TANQUES DE PROCESO PARA LA INDUSTRIA

Los intercambiadores de calor en tanques de proceso se utilizan en diversos procesos tecnológicos, incluido el tratamiento térmico de productos almacenados o mezclados. Este tipo de tanques se emplean en las industrias alimentaria, química, petroquímica y farmacéutica.

Estos intercambiadores de calor de tanque se utilizan para calentar, enfriar y controlar la temperatura en procesos tecnológicos como la pasteurización, la fermentación, la licuefacción de mostos, la cocción, la síntesis química y el atemperado. FME Food Machinery Europe Sp. z oo opera en Polonia desde 2007 como fabricante de maquinaria, equipos y líneas de proceso para la industria alimentaria, específicamente para el procesamiento de frutas y verduras.

Automatización de la producción de intercambiadores de calor de serpentín en tanques de proceso

1. Aplicación de intercambiadores de calor en tanques

Los intercambiadores de calor en tanques de proceso se utilizan en diversos procesos tecnológicos, incluido el tratamiento térmico de productos almacenados o mezclados. Este tipo de tanques se emplea en las industrias alimentaria, química, petroquímica y farmacéutica. Estos intercambiadores de calor se utilizan para calentar, enfriar y controlar la temperatura en procesos tecnológicos como la pasteurización, la fermentación, la licuefacción de mostos, la cocción, la síntesis química y el atemperado. FME Food Machinery Europe Sp. z oo opera en Polonia desde 2007 como fabricante de maquinaria, equipos y líneas de proceso para la industria alimentaria, incluyendo el procesamiento de frutas y verduras.

La mejora continua y el perfeccionamiento de la calidad de nuestros productos y servicios requieren inversión en nuevas soluciones tecnológicas para satisfacer las expectativas de los clientes, expandirnos a nuevos mercados y obtener una ventaja competitiva. Por ello, la empresa decidió optimizar la producción de tanques de proceso utilizados en la industria alimentaria, incluyendo líneas de producción de bebidas, zumos, kétchup, purés de frutas, mermeladas, rellenos para confitería, mousses de frutas, chocolate y jarabes. Los tanques de proceso se encuentran entre los dispositivos más utilizados en la producción de alimentos, y la industria alimentaria demuestra una demanda constante de productos y soluciones tecnológicas innovadoras. Debido a la naturaleza del proceso, los tanques pueden servir como almacenamiento, amortiguadores o utilizarse para procesos tecnológicos térmicos. La necesidad de utilizar un tanque para mezclar, calentar, enfriar, mantener la temperatura o almacenar un medio surge en diversas etapas del proceso tecnológico. Por consiguiente, los tanques de proceso son un elemento esencial en la mayoría de las líneas de producción de la industria alimentaria.

2. Simulación por ordenador de componentes de bobina en un tanque de proceso

Gracias al uso del software CAD SolidWorks en la oficina de diseño, se realizaron una serie de simulaciones por ordenador para acortar el tiempo necesario para desarrollar la sección transversal óptima de la bobina conformada y reducir sus costes de fabricación.

Las suposiciones utilizadas para realizar simulaciones por computadora y obtener el perfil correcto de la bobina incluyeron: resistencia a la presión de al menos 6 bar, idoneidad para el conformado plástico (enrollado y enrollado sobre la carcasa del tanque), baja sensibilidad a los cambios de presión y temperatura, alta resistencia a la formación de incrustaciones en la caldera, baja resistencia al flujo del fluido de calentamiento y enfriamiento, alta resistencia a la corrosión y bajo peso. Estas simulaciones por computadora dieron como resultado la sección transversal óptima de la bobina.

3. Investigación y desarrollo, investigación interna

Esta sección transversal se creó mediante una técnica de plegado con prensa plegadora y posteriormente se soldó manualmente mediante TIG a una lámina plana. El elemento resultante se sometió a una prueba hidrostática, durante la cual se evaluaron la deformación y la resistencia a la presión. Nuestra propia investigación demostró que la forma de la bobina diseñada soportó la presión de funcionamiento a una temperatura ambiente de 140 bar sin fallar. La presión de prueba estuvo limitada por las capacidades del dispositivo de prueba hidrostática adoptado y utilizado para realizar pruebas en condiciones reales de resistencia a la presión. Para las pruebas se fabricó una bobina de 1200 mm de longitud.

Al concluir el proyecto de investigación, las soluciones de diseño y tecnológicas desarrolladas durante la labor de I+D se pusieron a prueba en condiciones reales. Para ello, se diseñó y desarrolló una estación tecnológica automatizada para la producción de una serie de tanques de proceso.

4. Diseño de una estación automatizada para la producción de intercambiadores de calor en forma de serpentín sobre las carcasas de los tanques de proceso.

La premisa principal de este proyecto era que, en un único ciclo tecnológico, la bobina se forma, se enrolla y se suelda simultáneamente a la carcasa exterior.

Los componentes principales de esta estación son: una columna y brazo, en cuyo brazo se monta una unidad de soldadura que contiene dos antorchas de soldadura TIG con alimentación de alambre al baño de soldadura; una máquina de laminado para dar forma a los canales, acoplada a la columna y brazo; y un actuador con fuerza de presión ajustable. El actuador tiene un rodillo de presión acoplado al extremo del vástago del pistón, que se encarga de laminar el canal de la bobina contra la superficie exterior de la carcasa del tanque de un diámetro determinado. Esto permite que la forma del canal de la bobina se adapte automáticamente al diámetro exterior del tanque. El perfil de la bobina se forma mediante un laminador. La máquina de laminado de la estación de soldadura contiene cinco pares de rodillos, cada uno accionado por un motorreductor. La forma deseada del perfil de la bobina se logra haciendo pasar el chorro de arena a través de sucesivos pares de rodillos, lo que aumenta la deformación plástica, dando como resultado la geometría correcta del canal. El brazo de la columna y brazo de la estación de soldadura está montado pivotantemente sobre un carro montado en el primer riel mediante un cojinete de giro. La rotación de la columna y el brazo se logra mediante una transmisión de engranajes y un servomotor. El segundo riel cuenta con un soporte de rodillos activo y otro pasivo, que soportan un tanque con diámetros que van desde 1200 hasta 3200 mm. El soporte de rodillos activo fuerza la rotación del tanque en función de la velocidad de soldadura. La estación de soldadura está equipada con un posicionador basculante y giratorio para la creación de bobinas en tanques con diámetros que van desde 780 hasta 1200 mm. Un dispensador de gas está montado en el lado del laminador para proteger la raíz del perfil de la bobina y también contiene un elemento de tierra que permite cerrar el circuito de soldadura. La barra plana en la bobina enrollada está montada delante del laminador. La soldadura se realiza mediante el método GTAW en una atmósfera inerte, utilizando gas formador de nitrógeno para proteger la raíz de la soldadura dentro del perfil de la bobina en el punto de soldadura. El tanque se pone en rotación y las posiciones de la antorcha cambian junto con el carro de la columna y el brazo y el laminador, que se mueven en línea recta sincronizados con la rotación del tanque. Dos dispositivos con una corriente de soldadura máxima de 500 A, fabricados por Closs Polska, se instalan como fuentes de alimentación para el método GTAW. Estos dispositivos mantienen una longitud de arco constante entre el baño de soldadura y la antorcha, independientemente de la precisión de la carcasa del tanque. Esta distancia depende de la tensión durante el arco. Cuanto más largo sea el arco, mayor será la tensión. Esta señal se envía al PLC, que, mediante un algoritmo apropiado, transmite una señal de control al servomotor, que fuerza el movimiento de la antorcha y, por lo tanto, mantiene la longitud de arco deseada. Durante la fabricación de la bobina en la superficie exterior de la carcasa del tanque, el controlador PLC debe sincronizar la velocidad de rotación del tanque con la velocidad lineal del carro de columna y brazo, el ángulo de la columna y el brazo, la velocidad de formación del canal, la velocidad de alimentación del canal sobre la carcasa del tanque y la potencia del quemador.

5. Depósitos con intercambiadores de calor en la superficie exterior de la carcasa, fabricados en una estación robótica.

Los intercambiadores de calor fabricados en esta estación permiten una alta repetibilidad y una alta calidad de las unidades de proceso completas, eliminando o minimizando los fenómenos desfavorables que se producen con la soldadura manual. Las dimensiones geométricas óptimas de la bobina soldada permiten su suministro a alta o baja presión. Este método de fabricación del intercambiador de calor sobre la pared del tanque de proceso permite mantener una superficie interna intacta del tanque con una rugosidad inferior a Ra 0,8 µm. Esta solución permite utilizar como producto semiacabado (barra plana) para fabricar una bobina uniforme de hasta 300 metros de longitud. El uso de parámetros de soldadura óptimos, en función del espesor de la pared del tanque, el espesor del perfil de la bobina y la velocidad de soldadura, permite la producción de uniones soldadas repetibles a partir de materiales AISI 316L y AISI 304 con alta resistencia a la corrosión, una pequeña zona afectada por el calor, mayor resistencia al impacto y la capacidad de utilizar presiones más altas para el calentamiento o enfriamiento de los fluidos. Además, la bobina soldada en la superficie exterior de la carcasa del tanque refuerza la estructura, ya que está fabricada en una sola pieza de material que no se sobrecalienta y presenta una baja distorsión por soldadura. Por lo tanto, se pueden utilizar láminas más delgadas para la carcasa, lo que aumenta la conductividad térmica entre el medio de calentamiento o enfriamiento y el fluido dentro del tanque.

La estación tecnológica construida de esta manera fue presentada para su protección mediante la patente n.º P433821 el 8 de mayo de 2020.

Una serie de tipos de tanques con una camisa de bobina soldada en ambos lados a la camisa lateral del tanque en una estación automatizada

Los valores proporcionados en la tabla pueden variar según el diseño del tanque.

Los datos anteriores se aplican a una carrera de bobina de 150 mm, que por razones tecnológicas es la carrera mínima.

Es posible fabricar una bobina con una carrera de la carcasa superior a 150 mm, así como con un aislamiento más grueso de 100 o 150 mm.

Es posible instalar una serpentina en el fondo del tanque, pero solo si el extremo inferior es cónico. Esta solución de diseño tiene un precio individual.
Otros tamaños de tanque, diseños con agitadores, configuraciones de boquillas y otros requisitos están disponibles y tienen un precio individual.