COMPRENDIENDO EL ENSUCIAMIENTO: CÓMO AFECTA A LA TRANSFERENCIA DE CALOR

Además de otros factores que deben ser monitoreados durante la producción, ya sea en la industria de alimentos y bebidas, farmacéutica o en entornos industriales, debemos considerar el ensuciamiento. Es importante comprender qué es, cómo afecta a la transferencia de calor en varias aplicaciones, cómo abordarlo y, en última instancia, cómo evitarlo.

Mejorar nuestra comprensión del ensuciamiento garantizará que el equipo utilizado dure más, que los materiales no se vean afectados y que se minimicen los costos adicionales.

¿Qué es el ensuciamiento?

El ensuciamiento se produce cuando se acumulan materiales no deseados en una superficie de transferencia de calor. Considere una tubería utilizada para mover agua. Si se produce una acumulación dentro de la tubería, el flujo de agua se reduce e incluso puede que el agua se contamine.

Esto se aplica a los métodos de transferencia de calor cuando ocurre el ensuciamiento. Las sustancias como el óxido o minerales, se acumularán en las superficies del intercambiador de calor y reducirán su eficiencia, además de afectar al producto y al propio intercambiador de calor.

La suciedad depositada puede variar de sólidos hasta líquidos y gases. Estos pueden ser una consecuencia del fluido procesado, el medio ambiente o los materiales que componen el intercambiador de calor. Algunos ejemplos incluyen: sarro, sólidos en suspensión, sales insolubles y algas.

Factores de ensuciamiento

El factor de ensuciamiento es el término utilizado para referirse a la resistencia al flujo de calor debido a una acumulación de material en la superficie del intercambiador de calor. El factor de ensuciamiento estimado de un intercambiador de calor determina qué tan seguido se debe limpiar. 

Una estimación incorrecta podría dar lugar a una limpieza poco frecuente, lo que permitiría que se acumule la suciedad. Los líquidos como el fuelóleo y el agua de mar tienen factores de ensuciamiento estándar, los que son fáciles de implementar. Sin embargo, las sustancias que requieren mayor mantenimiento, como los lodos, no se les debe asignar un factor de ensuciamiento sin antes analizar cómo funciona en el sistema.

Cuatro tipos de ensuciamiento

1. Ensuciamiento por incrustaciones

Esto ocurre cuando las partículas del fluido en el intercambiador de calor se adhieren a las superficies y comienzan a formar una capa de suciedad. Los contribuyentes más comunes son el calcio, el magnesio y las sales disueltas en el agua caliente que se cristalizan en las superficies.

Las incrustaciones al interior de un intercambiador de calor pueden provocar corrosión, una reducción de la vida útil del equipo, un mayor consumo de energía y una menor eficiencia. Las incrustaciones se pueden evitar implementando un calentador de circulación que ayude a reducir la temperatura del elemento y a distribuir el calor adecuadamente. Si las incrustaciones son una preocupación, realice descargas con agua caliente un par de veces al año para eliminar las partículas.

2. Ensuciamiento por materia orgánica

Este tipo de ensuciamiento tiene que ver con el crecimiento de materia orgánica, como bacterias, algas y hongos. Es más común en aplicaciones químicas, marinas y orgánicas, donde estos crecimientos pueden prosperar; sin embargo, es muy importante controlar este tipo de ensuciamiento. De lo contrario, puede afectar a las industrias alimentarias y farmacéuticas, por ejemplo.

El crecimiento de materia orgánica puede provocar muchos daños y corrosión, y también afectar la eficiencia y vida útil del sistema de transferencia de calor. Para ayudar a evitar el crecimiento de materia orgánica, puede elegir distintos materiales al implementar el intercambiador de calor. También se recomienda limpiar regularmente los sistemas de transferencia de calor.

3. Ensuciamiento por sedimentación

Cuando existe presencia de sedimentos (por ejemplo, óxido, tierra o arena) en un sistema de transferencia de calor, estos pueden provocar ensuciamiento. Quizás una pequeña cantidad de sedimentación no cause problemas, pero, a medida que se acumula, tiene los mismos efectos en la producción que cualquier otro tipo de ensuciamiento.

Los tubos de transferencia de calor se erosionarán si aumenta la sedimentación. Eventualmente, la superficie del equipo de transferencia de calor comenzará a presentar fugas a medida que los tubos se desgastan. Para evitar este resultado utilice un calentador de circulación para realizar un control de calor adecuado.

4. Ensuciamiento por formación de coque

La formación de coque ocurre cuando la temperatura del petróleo es demasiado alta para sus límites de estabilidad, lo que hace que se acumule en la superficie. Una pequeña cantidad se acumula rápidamente hasta que las superficies se agrietan y se levantan, haciendo que se forme aún más coque y causando daños al sistema.

En este caso, es fundamental elegir los materiales correctos para evitar la corrosión y daños por el fluido. Cualquiera que sea el fluido, se debe establecer la temperatura y la potencia en consecuencia. Limpie y realice mantenimiento a los tubos de transferencia de calor con regularidad; las descargas o lavados a presión son opciones viables.

¿Cómo el ensuciamiento afecta a la transferencia de calor?

1. Costo

El primer efecto que tiene el ensuciamiento sobre la transferencia de calor es el costo. Esto se puede desglosar en cuatro secciones: costos de evitación, costos de mantenimiento, costos de recambio o reparaciones y rentabilidad.

Para las operaciones que intentan adelantarse al ensuciamiento de manera ineficiente, estas acumulan costos por evitación. Algunas aplicaciones instalarán intercambiadores de calor y tubos más grandes para permitir un mayor flujo de líquido, incluso si se produce ensuciamiento. Esto aumenta la velocidad a la que es necesario calentar y mover el líquido, lo que a su vez aumenta los costos de funcionamiento del intercambiador de calor.

Los costos de mantenimiento se acumulan cuando hay suciedad y el director de proyectos da inicio al proceso de limpieza. A medida que se produce el ensuciamiento, se requiere mantenimiento para eliminar las partículas; de lo contrario, todo el sistema fallará.

Si no se ha cumplido con las necesidades de mantenimiento, el siguiente paso será asumir los costos de recambio y reparaciones. Estos costos se pueden acumular rápidamente, ya que estas operaciones suelen ser en gran escala y complejas.

Por último, lo que esperamos es evitar una paralización del proyecto por reparaciones o por una falla del sistema. Este afecta la rentabilidad, ya que se detiene la producción. También es probable que la producción reciente no sea viable debido a la suciedad encontrada dentro del sistema. Una paralización de una planta de producción completa no es una situación que los operadores desean, pero si no se atiende el problema del ensuciamiento, es inevitable.

2. Eficiencia de la transferencia de calor y consumo de energía

A medida que aumenta la suciedad dentro del sistema, la transferencia de calor se vuelve cada vez menos eficiente. El sistema tiene que trabajar más para calentar y hacer circular la sustancia. Dependiendo de los materiales, la suciedad también puede erosionar las superficies de las tuberías hasta que comiencen a presentar fugas, exponiendo el interior a más contaminantes y desperdiciando recursos.

3. Producción de sustancia

Especialmente cuando se trata de la producción de alimentos, bebidas y farmacéuticos, el ensuciamiento puede inutilizar la producción. Si los líquidos que se están calentando y transfiriendo entran en contacto o reacciona químicamente con las partículas que se han desarrollado en las superficies de las tuberías, ya no se podrán utilizar. Esto conduce a un gran desperdicio en la producción, la necesidad de drenar el sistema, y un gasto de tiempo y dinero para reiniciar después de un retraso.

¿Cómo abordar el ensuciamiento?

1. Los cuatro tipos de limpieza

Existen cuatro maneras en que se puede limpiar el ensuciamiento dependiendo del tipo de materiales y líquidos que se utilicen.

• La Limpieza química requiere productos químicos para disolver depósitos no deseados. Es una buena opción para las incrustaciones, crecimiento de materia orgánica y coque.
• La limpieza mecánica se utiliza cuando es seguro para una persona utilizar herramientas, como cepillos y una lavadora de alta presión, para la eliminación de los depósitos.
• La limpieza térmica quema los depósitos utilizando altas temperaturas. Utilice esta opción para el crecimiento de materia orgánica, como grasa y aceite.
• La limpieza ultrasónica utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para eliminar incrustaciones y depósitos de ensuciamiento biológico.

2. Velocidad del fluido

Los fluidos que viajan a velocidades más altas ayudarán a eliminar los depósitos a medida que se desplazan. Esto solo es útil cuando hay una pequeña cantidad de suciedad y cuando el líquido se puede transferir de forma segura de esta manera.

Mantener una velocidad de flujo constante también disminuye las posibilidades de que los depósitos se asienten en la superficie, ya que no tienen posibilidad de acumularse ni adherirse. Es más probable que los depósitos se asienten en áreas de baja velocidad o si hay una pausa en la producción.

3. Temperatura del fluido

Cuando la temperatura de un calentador de circulación o calentador de inmersión aumenta o permanece en temperaturas extremas, es más probable que se produzcan depósitos de incrustaciones y crecimiento de materia orgánica. Esto se puede evitar con temperaturas más bajas o distribuyendo la fuente de calor con múltiples calentadores de circulación para evitar las gradientes de temperatura.

4. Química del fluido

Considere la composición del fluido que se va a transferir. A determinadas temperaturas o velocidades, algunas sustancias pueden reaccionar o separarse en múltiples sustancias, las cuales se pueden convertir en depósitos. 

5. Materiales de los intercambiadores de calor

No todos los materiales trabajarán con cualquier temperatura y líquido, gas o sólido. Es importante utilizar materiales que complementen la sustancia en el intercambiador de calor. Cuando exista una posibilidad de corrosión, utilice materiales anticorrosivos como acero inoxidable, titanio y aleaciones. Luego, considere la superficie del material. Las temperaturas más rugosas acumularán suciedad con mayor facilidad.

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