FLUX-HI SPRAY CHILLER, la solución más segura para cascadas NH3 y CO2

Los intercambiadores de calor tubos y carcasa se utilizan desde hace muchos años en el mundo de la refrigeración industrial, tanto para la refrigeración marina como para la terrestre. Desde años atrás hasta la actualidad, se vienen utilizando instalaciones de NH3 inundado, donde siempre se ha de instalar un recipiente separador de gotas de NH3. Sin embargo, desde hace algún tiempo se ha comenzado a utilizar una tecnología relativamente moderna, el Flux-Hi spray chiller.

En situaciones donde se requieren materiales específicos debido a la composición del medio/refrigerante a usar, el intercambiador de calor Shell & Tube (tubo & carcasa), suele ser una solución más óptima que el intercambiador de placas completamente soldado. Además, la restricción en la permeabilidad o limpieza de los intercambiadores de placas completamente soldados, puede ser una razón para optar por intercambiadores de calor Shell & Tube, en lugar de placas saldadas. Asimismo, en aplicaciones como transporte marítimo o industria petroquímica los Intercambiadores Shell & Tube suelen estar prescritos como solución.

Las principales utilidades del Flux-Hi mediante su sistema de pulverización son el enfriamiento de agua dulce, de mar o glicoles. Además de en la aplicación de sistemas CO2, donde se utiliza cada vez más como condensador en cascada con amoniaco como fluido evaporando.

Funcionamiento común

El principio de operación está basado en la pulverización con un refrigerante (por ejemplo, amoniaco) sobre un haz de tubos, formando así una pequeña película líquida alrededor de los mismo. En contraste a un tubo sumergido en el líquido tal y como encontramos en los evaporadores inundados, en este tipo de equipos la extracción de calor se realiza evaporando directamente la película de spray pulverizada en los tubos. En comparación a un intercambiador inundado, se requiere mucha menos superficie, el haz de tubos se encuentra en la parte inferior del intercambiador S&T dejando la parte superior como recipiente separador de líquido, evitando así la necesidad de un recipiente separador adicional en la parte superior reduciendo así la altura completa del equipo y su coste.

La circulación de NH3 en el intercambiador S&T se lleva a cabo con una bomba de recirculación, recogiendo el NH3 de la parte baja del separador e impulsándolo de nuevo hacia el separador para ser pulverizados uniformemente a través de varias boquillas que se encuentra situadas sobre el haz de tubos. El proceso de enfriamiento del medio a refrigerar se puede llevar a cabo con una diferencia de temperatura muy baja entre el propio medio y el refrigerante (<1K), gracias a la fina película que envuelve los tubos.

Todo el vapor de NH3 que se acumula en la parte superior del Flux-Hi spray chiller es aspirado por los compresores por la toma de aspiración. En esta separación que se produce entre el vapor y el líquido, juega un papel muy importante las boquillas pulverizadoras que se encuentran orientadas hacia abajo, ya que devuelven al fondo cualquier posible gota arrastrada hacia la aspiración de compresores. La entrada de amoniaco proveniente del lado alta a través de la válvula de expansión está controlada por un transmisor de nivel dispuesto en el separador que mantiene constante el nivel de NH3 por debajo de los tubos del separador. Tanto amoniaco se inyecta como el compresor aspira de modo que la operación de la bomba de recirculación sea continua e independiente de la carga del intercambiador. Debido a una construcción específica, el aceite arrastrado que viene con el NH3 de alta, es separado por completo (para su posterior recuperación) permitiendo a la bomba trabajar libre de aceite.

Ahorro de energía – superficie

Como se comentaba anteriormente, el intercambio de energía en el Flux-Hi (spray chiller) se debe a la evaporación de la película de refrigerante pulverizada sobre el haz de tubos, al estar envueltos todos los tubos por el mismo espesor de película rinden todos por igual. Por el contrario, en los evaporadores inundados tradicionales, el nivel de líquido no permite rendir de la misma forma a todos los tubos debido a la columna de líquido y presión que tienen que vencer las burbujas de vapor de NH3 (o refrigerante) formadas al evaporarse en el exterior de los tubos, perjudicando más en los tubos de mayor profundidad. Esto provoca que el coeficiente de transferencia sea más pobre en este último caso, resultando equipos de mayor superficie o de mayor salto de temperatura (temperatura de evaporación más baja) o lo que es lo mismo; mayor consumo de potencia en compresores.

Funcionamiento como chiller

Debido a que la evaporación de amoniaco puede llevarse a cabo mediante bajos ΔT entre el refrigerante y el medio a enfriar, esto hace que el chiller también sea ideal para sistemas que operan regularmente en función de la carga parcial. Pudiendo elevar la temperatura de evaporación para la capacidad deseada. Para enfriadores

Spary chillers Flux-Hi suministrados

En la actualidad se han suministrado más de 250 spray chillers Flux-Hi, incluyendo 50 como intercambiadores en cascada, con potencias que van desde 800 kW hasta 3.600 kW. ¿Qué hace que estas máquinas sean tan adecuadas para los sistemas cascada NH3/CO2?

• Flux-Hi no necesita ningún separador en la parte superior debido al bajo nivel de líquido que hay en él.
• Una significativa menor carga de refrigerante que otros sistemas.
• Este bajo nivel de líquido refrigerante que convive en el depósito permite la posibilidad de almacenaje de todo el refrigerante de la instalación, en casos de parado o mantenimiento.
• La conexión de los tubos con la placa tubular se consigue mediante expansión y soldadura de sellado para una posterior prueba de estanqueidad mediante helio.
• En el caso improbable de una fuga, está se limitará a un área muy determinada (el tubo que contenga la fuga). Se aconseja el uso de detectores HB Products para su detección inmediata, instalados en el lado de NH3 líquido.
• A diferencia de intercambiadores de placas totalmente soldadas, el Flux-Hi puede ser fácilmente reparado con periodos de fuera de servicio muy cortos (24-48h), ya que únicamente hay que actuar sobre el tubo que contiene la fuga taponándolo, con tapones cónicos de conformidad a los códigos de diseño ASME, TEMA, PED, etc

Sistemas cascada NH3/CO2

Sistema en el cual el NH₃ se pulveriza sobre los tubos tal y como se ha explicado anteriormente y el CO₂ se condensa en el interior de los mismos. La condensación de CO₂ se realiza mediante un único paso con el haz de tubos ligeramente inclinado. Dependiendo de la aplicación el CO₂, por ejemplo, para congelados, el CO₂ puede provenir de compresores en forma de gases calientes o también puede ocurrir que sea a través de un sistema de CO₂ bombeado donde el retorno húmedo se dirige al interior de los tubos para su nueva condensación, en estos casos la tasa de recirculación será mayor que 1.

Ambos casos, tanto gas comprimidos como retorno húmedo pueden llevarse a cabo en el mismo equipo mediante una distribución adecuada en la entrada del haz de tubos. Esta aplicación particular, se suele utilizar a menudo en centros de distribución logística de alimentos donde existen tanto productos refrigerados como congelados, usando el CO₂ para ambos.

Puede ocurrir también que en ciertas instalaciones se requiera enfriamiento de salas a mayor temperatura. Este suministro también lo podemos conseguir con glicol refrigerado, incorporando un intercambiador multitubular o de placas acoplado en el lateral del Flux-Hi spray chiller y alimentando con NH₃ por termosifón y descargando en el separador. Esta solución completa se llama 3 en 1.

Detección

Frecuentemente, en los Flux-Hi spray chiller cascada NH₃-CO₂ se ubica un separador de CO₂ (WITT) (ver figura sistema Flux-Hi en perspectiva) además de sus correspondientes bombas herméticas WITT para el propio CO2, bombas para la circulación de NH₃ WITT y con la posibilidad comentada anteriormente del enfriador de glicol.

La unidad completa también se suministra con todas las válvulas de CO₂ y NH₃ y otros accesorios tales como el standpipe en inoxidable o las válvulas de servicio. Además, se incorporan también sensores de nivel HB Products para cada depósito y el sensor más importante, el detector de presencia de CO₂ en NH₃. Dicho sensor ante una detección proporciona una alarma por la cual se puede indicar el cierre de válvulas y paro automático de bombas y compresores. Esta situación es bastante inusual, pero llegado el caso de presencia de un poro en un tubo, la mínima presencia (ppm) de CO₂ en NH₃ sería instantáneamente detectado por el sensor de HB Products, promoviendo dicha alarma y parada de la planta. En ese momento, se procede a recuperar el CO₂ y se aísla en el deposito situado justamente debajo. Desmontados los cabezales del S&T, rápidamente se puede identificar el tubo perforado por la presencia de NH₃. Este tubo queda inutilizado con los tapones cónicos estándar dedicados a tal fin. Se procede a una prueba de estanqueidad en el haz tubular, se vuelven a cerrar los cabezales volviendo a estar operativa la planta al completo en 24-48h.

Áreas de aplicación

Como se ha mencionado, el Flux-Hi spray chiller puede ser usado para condensar en cascada. El área de desarrollo es ilimitada, pero generalmente se pueden ofrecer grandes beneficios a partir de potencias de más de 1.000 kW frente cualquier otra versión en intercambiador tubo carcasa o en carcasa totalmente soldado. La búsqueda de un muy bajo delta T entre el refrigerante y el fluido a enfriar o una limitación en el contenido de refrigerante son otras de las grandes razones de su uso. El Flux-Hi spray chiller es excelente para su uso en capacidades de enfriamiento relativamente grandes y con necesidades de espacios limitados.