Intercambiadores de Calor: Principios, Tipos y Aplicaciones

Un intercambiador de calor es un equipo diseñado para transferir calor entre dos o más corrientes de fluidos a distintas temperaturas. En este equipo, los fluidos fluyen sin mezclarse, con el objetivo de enfriar o calentar uno o ambos fluidos simultáneamente.

Usos Principales

1. Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
2. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
3. Llevar un fluido al punto de ebullición mediante un fluido con mayor temperatura.
4. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.
5. Llevar un fluido al punto de ebullición mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Clasificación por Tipo Constructivo

Los intercambiadores de calor se clasifican en varios tipos principales según su diseño:

• Intercambiadores de tubería doble
• Intercambiadores de placa
• Intercambiadores de casco y tubo
• Intercambiadores de calor eléctricos

Intercambiador de Doble Tubo

Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Intercambiadores de Placa

Formados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc.) contenidas en un bastidor. También son conocidos como intercambiadores compactos. Admiten una gran variedad de materiales de construcción y, debido a su diseño, están limitados a ciertas presiones. Pueden ser de diferentes tipos:

• Intercambiadores de tipo placa y armazón, similares a un filtro prensa.
• Intercambiadores de aleta de placa con soldadura.

Intercambiadores de Casco y Tubo

Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un casco de mayor diámetro. Constituyen la parte más importante de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. Son los intercambiadores más utilizados en la industria química, con las consideraciones de diseño mejor definidas.

Intercambiadores de Calor Eléctricos

Este tipo de intercambiadores solo sirven para propósitos de calentamiento y calientan fluidos mediante contacto con resistencias eléctricas. Su funcionamiento consiste en la disposición de varias resistencias eléctricas, las cuales se colocan en corazas de paredes diatérmicas. Al hacer pasar un fluido por dicha coraza, se suministra energía eléctrica que es conducida por estas resistencias. El contacto con el fluido provoca que sus moléculas se agiten a grandes velocidades, liberando energía en forma de calor. Una de las aplicaciones de este tipo de intercambiador es cuando se tiene crudo emulsionado y se quiere mejorar el proceso de separación entre el agua y el crudo, lo que los hace muy utilizados en las industrias petroleras.

Aplicaciones Específicas de los Intercambiadores de Calor

Intercambiador de Calor

Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.

Condensador

Condensa un vapor o mezcla de vapores.

Enfriador

Enfría un fluido por medio de agua.

Calentador

Aplica calor sensible a un fluido.

Rehervidor

Conectado a la base de una torre fraccionadora, proporciona el calor de re-ebullición que se necesita para la destilación.

Vaporizador

Un calentador que vaporiza parte del líquido.

Clasificación por Flujo y Regeneración

Intercambiadores de Un Solo Paso y de Múltiples Pasos

Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos. Si el fluido solo intercambia calor una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso.

Intercambiadores Regenerativos

Son aquellos que utilizan el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo). Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas, donde una porción del fluido del sistema se extrae del proceso principal y este es posteriormente reintegrado al sistema.

Intercambiadores No Regenerativos

Los intercambiadores de calor no regenerativos usan fluidos separados para calentar y enfriar.

Tipos Más Utilizados

• Intercambiadores de placas y coraza: Son más económicos y menos complejos en construcción.
• Doble tubo: Por ser el más simple, tanto para el diseño como para su fabricación.
• Intercambiadores de superficie.

Sistemas de Propulsión y Gobierno Naval

Sistemas de Propulsión

Los sistemas de propulsión se pueden clasificar principalmente en:

• Sistema de propulsión con hélice de paso fijo.
• Sistema de propulsión de paso variable.

Sistema de Propulsión con Hélice de Paso Fijo (Fixed Propeller)

Las posiciones de operación normalmente son:

Muy despacio (dead slow)

Desde 0 a 40 rpm.

Despacio (slow)

Desde 41 a 55 rpm.

Media fuerza (half)

Desde 56 a 80 rpm.

Full

81 a 95 rpm.

Full de navegación (full sea)

96 a 100 rpm.

Estos pueden ser tanto avante como atrás. Cabe señalar que en posición atrás, las máximas rpm son aprox. 80 a 90 rpm, dependiendo de la nave.

Sistema de Propulsión de Paso Variable (Pitch Propeller Control)

En este sistema, al tener una variación de ángulos en las palas, se pueden distinguir dos posiciones de operación de la máquina principal, las cuales son:

• Rpm constantes: En esta posición, la variación que tiene el sistema son las revoluciones del motor y el sistema de control de las palas se mantiene estable.
• Sistema combinado: En esta posición, las revoluciones del motor se mantienen constantes y las palas de la hélice son las que tienen variación. Normalmente, esta es la posición más utilizada.

La nave además cuenta con operaciones de emergencia, las cuales se utilizan cuando hay un problema con los controles electrónicos. En este caso, es operado de manera manual.

Hélices Laterales (Bowthruster)

Disponer de una hélice de proa requiere que se disponga, a su vez, de un local en el que esté situado el motor del propulsor. Este se sitúa, como es evidente, en la proa del buque para transmitir la potencia a través de un eje. Los compartimentos pueden situarse, o no, por debajo de la línea de flotación y, en este último caso, deben ser revisados frecuentemente para evitar la entrada de agua. El túnel del eje debe ser revisado, en la medida de lo posible, para detectar, igualmente, posibles fugas de aceite o entradas de agua.

• La hélice se puede situar en el interior de un túnel protegida por rejillas y lo más cerca posible de la línea de crujía en las zonas de costado, cercanas a la proa del buque.
• El accionamiento de las hélices de proa suele llevarse a cabo mediante motores diésel, motores eléctricos o motores hidráulicos.

Las hélices laterales se clasifican en:

• Hélice de proa accionada por motor eléctrico.
• Hélice de proa de accionamiento hidráulico.

Hélice de Proa Accionada por Motor Eléctrico

Dada la dificultad de variar la velocidad de giro de motores eléctricos con convertidores de frecuencia, una solución para utilizar un accionamiento eléctrico de un propulsor de proa es que este sea de paso variable. Modificando el ángulo de las palas, puede controlarse el empuje que proporciona la hélice desde el puente de navegación. Esta disposición, sin embargo, implica el uso de un sistema hidráulico de control. No obstante, esta disposición obliga a un mayor mantenimiento y a una mayor probabilidad de fallo del equipo debido a que aumentan sus partes móviles. Además, se requiere de una central hidráulica que se encargue de suministrar presión a los equipos hidráulicos de movimiento de las palas.

Hélice de Proa de Accionamiento Hidráulico

En el caso de una hélice de proa de accionamiento hidráulico, se debe disponer siempre de una central hidráulica con la potencia suficiente para accionar el propulsor. Para ello, se requieren bombas que pueden situarse cerca o no del propulsor, de caudal variable. Estas bombas son accionadas, normalmente, por motores eléctricos y pueden ser controladas a través del puente de navegación. Dadas las altas presiones que requieren estos equipos, se suelen emplear bombas de pistón axial para bombear el aceite hasta el motor hidráulico del propulsor.

Servomotor y sus Componentes

Los servomotores son aparatos de vapor, hidráulicos o eléctricos intercalados entre la rueda del timón y el timón. Sirven para multiplicar el esfuerzo del timonel al mover la rueda del timón y así disminuir la resistencia que opone la pala al chocar contra la corriente del agua al girarla. Esta resistencia será tanto mayor cuanto mayor sea la superficie de la pala, la velocidad del buque y el ángulo de metida del timón.

El Mecanismo de Gobierno

El mecanismo de gobierno consiste en:

• El timón, el cual, accionado convenientemente, sirve para mantener o variar la dirección del buque.
• Los guardines u otros medios de transmisión entre la rueda del timón y el servomotor.
• El servomotor, que es el aparato que multiplica el esfuerzo para mover la pala del timón de una banda a la otra y, a la vez, indica el número de grados que está inclinada la pala con respecto a la línea proa-popa.

Normas de las Sociedades Clasificadoras

Según las normas de las Sociedades Clasificadoras, todos los buques deben estar dotados de dos aparatos de gobierno, con sistemas de manejo independientes el uno del otro. Cuando la eslora del buque sea igual o superior a 60 metros, un solo sistema deberá tener la suficiente potencia para accionar la pala del timón de una banda a la otra en 28 segundos con el buque a su máxima velocidad. El otro sistema manual puede ser accionado hidráulicamente mediante un circuito especial con presión de aceite que, al accionar el telemotor, la presión actúa sobre uno de los cilindros principales y aspira del otro, obligando a los émbolos principales y, por tanto, al timón. Todas las transmisiones y conductos que formen el aparato de gobierno deberán estar bien protegidos y ser de suficiente resistencia y larga duración.

Condiciones Básicas del Servomotor

1. El servomotor debe poder conectarse sus bombas desde el puente de gobierno o lugar de control apropiado.
2. El servomotor debe ser una máquina reversible para poner el timón en cualquier dirección.
3. La rotación del servomotor será tal que coincida con el mismo sentido de giro de la rueda del timón en el puente. Cuando la rueda está parada, el servomotor también deberá pararse, permaneciendo el ángulo de metida constante y se deberá poder leer este ángulo mediante un axiómetro instalado en el puente.
4. El servomotor debe pararse automáticamente cuando el ángulo de metida se hace máximo y estará dotado de sistemas de amortiguación con el fin de evitar averías.

Telemotor

Sistema eléctrico, hidráulico o una combinación de ambos, que recibe las órdenes de la rueda de gobierno y las transmite al servomotor. En un buque, hay dos telemotores que transmiten la información al servomotor por vías diferentes.

Bombas de Pistones Axiales con Placa Oscilante

La diferencia entre esta bomba y la axial en línea es que los pistones son estáticos y lo que gira es la placa inclinada. Gira la placa y produce el desplazamiento de los pistones, lo que permite que los pistones aspiren y expulsen el fluido.

Nota: 1 botella de aire = 12 partidas.

Maniobra de la Máquina:

• Certificado AMS (Máquina atendida).
• El capitán lo considera necesario.
• Problemas o desperfectos con equipos.

Bombas de Pistones Radiales

En estas bombas, los pistones están ubicados radialmente en un bloque de cilindros y se mueven perpendicularmente con relación al eje. Dos tipos básicos de bombas de pistones radiales son los de caudal fijo y caudal variable. La figura muestra el bloque de cilindros que gira sobre un pivote estacionario en el interior de un anillo circular o rotor. A medida que el bloque gira, el pistón sigue la superficie interna del anillo.

Regulaciones Marítimas (SOLAS)

Requerimientos de la Regulación 29

• El sistema debe tener un sistema principal y uno auxiliar.
• Construcción: La presión de diseño de las cañerías será al menos 1,25 veces la presión de trabajo.
• El ajuste de la válvula de alivio no excederá la presión de diseño.

Servomotor Principal

• Capaz de mover 35º de una banda hacia la otra en condiciones de alta mar y a máxima velocidad.

Servomotor Auxiliar

• Fuerza adecuada y que se pueda activar rápidamente en caso de una emergencia.
• Ser capaz de mover 15º de una banda hacia la otra en menos de 60 segundos en condiciones de alta mar y cuando la velocidad sea la mitad de la velocidad de trabajo o 7 nudos.

Regulación 30

• Los medios de indicación de las unidades de potencia (motores) que están en funcionamiento deberán instalarse en la sala de máquinas.
• Las unidades eléctricas tienen dos circuitos exclusivos, de calificación adecuada, directamente desde el panel principal y uno del panel de emergencia.

Regulación 19: Uso del Piloto Automático

Debe permitir la posibilidad de control inmediato del servomotor por parte del piloto o marino cuando se use el piloto automático en condiciones de alto tráfico, baja visibilidad o situaciones peligrosas.

• Un timonel calificado debe estar preparado en todo momento para tomar el control del servomotor.
• El control manual debe ser probado después de un uso prolongado del piloto automático.

Regulación 19-1: Operación del Servomotor

Donde la navegación requiera precaución especial, los buques deberán tener más de una unidad de energía en operaciones donde sea posible una operación simultánea.

Regulación 19-2: Chequeos y Ejercicios

Chequeos a realizar 12 horas antes del zarpe:

• Sistema principal y auxiliar del servomotor.
• Sistema de control remoto del servomotor.
• Posiciones del servomotor.
• Suministro de energía de emergencia.
• Indicadores de ángulo de la caña en relación con la posición actual.
• Alarmas de falla del sistema de control del servomotor.

Todos estos chequeos incluyen movimiento de todas las piezas, inspección visual y probar la comunicación entre sala de máquinas y puente. Los ejercicios deben ser efectuados al menos cada 3 meses y deben ser registrados en las bitácoras. Los oficiales de la nave que estén involucrados con el mantenimiento y la operación del servomotor deben estar familiarizados con el cambio a los distintos sistemas.

Pruebas:

• Propulsión: Verificar que si se corta el suministro de energía principal, entra el servomotor.
• Comunicaciones: Probar la comunicación entre sala de máquinas, cubierta, servomotor y puente.
• Manejo del gobierno del servomotor: Verificar que se pueda hacer funcionar desde las partes que se puede (máquina, puente y el propio servomotor).
• Tiempo de reacción: Verificar que el tiempo de reacción, cuando cae a banda, no sea más de 60 segundos de una banda a la otra.