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Un sistema de almacenamiento subterráneo de calor consiste, en general, en un número de intercambiadores de pozo (BHE) interconectados, cuya profundidad, H, es superior a 25 metros, que interactúan entre sí y en los cuales la potencia, Q, de inyección / extracción de energía térmica es variable. Se presenta a continuación el esquema de un sistema típico.

El almacenamiento de energia directamente en forma de calor latente o sensible, más específicamente, el almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES – under Ground Thermal Energy Storage) ha tenido en los últimos años un empuje particular. Una de las ventajas del almacenamiento de calor, es que puede ser aplicado en momentos en que la producción y la demanda del mismo se encuentran fuera de fase, con una escala de tiempo que puede variar desde la diaria a la estacional y de ello dependerá el tipo de almacenaje que se aplique (de corto plazo y de largo plazo).

Para el caso de almacenamiento de largo plazo, una de las técnicas utilizadas es el almacenamiento en subsuelo no saturado o rocoso empleando intercambiadores de calor en pozos o perforaciones verticales (BHE – Borehole Hear Exchanger). Mediante estos intercambiadores, energía térmica es inyectada o extraída del subsuelo y entregada a los consumidores ya sea en forma directa o a través de bombas de calor.

Es sabido que la temperatura del subsuelo aumenta con la profundidad debido al gradiente geotérmico. Además, este gradiente geotérmico no varía con el tiempo y, a profundidades superiores a los 10 – 15 metros, los cambios estacionales en la temperatura de superficie no tienen influencia sobre la temperatura del subsuelo.

 

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Aún cuando la variedad de intercambiadores existentes en los múltiples procesos industriales imposibilita describir un mantenimiento específico para todos los equipos intertaré resumir las directrices que definen un mantenimiento efectivo en la mayoría de los casos.

La finalidad de un mantenimiento radica en la eliminación de los depósitos que obstruyen o imposibilitan la correcta transferencia en los intercambiadores, estas suelen producirse por deposición de los sólidos en las paredes externas de los tubos, en las paredes internas de los tubos, así como en la superficie interna de la coraza, esto para el caso de los intercambiadores de tubo coraza, en los intercambiadores de placa esta incrustación se presenta entre las láminas dificultando la transferencia de calor entre los fluidos, además de ofrecer restricciones a la circulación de estos equipos.

Las técnicas varían dependiendo del tipo de incrustación y de la configuración de los intercambiadores, así un intercambiador de placas fijas debe aplicarse una limpieza por intermedio de cepillos o alta presión por el interior de los tubos y por su configuración de área confinada para la carcaza una limpieza química que permita disolver por intermedio de la circulación la mayor cantidad de sólidos adheridos a la superficie.

Los químicos comúnmente utilizados para la desincrustación de áreas confinadas suelen variar de acuerdo al material de construcción del equipo, así como el fluido que maneja el intercambiador, en el caso de agua o vapor, se utilizan desincrustantes que pueden contener ácidos fuertes o débiles dependiendo del material de contrucción del intercambiador, por ejemplo para intercambiadores de calor construidos en acero al carbono o acero inoxidable, pueden utilizarse productos basándose en ácido clorhídrico, fosfórico, cítrico y otra formulación que permita disover los minerales producto de las deposiciones del agua o del vapor estén presentes en el intercambiador, es importante señalar que estos productos deben ser formulados, tomando en consideración las posibles consecuencias de la acción del químico sobre los materiales de construcción.

Para intercambiadores de haz removible o de tubería en u el proceso se simplifica bastante ya que la posibilidad de extraer el intercambiador de la coraza permite actuar directamente sobre la superficie externa e interna del tubo, así como acceso directo al interior de la coraza. El mantenimiento puede realizarse por intermedio de cepillos de alambre circulares mechas o latiguillo de alta presión en el interior de los tubos y alta presión por el lado externo de la tubería. La coraza puede limpiarse con elementos mecánicos o presión de agua.

Para el caso de los intercambiadores de placa, dependiendo de su estado pueden limpiarse con químicos desincrustantes en el caso de agua o desengrasante para el caso de aceites, en caso de encontrarse defectos en el sistema de sellos de estos equipos es recomendable sustituir las empacaduras entre placas y limpiar placa a placa con químicos y agua a presión.

Para el caso de intercambiadores de flujo cruzado se procede de forma similar con el interior de los tubos de acuerdo al acceso que posea el equipo, (tapas removibles o agujeros de limpieza) mientras que el área de superficie extendida se limpia con agentes químicos adecuados para el material adicionando agua de alta presión.

Para equipos involucrados dentro de los procesos tales como agua helada, condensadores de gases, serpentín de inmersión y otros es importante estudiar las condiciones de proceso para establecer el mantenimiento correcto que debe aplicarse, siempre tomando en consideración que la finalidad del mantenimiento es la de liberar de incrustaciones de las superficies de contacto de los fluidos para la optimización de la transferencia de calor.

Implicaciones de un mantenimiento en intercambiadores de calor

Para cualquier equipo de transferencia de calor, el hecho de que trabaje con niveles elevados de incrustaciones o con superficies totalmente obstruidas, puede resultar en paradas de proceso imprevistas, o en su defecto una drástica disminución de las condiciones iniciales de transferencia de diseño, por lo que una política de mantenimiento en estos equipos redunda en beneficios ulteriores económicos importantes.

Los equipos de transferencia de calor son sensibles a las deposiciones de sólidos y a las obstrucciones, dado que la superficie de los tubos y carcaza son por lo general porosas, pueden producir fuerte adherencia de sólidos y posteriores socavaduras y corrosión en los materiales. Las deposiciones de agua dura producen corrosión puntual o pitting, así como abrasión de la superficie del material, otra grave consecuencia que puede presentarse en los equipos, sobre todo en los de área confinada, o placas fijas es que los depósitos de agua dura llegan a un punto de cristalización que imposibilita la acción de los químicos, produciendo perdida completa del equipo. En el caso de equipos en u las incrustaciones de agua dura dentro de los tubos pueden ser removida por mechas en la zona recta del tubo, sin embargo en las curvas esto se hace imposible, para el caso de equipos con tubería de diámetros superiores a ¾ es posible introducir un latiguillo de alta presión, aunque en la mayoría de los casos los resultados no son muy satisfactorios.


Materiales de construcción

El material más común de los intercambiadores de calor es el acero al carbono. La construcción de acero inoxidable se utiliza a veces en los servicios de plantas químicas y en la industria de alimentos donde se necesitan altas condiciones de asepsia y, en raras ocaciones, en las refinerías petroleras.

Las “aleaciones” en servicios de plantas químicas y petroquímicas, en orden aproximado de utilización, son el acero inoxidable de la serie 300, níquel, el metal monel, las aleaciones de cobre, aluminio, el Inconel, el acero inoxidable de la serie 400 y otras aleaciones. En servicios de refinerías petroleras, el orden de frecuencia cambia y las aleaciones de cobre (para unidades enfriadas por agua) ocupan el primer lugar, y el acero de aleación baja el segundo.

Los tubos de aleaciones de cobre, sobre todo el latón Admiralty inhibido, emplean en general con enfriamento por agua.

Los cabezales del lado de los tubos para el servicio con agua se hacen en gran variedad de materiales: acero al carbono, aleaciones de cobre, hierro colado, acero al carbono con pintura especial o recubiero con pomo o plástico.

Tubos bimetálicos

Cuando los requisitos de corrosión o las condiciones de temperatura no permiten la utilización de una aleación simple para los tubos, se utilizan tubos bimetálicos (o dúplex). Se pueden hacer en cualquier combinación posible de metales. Varían también los calibres y los tamaños de los tubos. Para calibres delgados, los espesores de las paredes se dividen en general en partes iguales entre los dos componentes elementales. En los calibres mayores, el componente más costoso puede comprender de una quinta a una tercera parte del espesor total.

Los tubos bimetálicos están disponibles a partir de un pequeño número de laminadores de tubería, y son fabricados únicamente bajo pedido especial y en grandes cantidades.

Espejos reversibles.

Por general los cabezales o espejos y otras piezas de los intercambiadores de calor son de metal fuerte. Los espejos bimetálicos o recubieros se utilizan para reducir los costos de fabricación de los equipos o porque no hay ningún papel metal simple que resulte satisfactorio para las condiciones de corrosión. El material de aleación (por lo general acero inoxidable, metal monel, etc.) se une o se deposita como revestimiento a un material de respaldo de acero al carbono. En la construcción de espejos fijos se puede soldar un espejo revestido de aleación de cobre a un espejo de acero, mientras que la mayor parte de espejos de aleación de cobre no se pueden soldar de una manera aceptable.

Construcción no metálica

Existen intercambiadores de tubo y coraza con tubos de vidrio. Los intercambiadores de calor de tubo y coraza de acero tienen una presión de diseño máxima de 75 psi, en cambio los fabricados con vidrio tiene una presión de diseño máxima de 15 psi. Todos los tubos tienen libertad de expandirse, ya que se emplea un sellador de teflón en la unión del espejo al tubo.

Fabricación

La dilatación del tubo en el cabezal reduce el espesor de la pared del tubo y endurece el metal. Los esfuerzos inducidos pueden provocar una corrosión por esfuerzo. La diferencia de dilatación de los tubos y la coraza en intercambiadores de espejo o cabezal fijo pueden desarrollar esfuerzos que producen corrosión.


Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y armazón) de aleta con placa soldada y de aleta con placa y tubo.

Intercambiadores de placa en espiral.

El intercambiador de placa en espiral se hace con un par de placas laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos en flujo en contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la caída consiguiente de la presión), las desviaciones y problemas de dilataciones. los sólidos se pueden mantener en suspensión. Se produce turbulencia con una velocidad de flujo más baja que en el caso de los tubos rectos.

El diseño en espiral es compacto si se toma en cuenta que puede proporcionar 167 m2 (1800 pie2) de superficie de transferencia de calor en una unidad de 1.4 m (56 plg) de diámetro. La espiral tiene, generalmente, una altura de 1.5 m (60 plg).

Los intercambiadores de calor se pueden diseñar para presiones de hasta 150 psi (10.2 atm). Los materiales de construcción incluyen el acero al carbono, acero inoxidable de los tipos 304, 316 y 430F, aleación 20, Inconel, metal monel, níquel, Hastelloy B y C, Everdur y titanio.

Intercambiadores de placa y armazón

Los intercambiadores de placa y armazón consiste en placas estándares, que sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo. La caída de presión es baja y resulta imposible que haya fugas de fluidos.

Las placas estándares de transferencia de calor (normalmente de acero inoxidable de los tipos 304 y 316, pero también de titanio, níquel, metal monel, Incoloy 825, Hastelloy C, bronce al fósforo y cuproníquel también están disponibles), comprimidas en una pieza simple de material de 1.3 a 6.4 mm (0.05 a 0.125 plg), tiene estrías para recibir empaques de goma (elastómero). El diseño corrugado de las placas les da rigidez, formenta la turbulencia de los fluidos y asegura la distribución completa del flujo. Los miembros de soporte y armazón existen en acero inoxidable recubiertos o acero dulce esmaltados. Las placas se pueden limpiear y reemplazar con facilidad. El área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de placas.

Cuando se especifica una construcción de lado del tubo de acero inoxidable o para servicios múltiples, el tipo de placa compite con el diseño tubular. Si se requiere una construcción total de acero inoxidable, el tipo de placa es menos costoso que las unidades tubulares.

El límite superior de un intercambiador de calor de placa estándar se señala que es de 650 m2 (7000 pie2) de superficie de transferencia de calor. De modo que una mida 1.1 m (4.2 pie) de ancho por 4.2 m (13.8 pies) de longitud, por 2.8 m (3.1 pies) de altura con 400 placas.

Intercambiadores de calor de aleta con soldadura fuerte

Los intercambiadores de aleta y placa de aluminio se emplean en la industria de la elaboración, sobre todo en servicios por debajo de -45.6°C (-50°F) y en los procesos de separación de gas que funcionan entre 204 y -268°C (400 y -450°F).

La superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de placas, cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas, selladas en los dos lados mediante canales o barras, para formar un paso para el flujo del fluido.


En la presente entrada he considerado presentar los diagramas (figuras) de diferentes tipos de intercambiadores de calor. Estos equipos son utilizados en algunas aplicaciones de energías renovables y es bueno saber como funcionan… espero que los diagramas sean lo bastante claros y entendibles para quienes desean profundizar en el tema.