APARATO PARA SUPERVISAR EL ENSUCIAMIENTO DE SISTEMAS ACUOSOS.

Un aparato para supervisar y registrar el ensuciamiento de sistemas acuosos,

que permite la categorización del tipo de suciedad detectado, incluyendo: (a) un conjunto de tubo (400) integrado o acoplado con un conjunto de supervisión y registro (500); (b) un conjunto de prueba de transferencia de calor (300) incluyendo: (i) un elemento de tubo exterior (212); (ii) una varilla de calentamiento (220) colocada coaxialmente dentro del elemento de tubo exterior (212), incluyendo dicha varilla de calentamiento (220) medios para detectar una temperatura de pared de dicha varilla de calentamiento (220); (iii) un conjunto de manguito de tubo (314) montado coaxialmente sobre la varilla de calentamiento (220) dentro del elemento de tubo exterior (212), donde dicho conjunto de manguito de tubo (314) incluye una sección de manguito nervada (330), una sección de transición de flujo situada hacia arriba (340) colocada hacia arriba y unida a tope contra un extremo situado hacia arriba de la sección de manguito nervada (330), y una sección de transición de flujo situada hacia abajo (350) colocada hacia abajo y unida a tope contra un extremo situado hacia abajo de la sección de manguito nervada (330); y (iv) un paso anular de flujo de fluido (228) dispuesto entre el conjunto de manguito de tubo (314) y el elemento de tubo exterior (212); donde el conjunto de prueba de transferencia de calor (300) está dispuesto dentro del conjunto de tubo (400); y (c) un conjunto adicional de prueba de transferencia de calor dispuesto dentro del conjunto de tubo (400), donde el conjunto adicional de prueba de transferencia de calor incluye: (i) un elemento de tubo exterior adicional; (ii) una varilla de calentamiento adicional colocada coaxialmente dentro del elemento de tubo exterior, incluyendo dicha varilla de calentamiento adicional medios para detectar la temperatura de pared de dicha varilla de calentamiento adicional, donde dicha varilla de calentamiento adicional incluye una superficie exterior lisa; y (iii) un paso anular de flujo de fluido dispuesto entre la varilla de calentamiento adicional y el elemento de tubo exterior adicional; donde el conjunto de prueba de transferencia de calor (300) está dispuesto en paralelo con el conjunto adicional de prueba de transferencia de calor (400)

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de Estados Unidos número 60/666.750, presentada el 31 de Marzo de 2005 y titulada Conjunto de prueba de transferencia de calor para un aparato para supervisar el ensuciamiento de sistemas acuosos.

Antecedentes 5

La industria del tratamiento químico del agua se ha implicado históricamente en la reducción o inhibición de las tendencias inherentes de formación de incrustaciones o ensuciamiento de aguas naturales asociadas con grandes sistemas industriales de agua refrigerante. Muchos de los componentes de suciedad hallados en los sistemas de agua se originan con el suministro entrante, pero algunos contaminantes entran en el sistema desde el entorno local o la contaminación del proceso. 10

El ensuciamiento es un fenómeno sumamente complejo. El ensuciamiento de una superficie de transferencia de calor se define como la deposición sobre una superficie de cualquier material que incremente la resistencia a la transferencia de calor. La tendencia a ensuciamiento de un fluido en contacto con una superficie de transferencia de calor es una función de muchas variables incluyendo los componentes del fluido, que, en el caso del agua, incluyen, entre otros, cristales, sedimento, productos de corrosión, crecimientos biológicos, contaminados de proceso, etc. Generalmente, los depósitos de suciedad incluyen una combinación de varios de estos materiales en relación, entre otras cosas, a la geometría de la superficie de transferencia de calor, materiales de construcción, temperatura, etc.

Si la tendencia a ensuciamiento de un sistema de agua refrigerante se puede prever exactamente antes de que una planta sea diseñada y construida, se pueden obtener significativos ahorros de capital mediante especificaciones más exactas del intercambiador de calor. Es práctica normal diseñar un intercambiador de calor con mayor área superficial de intercambio de calor para superar las pérdidas de rendimiento producidas por depósitos de ensuciamiento, representando a menudo dicha área superficial adicional más del veinte por ciento del área superficial real del intercambiador de calor. Cuando dicha práctica de diseño se emplea con titanio, acero inoxidable y materiales de construcción similares caros, se puede apreciar que los gastos de capital se podrían reducir de forma significativa si se pudiese desarrollar datos para anticipar y proporcionar un protocolo antisuciedad. 25

Las Patentes de Estados Unidos números 4.339.945 ('945), Re. 33.346 (Re. '346), 4.346.587 (Re. '587) y Re. 33.468 (Re. '468) describen un aparato móvil para supervisar y evaluar tendencias al ensuciamiento de fluidos, tal como el fluido de un sistema de agua refrigerante. El aparato móvil incluye un conjunto de prueba de transferencia de calor y conjuntos relacionados de conductos y válvulas para conexión en comunicación de flujo de fluido a un aparato de transferencia de calor para prueba de ensuciamiento in situ del fluido que pasa a su través, e incluye además un aparato de 30 supervisión y registro. El conjunto de prueba de transferencia de calor incluye una varilla de calentamiento colocada coaxialmente dentro de un elemento tubular transparente para entrada de calor controlada. La varilla de calentamiento incluye un elemento de tubo rodeando una matriz aislante en la que se ha incrustado un elemento de calentamiento. El conjunto de prueba incluye además termopares para medir la temperatura de pared del elemento de calentamiento para permitir determinaciones de ensuciamiento a tasas variables de flujo con su supervisión y registro simultáneos conjuntamente con datos, tales como corrosión, pH, conductividad y análogos. La tendencia al ensuciamiento de un fluido puede ser evaluada por el paso de un fluido a través del conjunto de prueba de transferencia de calor bajo tasas controladas de flujo y salida de calor del elemento de calentamiento mediante la medición de las caídas de temperatura entre el elemento de tubo y el fluido para permitir una determinación de la resistencia de la formación de incrustaciones. Los aparatos cubiertos por las patentes '945, Re. '346, '587 y Re. '468 son comercializados por Drew Chemical de Ashland 40 Inc, como el analizador P-U-L-S-E (sm).

Ralph L. Webb y colaboradores, Int. J. Heat and Mass Transfer, 43 (2000) 3567-3578 se refiere al fallo en tubos mejorados usando agua de torre de refrigeración.

Los sistemas actuales de agua refrigerante emplean comúnmente intercambiadores de calor que tienen tubos con mejores superficies de intercambio térmico (internas y externas). Los tubos del intercambiador de calor con superficies externas “mejoradas” a menudo tienen aletas externas para promover un intercambio térmico más eficiente, en particular donde la superficie externa está expuesta a un refrigerante de condensación. Los tubos del intercambiador de calor con superficies internas “mejoradas” tienen acanaladuras helicoidales internas similares a las espirales del cañón de una pistola, en particular donde la superficie interna está expuesta a un medio de enfriamiento acuoso. Tales mejoras, y en particular las acanaladuras internas, promueven la precipitación de sólidos de una corriente acuosa y proporcionan un entorno ideal para el crecimiento de biomasa. En un período bastante corto, las acanaladuras se pueden ensuciar con capa de suciedad rica en biomasa de tal manera que se neutralicen la mayor parte o todos los beneficios de la mejora del tubo.

Se ha hallado que los tubos internamente mejorados se bioensucian a tasas significativamente más rápidas y en mayor grado que los tubos de agujero liso. A la inversa, los tubos de agujero liso experimentan ensuciamiento inorgánico de precipitación/cristalización a una tasa más rápida que los tubos internamente mejorados. Los aparatos y métodos descritos en '945, Re. '346, '587 y Re. '468 son efectivos para evaluar exactamente las tendencias al ensuciamiento de fluidos en sistemas usando tubos lisos de intercambiador de calor. Sin embargo, los tubos de intercambiador

de calor mejorados tienden a bioensuciarse más rápidamente y en mayor grado que lo que indicarán las pruebas que usan los aparatos y métodos de prueba descritos en las patentes '945, Re '346, '587 y Re '468.

En vista de lo anterior, subsiste la necesidad de un aparato mejorado para supervisar el ensuciamiento en sistemas acuosos usando tubos de intercambiador de calor mejorados. En particular, se necesita un aparato que permita una detección más rápida del bioensuciamiento en sistemas acuosos que emplean tubos de intercambiador de calor 5 mejorados. Adicionalmente, se necesita un sistema de supervisión que permita la detección directa y rápida del ensuciamiento de tubos de intercambiador de calor mejorados así como tubos lisos de intercambiador de calor.

Breve resúmen

Aunque es conocido en la industria que los tubos de intercambiador de calor mejorados (es decir, agujero no liso) son más propensos al ensuciamiento que los tubos de intercambiador de calor de agujero liso, los autores de la 10 presente invención han indicado algunos descubrimientos sorprendentes con respecto al ensuciamiento de los tubos de intercambiador de calor de agujero liso y mejorados. En particular, los autores de la presente invención han descubierto que:

1) El ensuciamiento inorgánico de precipitación/cristalización tiene lugar a una tasa más rápida en tubos de intercambiador de calor de agujero liso en comparación con tubos de intercambiador de calor mejorados del mismo material (es decir, los tubos mejorados son menos susceptibles a la formación de incrustaciones inorgánicas); y

2) El ensuciamiento microbiológico y el posterior atrapamiento de sólidos suspendidos por la suciedad biológica se produce mucho más rápidamente en tubos de intercambiador de calor mejorados que en tubos de agujero liso del mismo material. 20

Conocedores de que el bioensuciamiento tiene lugar más rápidamente en superficies no lisas que en superficies lisas, los autores de la presente invención han observado que el bioensuciamiento en un sistema acuoso incluyendo tubos de intercambiador de calor mejorados podría ser detectado más rápidamente si la varilla del calentador de un conjunto de prueba de transferencia de calor, tal como los conjuntos de prueba de las patentes '945 y '587, que tienen una superficie exterior lisa, estuviese provista de un elemento que tenga una superficie no lisa (es decir, mejorada) para 25 recoger biopelícula, donde la superficie mejorada es la superficie... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para supervisar y registrar el ensuciamiento de sistemas acuosos, que permite la categorización del tipo de suciedad detectado, incluyendo:

(a) un conjunto de tubo (400) integrado o acoplado con un conjunto de supervisión y registro (500);

(b) un conjunto de prueba de transferencia de calor (300) incluyendo: 5

(i) un elemento de tubo exterior (212);

(ii) una varilla de calentamiento (220) colocada coaxialmente dentro del elemento de tubo exterior (212), incluyendo dicha varilla de calentamiento (220) medios para detectar una temperatura de pared de dicha varilla de calentamiento (220);

(iii) un conjunto de manguito de tubo (314) montado coaxialmente sobre la varilla de calentamiento (220) 10 dentro del elemento de tubo exterior (212), donde dicho conjunto de manguito de tubo (314) incluye una sección de manguito nervada (330), una sección de transición de flujo situada hacia arriba (340) colocada hacia arriba y unida a tope contra un extremo situado hacia arriba de la sección de manguito nervada (330), y una sección de transición de flujo situada hacia abajo (350) colocada hacia abajo y unida a tope contra un extremo situado hacia abajo de la sección de manguito nervada (330); y 15

(iv) un paso anular de flujo de fluido (228) dispuesto entre el conjunto de manguito de tubo (314) y el elemento de tubo exterior (212);

donde el conjunto de prueba de transferencia de calor (300) está dispuesto dentro del conjunto de tubo (400); y

(c) un conjunto adicional de prueba de transferencia de calor dispuesto dentro del conjunto de tubo (400), donde el conjunto adicional de prueba de transferencia de calor incluye: 20

(i) un elemento de tubo exterior adicional;

(ii) una varilla de calentamiento adicional colocada coaxialmente dentro del elemento de tubo exterior, incluyendo dicha varilla de calentamiento adicional medios para detectar la temperatura de pared de dicha varilla de calentamiento adicional, donde dicha varilla de calentamiento adicional incluye una superficie exterior lisa; y 25

(iii) un paso anular de flujo de fluido dispuesto entre la varilla de calentamiento adicional y el elemento de tubo exterior adicional;

donde el conjunto de prueba de transferencia de calor (300) está dispuesto en paralelo con el conjunto adicional de prueba de transferencia de calor (400).

2. El aparato de la reivindicación 1, donde el elemento de tubo exterior (212) del conjunto de prueba de transferencia de calor (300) se hace de un material transparente.

3. El aparato de la reivindicación 1, donde los medios de detectar la temperatura de pared de dicha varilla de calentamiento (220) del conjunto de prueba de transferencia de calor (300) incluyen al menos un termopar (227).

4. El aparato de la reivindicación 1, donde el conjunto de manguito de tubo (314) del conjunto de prueba de transferencia de calor (300) se hace de un material seleccionado del grupo que consta de: acero inoxidable, cobre, 35 aleación de cobre, titanio y acero al carbono.

5. El aparato de la reivindicación 1, donde la varilla de calentamiento (220) del conjunto de prueba de transferencia de calor (300) incluye un elemento tubular (222) en el que está incrustado un elemento de calentamiento (214) dentro de una matriz aislante (226).