlan la temperatura de salida con una válvula en la entrada de vapor. Cuando baja la carga, la válvula cierra y la presión dentro del intercambiador cae. Spirax Sarco define el estancamiento como la reducción o la interrupción del flujo de condensado que se produce cuando la presión en el intercambiador es igual o inferior a la contrapresión total sobre el purgador. El condensado retrocede entonces hacia el intercambiador.
El estancamiento es más probable cuando:
- la temperatura de entrada del fluido secundario sube, o su caudal baja, al disminuir la carga;
- se reduce la consigna de temperatura de salida;
- el condensado debe elevarse o devolverse a una red de condensado con presión;
- el intercambiador tiene más superficie de la que necesita el servicio. Spirax Sarco señala que, por los factores de seguridad y los tamaños estándar, los intercambiadores suelen tener más superficie de calentamiento de la necesaria, lo que hace bajar aún más la presión del vapor a carga parcial.
Spirax Sarco describe tres formas básicas de tratar el estancamiento:
| Enfoque | Cómo funciona | Cuándo encaja |
|---|---|---|
| Rompedor de vacío y drenaje por gravedad | Un rompedor de vacío después de la válvula de control deja entrar aire, y el condensado drena por gravedad a un purgador de boya instalado de 0,5 a 1 m por debajo de la salida, que descarga a presión atmosférica o a un depósito venteado | El condensado puede caer libremente a un desagüe abierto o a un depósito venteado |
| Bomba-purgador | Una bomba accionada por presión combinada con un purgador de boya evacua el condensado incluso cuando la presión del vapor es inferior a la contrapresión | El condensado debe elevarse o devolverse a una red con presión |
| Presión de vapor estable | La temperatura se controla en el lado secundario, de modo que el espacio de vapor se mantiene siempre por encima de la contrapresión | El proceso permite controlar en el lado del agua o del producto |
Las mismas reglas valen para los equipos de placas y los tubulares. Al comprar, aclare quién diseña y suministra la válvula de control, el conjunto de purga y el retorno de condensado: el proveedor del intercambiador, un integrador de skids o su propio instalador. Muchas ofertas cubren solo el intercambiador.
5. Ciclos térmicos y arranque
El vapor calienta muy deprisa un paquete de placas frío. Las variaciones de temperatura grandes y frecuentes someten a esfuerzo a las juntas y, en los intercambiadores de placas soldadas por soldadura fuerte, pueden con el tiempo provocar fatiga en las uniones de soldadura fuerte. Cuando el proceso lo permita, abra lentamente la válvula de vapor en el arranque, evite el control todo-nada del suministro de vapor y pregunte al proveedor si fija límites de velocidad de arranque o de número de ciclos. Diga al proveedor con qué frecuencia arranca y para el equipo: un sistema de agua caliente que cicla muchas veces al día es un servicio muy distinto de un calentador de proceso que funciona en continuo.
6. Qué diseño para cada servicio con vapor
| Diseño | Dónde encaja | Qué comprobar |
|---|---|---|
| Intercambiador de placas con juntas | Vapor saturado de baja presión que calienta agua o líquidos limpios, con la temperatura del vapor dentro del límite de la junta | Formulación y vida de la junta, tamaño de la conexión de vapor, drenaje del condensado |
| Intercambiador de placas soldadas por soldadura fuerte | Calentadores de vapor pequeños y skids compactos | No se puede abrir para limpiar; ciclos térmicos; material de aporte compatible con ambos fluidos |
| Intercambiador de placas soldadas (tipo bloque) | Temperaturas y presiones más altas, cuando no se aceptan juntas | Acceso para limpieza, presión y temperatura de diseño, inspección |
| Intercambiador de placas y carcasa | Alta presión o alta temperatura en un equipo compacto | Qué fluido va por el lado de la carcasa, método de limpieza |
| Intercambiador de carcasa y tubos | Vapor de alta presión o sobrecalentado, cargas grandes, fuertes variaciones de carga o condensado sucio | Mayor espacio y peso; normalmente una aproximación de temperatura mayor que con placas |
Como referencia, los datos del catálogo de este sitio indican hasta 4,0 MPa y 400 °C para el intercambiador de placas soldadas HT-BLOC y hasta 6,0 MPa y 580 °C para el intercambiador de placas y carcasa de Lanshi. Son los límites de la gama; las características de un equipo concreto dependen de su diseño y sus materiales.
7. Qué enviar con una solicitud de oferta para vapor
| Dato | Qué indicar |
|---|---|
| Presión del vapor a la entrada del intercambiador | Mínima, normal y máxima, después de la válvula de control |
| Estado del vapor | Saturado, o sobrecalentado con su temperatura |
| Potencia o caudal de vapor | A la carga de diseño y a la carga mínima |
| Fluido secundario | Fluido, caudal, temperaturas de entrada y salida |
| Salida de condensado | Contrapresión, posible elevación después del purgador, tipo de retorno |
| Modo de control | Válvula en el lado de vapor, o control en el lado secundario |
| Régimen de operación | Continuo, o número de arranques y paradas al día |
| Datos de diseño | Presión y temperatura de diseño, y el código, por ejemplo PED o ASME |
| Alcance | Solo el intercambiador, o con válvula de control, conjunto de purga y skid |
La carga mínima importa tanto como la de diseño. Un equipo dimensionado solo para la punta puede pasar la mayor parte de su vida cerca del estancamiento.
8. Qué significa esto para los compradores
Un intercambiador de placas es un buen calentador de vapor cuando la temperatura del vapor se mantiene dentro del límite de la junta con margen, el condensado puede drenar con cualquier carga y la carga no se enciende y apaga muchas veces al día. Cuando la presión del vapor es más alta, el vapor está sobrecalentado o la red de condensado no puede diseñarse para evitar el estancamiento, un intercambiador de placas soldadas, de placas y carcasa o de carcasa y tubos suele ser la opción más segura. Pida a los proveedores que indiquen los límites del lado de vapor del equipo ofertado y que expliquen cómo resolvieron el drenaje del condensado en proyectos similares. Para preparar la oferta, consulte qué datos enviar antes de pedir una oferta de intercambiador y la guía para elegir entre intercambiador de placas y de carcasa y tubos.
Fuentes y páginas relacionadas
- Spirax Sarco, intercambiadores de calor y estancamiento: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/heat-exchangers-and-stall
- Spirax Sarco, métodos prácticos para evitar el estancamiento: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
- Tablas de vapor de Spirax Sarco, línea de vapor saturado seco: https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/dry-saturated-steam-line
- Heat Exchanger World, guía de juntas para intercambiadores de placas: https://heat-exchanger-world.com/?p=69916
- Process Engineering (2006), juntas EPDMP de Alfa Laval para hasta 180 °C: https://processengineering.co.uk/article/1294851/enhanced-temperature-performance-takes-gaskets-to-new-levels
- Intercambiadores de placas con juntas en HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/es/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/gasketed-plate-heat-exchanger
- Intercambiadores de placas soldadas HT-BLOC en HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/es/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/ht-bloc-welded-plate-heat-exchanger
- Intercambiadores de carcasa y tubos en HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/es/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger