El papel de las conexiones de espárragos en los intercambiadores de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas (PHE) son componentes críticos en diversas aplicaciones industriales, comerciales y residenciales debido a su alta eficiencia térmica, diseño compacto y flexibilidad. Un elemento clave que garantiza la integridad estructural, la estanqueidad y la fiabilidad operativa de un PHE es el sistema de fijación, implementado predominantemente a través de conexiones de espárragos. Este artículo profundiza en la función, las consideraciones de diseño y la importancia operativa de las conexiones de espárragos en los intercambiadores de calor de placas con juntas.

Un PHE con juntas consta de múltiples placas de metal corrugado comprimidas entre dos placas de bastidor: un cabezal fijo y una placa de presión móvil. El paquete de placas se mantiene unido mediante un conjunto de barras de unión longitudinales, que se aseguran mediante espárragos, tuercas y arandelas. Estos sujetadores se tensan con precisión para aplicar una fuerza de compresión uniforme en todo el paquete de placas, lo que garantiza un sellado adecuado y estabilidad mecánica.

La función principal de los espárragos (tirantes) y sus tuercas asociadas es generar y mantener una carga de compresión específica en el paquete de placas. Esta compresión tiene dos propósitos vitales:

• Sellado: Comprime las juntas elastoméricas asentadas en las ranuras de cada placa, creando sellos herméticos que evitan la mezcla de fluidos y las fugas externas. La compresión correcta asegura que las juntas llenen completamente los espacios de sellado sin ser sobre-apretadas, lo que podría provocar daños o extrusión de la junta.
• Puntos de contacto: Asegura que los puntos de contacto entre las placas adyacentes permanezcan firmemente presionados entre sí. Estos puntos de contacto, formados por el patrón corrugado, son esenciales para mantener la estabilidad estructural del paquete de placas y resistir la presión interna de los fluidos.

Durante el funcionamiento, los fluidos dentro de los canales del PHE están bajo presión. Esta presión crea una fuerza de separación que intenta alejar la placa de presión del marco fijo. Las conexiones de espárragos están bajo tensión de tracción y están diseñadas para contrarrestar esta fuerza. Actúan como tendones de alta resistencia que mantienen todo el conjunto intacto contra la presión operativa, evitando que el paquete de placas se rompa.

Una ventaja significativa de los PHE con juntas es su capacidad de servicio. El sistema de conexión de espárragos está diseñado para permitir un fácil desmontaje y montaje.

• Desmontaje: Al aflojar las tuercas de los espárragos, se libera la fuerza de compresión. Luego, la placa de presión se puede mover hacia atrás, proporcionando acceso completo al paquete de placas para inspección, limpieza o reemplazo de placas y juntas.
• Reensamblaje: El proceso de reensamblaje implica volver a apretar las tuercas en una secuencia específica y con un par o tensión predeterminados. Esto asegura la reaplicación de una fuerza de compresión uniforme y controlada en todo el paquete de placas, restaurando su estanqueidad e integridad estructural.

El número, el diámetro y la posición de los espárragos están cuidadosamente diseñados para distribuir la carga de compresión de manera uniforme en toda la superficie del paquete de placas. Una carga desigual puede provocar una sobrecompresión localizada (dañando las juntas y las placas) o una subcompresión (causando fugas). Los PHE grandes y modernos a menudo utilizan una gran cantidad de espárragos (por ejemplo, 10 o más) colocados alrededor del perímetro para lograr esta uniformidad y manejar presiones de diseño muy altas.

Los espárragos se fabrican típicamente con acero al carbono de alta resistencia o acero aleado (por ejemplo, ASTM A193 B7) y, a menudo, están recubiertos o chapados (por ejemplo, zinc o cromo) para mejorar la resistencia a la corrosión. Para entornos altamente corrosivos, se puede emplear acero inoxidable (por ejemplo, ASTM A193 B8M) o incluso aleaciones más exóticas. El material debe poseer una alta resistencia a la tracción y una buena resistencia a la fatiga para soportar la carga cíclica durante la expansión y contracción térmica.

La tensión inicial aplicada a los espárragos, conocida como precarga, es primordial. Debe ser suficiente para mantener el paquete de placas sellado bajo la presión y temperatura máximas de funcionamiento, considerando la relajación de las juntas con el tiempo.

• Par vs. Tensión: Tradicionalmente, las tuercas se apretaban con una llave dinamométrica. Sin embargo, el par es una medida indirecta y, a menudo, inexacta de la precarga de tracción real en el espárrago debido a las variaciones de fricción.
• Métodos avanzados: Para aplicaciones críticas, se utilizan métodos más precisos como el tensado hidráulico. Esto implica el uso de herramientas hidráulicas para estirar los espárragos con precisión hasta una elongación predeterminada antes de apretar la tuerca. Este método asegura una precarga muy precisa y uniforme en todos los espárragos, lo cual es crucial para intercambiadores grandes.

Las placas del marco, los espárragos y el paquete de placas a menudo están hechos de materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica (por ejemplo, placas de titanio frente a marco de acero al carbono). Durante el arranque, la parada o los transitorios de temperatura, estos componentes se expanden y contraen a diferentes velocidades. El sistema de conexión de espárragos debe estar diseñado para adaptarse a estos movimientos diferenciales sin perder la fuerza de sujeción crítica ni causar una tensión excesiva que pueda provocar la falla del espárrago.

Los espárragos están sujetos a tensiones cíclicas debido a las presiones pulsantes, las vibraciones y los ciclos térmicos. El diseño de ingeniería debe asegurar que la amplitud de la tensión en los espárragos permanezca por debajo del límite de resistencia del material para evitar la falla por fatiga durante la vida útil prevista del intercambiador.

Durante el montaje, las tuercas de los espárragos deben apretarse en una secuencia específica en forma de cruz, de manera muy similar a apretar las tuercas de las ruedas de un automóvil. Esta práctica no es negociable para lograr una compresión uniforme de la placa y evitar la distorsión de la placa de presión, lo que podría provocar fugas.

Después del montaje inicial y al alcanzar la temperatura de funcionamiento, a menudo es necesario volver a verificar la tensión del espárrago. La fluencia de la junta y el asentamiento térmico pueden causar una ligera pérdida de precarga. Un apriete de seguimiento después del primer ciclo de calor es una práctica estándar para asegurar la integridad a largo plazo.

La inspección regular de los espárragos y las tuercas es parte del mantenimiento preventivo. Los técnicos deben buscar signos de corrosión, daños en las roscas, estiramiento o agrietamiento de la superficie. Los sujetadores dañados deben reemplazarse con componentes que cumplan con las especificaciones del fabricante del equipo original para mantener la integridad del diseño.

En resumen, las conexiones de espárragos en los intercambiadores de calor de placas están lejos de ser simples pernos. Son componentes diseñados con precisión que realizan las funciones críticas de crear sellado, resistir la presión, permitir el mantenimiento y asegurar la uniformidad de la carga. Su diseño, selección de materiales, instalación y mantenimiento adecuados son fundamentales para la seguridad, la eficiencia y la longevidad de todo el sistema del intercambiador de calor. Descuidar la importancia de estas conexiones puede provocar fallas catastróficas, incluidas fugas, rendimiento térmico reducido e incluso averías mecánicas. Por lo tanto, una comprensión profunda y una atención meticulosa al sistema de conexión de espárragos son indispensables para los ingenieros y técnicos que trabajan con esta clase de equipos de transferencia de calor altamente eficientes.