Capítulo 1. Definiciones Generales.
El mecanismo básico de la
transferencia de calor
En líneas generares
la transferencia de calor se lleva a cabo
mediante tres mecanismos: Conducción, Convección y Radiación. De estos,
el efecto de la radiación es significativo solo a temperaturas mayores que aquellas que usualmente se
encuentran en los intercambiadores
tubulares. No así en evaporadores o calderas, donde este es el principal
mecanismo de transferencia de
calor.
Conducción
La conducción en un
sólido metálico se debe en gran medida al movimiento de electrones a través del
metal. Los electrones situados en zonas de mayor temperatura, poseen mayor
energía cinética que aquellos en las pares “frías”, y “ceden” o transfieren
parte de esta energía a esto últimos. Ya que los electrones libres son también
parte esencial de la conducción eléctrica, hay cierto paralelismo entre la habilidad de transferir calor y la
habilidad de transmitir electricidad, para cierto material. Parte del calor
también se transmite por las vibraciones interatómicas. A este proceso se le
denomina Difusión.
Convección
El fenómeno de
convección esta íntegramente ligado
al flujo de fluidos crece de una superficie. Este flujo (en una tubería),
está influido por la geometría del
ducto, y su régimen. En cuanto a la geometría, se tiene los perfiles de área
transversal constante, en el que el área disponible para el flujo permanece
constante en toda su longitud, y la
de sección transversal variable, en el que el área para el flujo cambia, generalmente en un
patrón constante.
La sección
transversal mas comúnmente utilizada en los procesos de transferencia de calor es la circular. En este tipo de
geometría, se asume que todos los
parámetros de flujo son función del radio y a distancia a la entrada (para tuberías muy largas en las que el flujo es
desarrollado, solo del radio)
En los casos de
sección transversal variable interesa particularmente el flujo a través de
bancos de tubos, y la caída de
presión del fluido, en su paso a través del banco.
Mientras que en flujo
interno solo se considera la pérdida de
presión debido a la fricción con la tubería, en el flujo en bancos de tubos, el arrastre debido a
la configuración (form drag) contribuye en gran medida a la caída de la
presión.
Este arrastre crece
en la medida en que el que las diferencias de presión entre la parte frontal y
posterior de los tubos, es mayor. Al contrario de la fricción, el arrastre no
contribuye efectivamente en la transferencia de calor. A su vez, ocasiona un
aumento en la separación de la capa límite y la formación de vórtices, lo que se
traduce en aumento de vibraciones que afectan mecánicamente al banco de
tubo.
En el flujo interno,
a demás, es importante el régimen, esto es: laminar, transitorio,
turbulento.
El régimen laminar
corresponde a un movimiento suave, en el que las capas de flujo se desplazan,
casi sin mezclarse, y en el que el perfil de velocidad es constante. En cambio,
el régimen turbulento es caracteriza por el movimiento radial del flujo y su
mezcla. Los valores de la velocidad
no son constantes sino que fluctúan en torno a un valor
medio.
El régimen puede ser
asociado a un parámetro adimensional, denominado Número de Reynolds
(Re)
|
Re = ρ V
D |
EC.
1 |
ρ = densidad
V= velocidad
D= longitud
característica
Se considera que el
flujo es laminar por debajo de Re=2000 mientras que sobre Re=10000 ya puede
considerarse turbulento. Para el rango intermedio se considera flujo de
transición.
La convección se
lleva a cabo por medio de dos mecanismos. La transferencia de energía por interacciones atómicas (difusión), y
el movimiento macroscópico del fluido. Esto hace que grandes volúmenes de
moléculas se muevan como “paquetes” agregados, tal movimiento hace que
interaccionen mas moléculas y se transfiera mayor energía
térmica.
En el flujo laminar
el calor se transfiere entre la superficie del tubo y el fluido en contacto con
él. Dentro del flujo, se transfiere de una carcaza a la otra por conducción. No
hay movimiento radial de fluido que permita transportar el calor por otro
mecanismo. En régimen transitorio, hay una mayor interacción molecular, en
dirección radial, que permite que el calor se transmita más eficientemente en el
seno del fluido.
Coeficientes de
transferencia de calor de película
Para la mayoría de
los procesos convectivo, el flujo local de calor es proporcional a la diferencia de temperaturas entre un
medio y otro, por lo que se define:
|
|
EC.
2 |
h : coeficiente de película de
transferencia de calor.
Q: Calor Transferido
A: Superficie de Transferencia de
Calor
: Diferencia de
Temperaturas
El valor de h depende
de la geometría del sistema, las propiedades físicas y la velocidad del fluido.
Flujo bifásico (
liquido-gas)
El flujo bifásico se
refiere generalmente al flujo simultáneo de líquido y gas a través de un ducto.
Entre las múltiples situaciones
donde esto ocurre, es de particular
interés nuestro, los casos de evaporación o condensación de una sustancia. Más
allá, estaría el caso de dos fases
de sustancias distintas (por ejemplo agua y aire), fluyendo como una mezcla sin
cambio de fase apreciable.
La configuración de
este flujo, depende de las cantidades relativas de ambas fases y de las
propiedades físicas de cada una, la geometría del conducto, y el tipo de
mecanismo de transferencia de calor involucrado.
Intercambio de calor en
flujo bifásico
El análisis de la
transferencia de calor en flujos bifásicos es complejo, y sujetos a mayor margen
de error que el de flujo monobásico. Cuando las fases se mantienen estables, la
tasa de transferencia de calor es relativamente alta debido a la turbulencia
creada por la fase gaseosa en el líquido.
Condensación
La condensación es el
cambio del estado gaseoso a líquido de una sustancia, al retirar el calor
latente de condensación al vapor. Se leva a cabo de varias maneras. La
condensación superficial, cuando el vapor entra en contacto con una superficie
“fría”, condensación por contacto directo, cuando el vapor hace contacto con un
líquido frío, condensación homogénea, donde el vapor se condensa como gatas en
el seno, etc.
Ø
Gotas
sobre superficie
Las gotas de líquido
se forman a partir del vapor en ciertos lugares de una superficie sólida,
llamados sitios de “nucleación”. Estas gotas crecen a medida que avanza la
condensación y por aglomeración con otras gotas, ocurre solo en superficies que
no están muy húmedas, por lo que las gotas pueden permanecer en ese sitio hasta
crecer tanto que caen de la
superficie, o son arrastradas por la corriente.
Ø
De
película
Las gotas condensadas
en la superficie, rápidamente se unen para formar una película de líquido, a
través de la cual, se transmite mas
calor para condensar mas liquido.
Ø
Contacto directo
El fluido líquido es
atomizado en el seno del vapor, la cual se condensa sobre las gotas de líquido.
Es un proceso muy eficiente, pero
hace que obtengamos una mezcla entre el
refrigerante y el fluido, así que solo se usa si el refrigerante es la
misma sustancia, si el refrigerante y la sustancia son fácilmente separables, o si la
pureza de la sustancia no es importante. Otra forma de contacto directo es
cuando una corriente de vapor se inyecta en el interior del líquido, ocurriendo
un proceso similar pero inverso.
Ø
Homogénea
Puntos de menor
temperatura actúan como lugares de nucleación, donde se irá condensando el
vapor, en su seno. Muchas veces éstos lugares son partículas de polvo,
etc.
Ø
Condensación en el exterior de los
tubos
La condensación en el
exterior de los tubos es del tipo película, luego la película fluye por efectos
de la gravedad hacia la parte inferior del tubo y cae. Algunas raciones de
líquido caerán sobre otros tubos situados bajo los primeros del banco. Si el
fluido es lo suficientemente viscoso, este flujo se mantendrá laminar al
principio, pero luego se tornará turbulento. Dependiendo de que tan rápido
ocurra esto, la tasa de condenación variará. Si la velocidad de la corriente
de vapor es grande, cierta cantidad
de líquido se desprenderá del tubo, y será arrastrado al seno de la corriente,
actuando como núcleos para la condensación. Además de convertirse en
turbulento.
Ø
Condensación en el interior de los
tubos
Es otro modelo muy
común, y que se utiliza mayormente en intercambiadores de calor enfriados por
aire. Los tubos generalmente son horizontales, o ligeramente inclinados para
facilitar el drenaje, pero también se usan tubos verticales e inclinados. Si el
flujo de vapor es pequeño, el condensado se forma en la pared, y cae por efecto
de la gravedad. Esta condición ocurre bajo regímenes estratificados u
ondulado
Evaporación
Existen varios mecanismos a través de los
cuales el líquido saturado puede ser convertido en vapor por acción del calor.
Si la evaporación se lleva acabo en un contenedor donde el líquido se encuentra
confinado, el proceso se llama “ebullición de alberca” esta a su vez puede
ocurrir de varias maneras dependiendo de la diferencia de temperaturas entre la sustancia y la
superficie.
Evaporación durante el
flujo
Bajo condiciones de
movimiento, el proceso de ebullición es modificado debido a corrientes actuando
en capas de líquido adyacentes a la superficie sólida. La convección natural
será eclipsada por la convección forzada, y el proceso de nucleación será
suprimido, o al menos disminuido. El líquido caliente es llevado a la frontera
vapor-líquido mediante la turbulencia, donde se lleva acabo la ebullición. El
coeficiente de transferencia de calor bajo estas condiciones es mayor que si
solo hubiera evaporación nucleada.
Incrustaciones
(Fouling)
Fouling es el término
general que incluye cualquier tipo de depósito de material que se adhiere a la
superficie de transferencia de calor durante el servicio. Cualquiera que sea la
naturaleza de estas incrustaciones, siempre constituirán una resistencia
adicional a la transferencia de calor, y si son severas, incluso aumentar la
caída de presión.
Las resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento son
causadas por otros depósitos que se forman en las superficies internas y
externas de los tubos de los intercambiadores de calor, cuando éstos se
encuentran en servicio. Aunque la proporción de estos sedimentos no es
completamente predecible, la experiencia ha proporcionado cierto conocimiento
que permite estimar la reducción del coeficiente global de transferencia de
calor gracias a este fouling.
Una técnica común es estimando el factor de incrustación en la etapa de
diseño, es decir, permitiendo que la superficie adicional del transferencia de
calor compense la pérdida superficial causada por la incrustación. Estos
sistemas son de mayor capacidad que el requerimiento, y funcionan por debajo de
su flujo diseñado. Es importante no exagerar el sobredimensionamiento, ya que
este exceso de área puede dar lugar a condiciones que pueden provocar
incrustación más allá de lo que se especifica.
Existen valores tabulados del factor de incrustación para diferentes
condiciones de operación y distintas sustancias en las normas de
Capítulo 2. Intercambiadores
de Calor
Definición.
Un intercambiador de calor es un
dispositivo destinado a transferir energía térmica entre dos o más
fluidos, a través de una superficie sólida o mediante el contacto directo de los
fluidos, sin la utilización de de calor o trabajo externo.
Clasificación de los intercambiadores de
calor
Existen muchas
clasificaciones para lo intercambiadores de calor, las cuales se toman en cuenta
dependiendo del puno de vista como se estén estudiando, pueden clasificarse de
acuerdo al proceso de transferencia de calor que usan, a su construcción, a las
características del flujo, a su densidad de su superficie, a la función , y al
mecanismo de transferencia de calor, entre otras.
Clasificación De acuerdo al
tipo de flujo:
Ø
Distribución de flujo en
paralelo: los fluidos
caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través
de él en la misma dirección y salen por el otro extremo.
Ø
Distribución en
contracorriente: los
fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y
fluyen en direcciones opuestas.
Ø
Distribución en flujo cruzado de un solo
paso: un fluido se
desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro
fluido.
Ø
Distribución en flujo cruzado de paso
múltiple: un fluido se
desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente
de fluido.
Clasificación de
Intercambiadores de Calor de acuerdo a su función.
Ø
Regeneradores
Los regeneradores
son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo
espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla física como
sea posible entre las dos corrientes. un regenerador es un intercambiador en el
cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado
alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia
el calor.
Para tener una
operación continua, la matriz debe moverse periódicamente dentro y fuera de las
corrientes fijas(regeneradores rotatorios), o las corrientes de gases deben
redirigidas alternativamente por válvulas, como en los regeneradores de matriz
fija.
En general los
regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de
vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos
hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de
oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas.
Este tipo de
intercambiador posee superficie mucho más compacta que lo recuperadores. Para lo
que se usan configuraciones adecuadas y superficies aletadas para lograr una
mayor densidad de área. Pueden ser construidos de diferentes materiales (no solo
metal), y el costo por unidad de
superficie es mucho menor que para los recuperadores.
Ø
Refrigerador.
Es una unidad que
utiliza un refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que
la obtenida si se utilizara aire o agua como medio
refrigerante.
Ø
Condensador.
Los condensadores
son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor latente en lugar de
calor sensible. Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten
total o parcialmente en líquidos.
Generalmente, se utiliza agua o aire como medio refrigerante. El término "condensador de superficie"
se refiere específicamente a aquellas unidades de carcasa y tubos que se
utilizan para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas
y de las turbinas a vapor. Un
"condensador de contacto directo" es una unidad en la cual el vapor es
condensado mediante contacto directo con gotas de agua. En los intercambiadores
de alberca, el vapor a condensar es inyectado dentro de una alberca de liquido
refrigerante (generalmente la misma sustancia). Los intercambiadores de
atomización son los condensadores de contacto directo más comunes, en estos, se
atomiza líquido sub-enfriado dentro de la corriente de
vapor.
Los condensadores
se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor,
plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos
espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los
condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
Ø
Enfriador.
Es una unidad en
la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que
ocurra cambio de fase.
Ø
Evaporador.
Cualquier
intercambiador calentado indirectamente en el que un fluido está sujeto a
vaporización y que no forma parte de un proceso de evaporación o destilación se
llama vaporizador Si el vapor formado es vapor de agua, el intercambiador se
llama evaporador.
Los evaporadores
son intercambiadores diseñados específicamente para aumentar la concentración de
las soluciones acuosas mediante la evaporación de una parte del
agua.
Ø
Calentador.
Un calentador es
un intercambiador de calor que aumenta la entalpía de una corriente, sin que
normalmente ocurra un cambio de fase.
Como fuente de calor utiliza una corriente de servicio la cual puede ser
vapor de agua, aceite caliente o vapores de fluidos químicos. Muchas veces se
utilizan los mismos fluido del proceso como fuente de calor, como es el caso de
los precalentadores, que utilizan parte del vapor proveniente de las turbinas
para precalentar el agua de alimentación a las calderas, de una central Térmica
a vapor.
Ø
Vaporizador.
Un vaporizador es un
intercambiador que convierte líquido a vapor. El término se refiere normalmente
a aquellas unidades que manejan líquidos diferentes al
agua.
Ø
Rehervidor.
Un rehervidor es
un intercambiador usado para generar vapores de un líquido de proceso en la base
de una torre de destilación. Los vapores que se generan son usados para proveer
la energía para la evaporación de la columna de destilación. La circulación
puede ser natural o asistida. La circulación natural puede darse por una
diferencia de presiones entre los fluidos de la base y el tope de la columna de
destilación. La circulación asistida se realiza mediante el uso de una bomba y
se usa cuando la diferencia de presión no es suficiente para que exista
circulación natural. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia,
debido a los costos adicionales del bombeo de la alimentación al rehervidor; sin
embargo, en algunos casos puede requerirse para vencer limitaciones del cabezal
hidrostático y los problemas de circulación. También cuando se tienen tasas de
incrustación altas, líquidos viscosos, o la tasa de ebullición es
baja.
Hay dos tipos
generales de rehervidores, aquéllos que envían dos fases a la torre para separar
el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante
circulación natural (comúnmente llamados termosifones) o circulación
forzada.
Los termosifones
son los tipos de rehervidores más comunes.
Los termosifones horizontales donde la vaporización ocurre en el lado de
la carcasa son los más usados en la industria petrolera. En los del tipo vertical, la
vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en la
industria química. En un
termosifón, se debe proveer suficiente líquido en el cabezal a fin de mantener
la circulación natural del líquido a vaporizar.
Ø
Generadores de vapor.
Los generadores
de vapor son un tipo especial de vaporizadores utilizados para producir vapor de
agua. Como fuente de calor se
utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso.
tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor como calor latente,
para la conversión de agua líquida en vapor
Para la
construcción de los generadores de vapor se utilizan una gran gama de aceros.
En dependencia de la temperatura de la pared y de la intensidad corrosiva y
erosiva del medio circulante se pueden utilizar los aceros al carbono,
de baja aleación, de alta aleación hasta los inoxidables.
Los factores que
determinan las condiciones de trabajo del metal son conocidos después de los
cálculos térmicos, constructivos e hidráulicos. Los criterios fundamentales que
determinan la selección
de un tipo de acero
son en primer lugar la compatibilidad de un acero barato y tecnológicamente
satisfactorio con el refrigerante y en segundo lugar, las condiciones de trabajo
y las exigencias en su elaboración.
Ø
Sobrecalentador.
Un sobrecalentador
calienta el vapor por encima de su temperatura de
saturación.
Tipos de Intercambiadores de
calor
Intercambiadores de Calor
enfriados por Aire.
Un intercambiador de calor enfriado por aire, consiste de uno o más
ventiladores y de uno o más haces de tubos (bahía) dispuestos sobre una
estructura. Los tubos son aletados, para mejorar la transferencia de Calor (el
coeficiente convectivo del aire es mucho menor que en los
líquidos)
Su ventaja principal es la disponibilidad de Aire, y que no requiere de
sistemas de tubería y bombeo, además d provocar menos incrustaciones y no
requerir tratamiento adicional para el fluido refrigerante
(aire).
Dependiendo de la forma como se haga pasar el aire por el haz de tubos,
se clasifican como intercambiadores de tiro forzado o tiro
inducido.
En los intercambiadores de tiro forzado, el aire es impulsado a través
del haz de tubos, mediante el uso de un ventilador. Las ventajas de este tipo de
configuración es que la cantidad de aire usada es menor, por lo que el
ventilador es más pequeño y más económico. Además, cuando se encuentra en
posición horizontal, la altura a la que debe ser colocado es menor en
comparación al de tiro inducido. Sin embargo, la distribución del flujo es
desigual, y frecuentemente hay recirculación de aire caliente, disminuyendo la
eficiencia.
El diseño de tiro inducido proporciona una distribución más uniforme del aire sobre el haz; puesto que la velocidad del aire al acercarse a este ultimo es relativamente baja. También previene la recirculación de aire caliente.
Este diseño se adapta mejor para intercambiadores concebidos para pequeñas diferencias entre la temperatura de salida del producto, y la temperatura ambiental del aire.
La intensidad de las
vibraciones, y el riesgo de que fugas de fluido afecten al motor, además de
requerir una altura mayor sobre el suelo, son los puntos en contra de esta
configuración.
Existen también intercambiadores de tiro natural, en los que la fuerza
motriz es la diferencia de densidades entre el aire superior e inferior. Para
que esto ocurra, la altura generalmente debe ser superior a
Los enfriadores de aire también pueden utilizarse como enfriadores de
emergencia en caso de requerirse un bombeo rápido de una corriente de
proceso. Estas unidades aún con el
ventilador apagado, son capases de remover por convección natural entre 15 y 35
% del calor de diseño, dependiendo del rango de temperatura de la corriente de
proceso entrando al enfriador.
Hay que tomar en cuenta también, que este tipo de intercambiador ocupa un
espacio relativamente grande , y que afecta la temperaturas de sus alrededores.
Cambiando las condiciones de trabajo de los equipos circundantes.
Partes
principales de un intercambiador de calor enfriado por
aire.
(Extraído de la norma API 661)
1)
Haz de Tubos
2)
Cabezal
3)
Boquilla
4)
Columna de soporte
5)
Cuerpo(
Plenum)
6)
Ventilador
7)
Anillo del
ventilador
8)
Cubierta del Ventilador
9)
Acople
Intercambiadores de Calor espirales.
Los intercambiadores de tubos en forma de espirales consisten de un grupo
de serpentines concéntricos enrollados en forma de espiral, los cuales están
conectados a hojas o cabezales de tubos.
Entre sus características se pueden mencionar las siguientes: se utilizan
para flujo en contracorriente, no tienen problemas de expansión diferencial, son
compactos y pueden ser usados para el intercambio de calor de dos o más
fluidos. Estas unidades se utilizan
normalmente en las aplicaciones criogénicas, donde la presión de proceso es 4500
KPa man, (650 psig) o mayor.
Intercambiadores de calor de
placas
Los intercambiadores
de calor de placas consisten en un número de placas rectangulares y finas
selladas en los bordes por empacaduras y sujetas en un marco. El marco
generalmente tiene una cubierta fija acoplado a los puertos conectantes y al
plato de cubierta removible en el marco. Las placas están suspendidas por una
barra guía y a su vez guiadas en la parte inferior por otra barra para asegurar una alineación correcta.
El conjunto de palcas con las cubiertas fijas y removibles se mantiene junta
mediante tornillos laterales. Las barras son mas largas que el conjunto para que cuando la cubierta móvil sea
removida las placas se deslicen a lo largo de las barras para la inspección y la
limpieza.
Cada placa se hace
estampando un patrón ondulado o
corrugado en una hoja metálica. Las placas son ensambladas con las
corrugaciones en placas sucesivas,
adosadas para formar caminos angostos e intrincados para el flujo(esto con el
objetivo de maximizar la transferencia de calor). Como las placas adyacentes
están en contacto mutuo, el espaciamiento entre placas esta bien definido y
determinado por la geometría. Además de favorecer la transferencia de calor las
corrugaciones mejoran la rigidez de las placas y proveen soporte mecánico al
paquete de placas a través de múltiples puntos de contacto. Las placas se
diseñan suaves o duras dependiendo del nivel de
turbulencia.
(Extraído de
2. Paquete de Placas
3. Cubierta Fija
4. Cubierta Móvil
5.
Columna de
Soporte
6. Tornillos de sujeción
7. Barra Guía
8. Barra de
Sustentación.
9. Conección
10.
Tuerca de Sujeción.
Intercambiadores de Calor de Película
Descendente
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo de película descendente se han desarrollado para gran variedad de servicios El fluido entra en la parte superior de los tubos verticales. Los distribuidores o tubos ranurados logran que el líquido se encuentre en una película que fluye en la superficie interna de los tubos y esta película se adhiere a la superficie del tubo mientras desciende hasta la parte inferior de los tubos. La película en cuestión puede enfriarse, calentarse, evaporarse o congelarse mediante un adecuado vehiculo externa de transferencia de calor. Se han desarrollado distribuidores para cubrir una amplia gama de aplicaciones. Ya existen diseños con placas tubulares fijos, con o sin juntas de expansión y cabezal empacado externamente.
Las principales ventajas de estos intercambiadores de calor son la alta velocidad de transferencia de calor la existencia casi nula de caída de presión interna, corto tiempo de contacto (característica muy importante para materiales sensibles al calor), facilidad de acceso a los tubos para su limpieza y, en algunas ocasiones, prevención de fugas de un lado a otro.
Enfriadores
Atmosféricos
Las secciones atmosféricas consisten en tubos lisos arreglados en haces de tubos rectangulares, que se instalan encima de estanques de agua en la parte inferior de una torre de enfriamiento. El fluido de proceso o el agua de enfriamiento primario fluye dentro de los tubos.
Intercambiadores de Calor de Bloques de
Grafito.
Los intercambiadores cúbicos de grafito impermeable consisten en cubos sólidos, perforados con hileras de orificios paralelos que están en ángulo recto con los superiores y los inferiores. Los cabezales sujetos con pernos a los lados opuestos de las caras verticales del cubo proporcionan el flujo del fluido de proceso a través del bloque. Los cabezales apropiados en las caras verticales restantes dirigen el medio de calentamiento o enfriamiento a través de los intercambiadores.
También hay un intercambiador de tipo de bloque que consiste en una serie de bloques cilíndricos de grafito impermeable con pasajes radiales y axiales (Carbone Lorraine Industries Corp.). El intercambiador de bloques cúbicos de grafito no esta sujeto a daños a partir de choque mecánico, como sucede con el intercambiador de carcasa y tubo del mismo material.
Intercambiador de Calor de
Doble Tubo.
Los intercambiadores
de calor de doble tubo consisten en dos tubos concéntricos, un fluido circula
por el tubo interno mientras que el otro fluye entre el tubo interno y el
externo (ánulo). Este es el tipo de intercambiador mas simple y de fácil
mantenimiento. Esta configuración es apropiada cuando uno o varios fluidos están
a muy altas presiones, debido a que es mas económico construir tubos resistentes
de diámetro pequeño, que carcasa resistentes de gran diámetro. Generalmente se
diseña para aplicaciones de pequeña capacidad, cuando el área total de
transferencia de calor es menor a cincuenta metros
cuadrados.
Debido a que la superficie de transferencia de calor es pequeña, es común
el uso de tubos aletados para mejorar la transferencia de
calor.
Son las unidades de más fácil mantenimiento, simplemente retirándose el
codo y los cierres, y luego el tubo interior, para su limpieza. Otra ventaja es
que puede ser fabricado a partir de piezas estándar (Tubos, Codos, estoperos o
cierres, Tes, válvulas, etc.).
La principal desventaja es que los intercambiadores de doble tubo son
pesados y costosos por unidad de superficie de transferencia de calor. Al mismo
tiempo, existen múltiples puntos donde pueden ocurrir
fugas.
Se aplican en casos
en que:
Ø
Se
requiere específicamente que los flujos estén en
contracorriente.
Ø
Presiones muy
elevadas.
Ø
Poco
espacio disponible
Ø
Cuando
se trabaja con fluidos de muy bajo coeficiente de transferencia de calor, .y se hace necesario el uso de
aletas.
Ø
Se
requiere el diseño más económico posible.
Ø
El
área de Transferencia de calor es pequeña( <
Un tipo especial es el de doble tubo múltiple (hairpin) contienen hasta
64 tubos dentro del tubo exterior o carcasa, que pueden ser lisos o aletados.
Sin embargo, en aquellas secciones que contengan más de 19 tubos, sólo se
utilizan normalmente tubos lisos.
Algunos fabricantes ofrecen secciones de tubería doble y multitubulares en tamaños estándar. Estas secciones poseen tubos removibles y tienen en cuenta la expansión diferencial entre la carcasa y el tubo. Los cierres para sellar el fluido del lado de la carcasa son de diversos tipos, el más simple de los cuales permite que existan fugas a la menor falla del sello. Otros diseños mejores consisten en dos conjuntos de pernos y no es posible que ocurra fuga alguna. Las secciones multitubulares tienen los extremos de las horquillas roladas en la placa para tubos (placa tubular).
Superficies
Extendidas.
Los intercambiadores con superficies extendidas se caracterizan por estar
construidos por tubos con aletas transversales, del tipo helicoidal o aletas
longitudinales. Este tipo de
superficie se emplea cuando, debido a las propiedades de transferencia de calor
de un fluido, existe la resistencia alta para el flujo de calor, mientras que
las propiedades del otro fluido permiten una resistencia baja. El fluido con la resistencia alta al
flujo de calor se pone en contacto con la superficie de las
aletas.
Construcción de tubos con
aletas
1. Empotrada. Una aleta de aluminio, cuya sección transversal es rectangular, es arrollada mediante tensión e incrustada mecánicamente en una ranura que ha sido, cortada en forma de espiral en la superficie exterior del tubo.
2. Integral .Un tubo exterior contiene las aletas que han sido formadas por extrusión y se une mecánicamente al tubo interno.
Intercambiadores de calor de
Carcasa y haz de tubos
Los intercambiadores de calor de carcasa y de tubo, son los más usados en
las industrias de proceso, y se describirán en detalle en el siguiente
capítulo.
Capítulo 3.Intercambiadores de
calor de Carcasa y haz de tubos
Los intercambiadores de calor de carcasa
y de tubo, son los más usados en las industrias de proceso. Este tipo de
intercambiador provee una relación
entre el área de transferencia de calor entre el Peso-Volumen más bien
Grande. A pesar de esto, es relativamente fácil de construir en una gran
variedad de tamaños, y sus propiedades mecánicas le permiten soportar
condiciones de operación severas. Además, su mantenimiento es comparativamente
sencillo, y los componentes más propensos a falla (tubos y sellos), pueden ser
fácilmente reemplazados.
Esquema General de
Partes
Aunque hay una enorme variedad de diseños específicos, los componentes
básicos son pocos.
Tubos.
Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie
de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los
tubos, y la carcasa. Los tubos pueden ser
completos o soldados y generalmente están hachos de cobre o aleaciones de
acero. otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para
aplicaciones específicas.
Los tubos pueden ser desnudos o aletados. Las superficies extendidas se
usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor
mucho menor que el otro fluido. Los tubos doblemente aletados pueden
mejorar aún mas la eficiencia. Las
aletas proveen de dos a cuatro veces el área de transferencia de calor que
proporcionaría el tubo desnudo.
Mas recientemente se han desarrollado tubos corrugados que tiene
extensiones externas e internas, y tubos cuya superficie exterior promueven la
ebullición nucleada .
Placa
tubular
Los tubos se mantienen en su lugar al ser insertados dentro de agujeros
en la placa tubular, fijándose mediante expansión o soldadura. la placa tubular
es generalmente una placa de metal sencilla que ha sido taladrada para albergar
a los tubos(en el patrón deseado), las empacaduras y los pernos. En el caso de
que se requiera una protección extra de las fugas puede utilizarse un doble placa tubular.
El espacio entre las placas
tubulares debe estar abierto a la atmósfera para que cualquier fuga pueda ser
detectada con rapidez. Para aplicaciones mas peligrosas puede usare una placa
tubular triple, sellos gaseosos e incluso un sistema de recirculación de las
fugas.
La placa tubular además de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de
soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador y debe ser
compatible electroquímicamente con el material de los tubos. A veces se
construyen de acero de bajo carbono cubierto metalúrgicamente por una aleación
resistente a la corrosión.
Carcasa y boquillas del
lado de la carcasa
La carcasa es el contenedor del segundo fluido, y las boquillas son los
puertos de entrada y salida. La carcasa generalmente es de sección circular y
esta hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado
longitudinalmente. Carcasas de pequeños diámetros (hasta
En intercambiadores grandes la carcasa esta hecha de acero de bajo
carbono siempre que sea posible por razones de economía aunque también pueden
usarse otras aleaciones cuando la corrosión o las altas temperaturas así lo
requieran.
La boquilla de entrada suele tener una placa justo debajo de ella para
evitar que la corriente choque
directamente a alta velocidad en el tope del haz de tubos. Se impacto puede
causar erosión, cavilación, y vibraciones. Con el objetivo de colocar esta laca
y dejar suficiente espacio libre entre este y la carcasa para que la caída de presión no sea
excesiva puede ser necesario omitir algunos tubos del patrón circular completo.
Canales del lado de los
tubos y boquillas
Los canales y las boquillas simplemente dirigen el flujo del fluido del lado de los
tubos hacia el interior o exterior de los tubos del intercambiador .como el
fluido del lado de los tubos es generalmente el mas corrosivo, estos canales y
boquillas suelen ser hechos de materiales aleados (compatibles con la placa
tubular). Deben des revestidos en lugar de aleaciones
sólidas.
Cubiertas de
canal
Las cubiertas de canal son placar redondas que están atornilladas a los
bordes del canal y pueden ser
removidos para inspeccionar los tubos sin
perturbar el arreglo de los tubos. En pequeños intercambiadores cabezales
con boquillas laterales suelen ser usados en lugar de canales y cubiertas de
canales
Deflectores
Estos tienen dos funciones, la mas importante es la de mantener a los
tubos en la posición adecuada durante la operación y evita la vibración
producida por los vórtices inducidos por el flujo. En segundo lugar ellos guían
al fluido del lado de la carcasa para acercarse en lo posible a las
características del flujo cruzado.
El tipo de reflector más común es el simple segmentado. El segmento
cortado debe ser inferior a la mitad del diámetro para asegurar que deflectores
adyacentes se solapen en al menos una fila completa de tubos. Para flujos de líquidos en el lado de la
carcasa el corte del deflector
generalmente es del
Especificación del tipo de construcción.
De acuerdo a los patrones de TEMA existen tres clases de modelos de
construcción mecánica de intercambiadores: R, C y B.).
La clase R designa a los intercambiadores usados en
condiciones severas relacionadas
con los procesos petroleros. La clase C, designa a los intercambiadores
usados en condiciones moderadas y
procesos generales. La
clase B, es la usada en servicios de procesos químicos. Generalmente emplea
materiales no ferrosos, mientras que las clases anteriores si emplean materiales
ferrosos
El equipo que se fabrica de acuerdo
a los patrones de la clase R, cumple con todos los requisitos para los servicios
que involucran una transferencia de calor elevada. Pero no siempre el servicio
al que está destinado el intercambiador es tan severo. Bajo condiciones en las
que se usan líquidos con bajo fouling, como intercambiadores Agua-Agua, un
intercambiador de clase C es suficiente, y puede llegar a ser hasta un 5 % más
económico.
Numeración de
tamaños y designación de tipos
Las practicas recomendadas para la designación de
intercambiadores de calor convencionales de carcasa y tubo mediante números y
letras las estableció
Tamaño: Los tamaños de las carcasas (y los haces de tubos) se deben designar mediante números que describan los diámetros de la carcasa (y el haz de tubos) y las longitudes de los tubos como sigue:
Ø
Diámetro: El diámetro nominal tiene que
ser el diámetro interior de la carcasa, en pulgadas, redondeado al número entero
más cercano. Para los rehervidotes de caldera, el diámetro nominal será el
diámetro del orificio seguido por el de la carcasa, redondeados al entero más
cercano. Excepto por el rehervidor
tipo Kettle, el diámetro nominal es el diámetro del puerto (el diámetro de la
carcasa adyacente a la entrada del fluido de los tubos) seguido por la letra de
este tipo de carcasa.
Ø Longitud: La longitud nominal será la del tubo, en pulgadas. La longitud del tubo para tramos rectos se considerara coma la longitud real total. Para tubos en U, la longitud será la del tramo recto desde el extremo del tubo a la tangente al codo.
Tipos de carcasa y cabezales: Las nomenclatura TEMA para los cabezales y la carcasa Consiste en una combinación de letras que permite a simple vista reconocer el tipo de construcción de un intercambiador determinado:
Ø
Primera
letra: Describe el tipo de cabezal fijo. Puede ser A, B, C, D o
N
Ø
Segunda
Letra: Describe el tipo de carcasa. E, F, G, H, J, K, X
Ø
Tercera
Letra: Describe el tipo de construcción del cabezal posterior. L, M, N,
P, S, T, U, W.
Ejemplos característicos:
a)
Intercambiador de tubo en U, con cabezal estacionario del tipo de casquete,
carcasa de flujo partido, de
b) Rehervidor
de caldera, de cabezal flotante extraíble, con cabezal estacionario coma parte
integrante del placa tubular,
(Nomenclatura TEMA. Extraído de Manual del Ingeniero Químico. Perry)
Tipos de
cabezales
Extremo
anterior
|
Tipo de Cabezal |
Descripción |
|
|
Tipo A .Este tipo de cabezal presenta un canal removible con
una plancha de cubierta también removible. El cabezal es usado con placa de
tubo fija, tubos en U y con diseños de intercambiadores de haz
removible. Este tipo de
cabezal es el más común entre los cabezales fijos. |
|
|
Tipo B. Este
tipo de cabezal presenta un canal removible con una cubierta
integral. El cabezal es usado
con placa de tubo fija, tubo en U y con diseño de intercambiadores de haz
removible. Este tipo de
cabezal es normalmente usado sólo cuando el factor de ensuciamiento en el
lado del tubo es bajo. |
|
|
Tipo C. El canal con cubierta removible es integral con la placa de tubo. El canal viene pegado a la carcasa con una conexión de brida y es usada para tubos en U y haces removibles. Este cabezal no es recomendable, pues el canal es integral con el haz de tubo y esto complica su mantenimiento. |
|
|
Tipo N.
El canal con cubierta removible es integral con la placa de
tubo. El canal es integral
con la carcasa y es usado con diseños de placa de tubo
fija. |
|
|
Tipo D - Este tipo de cabezal es especial para presiones altas, se usa cuando la presión de diseño en el lado de los tubos excede 6900 KPa, aproximadamente. El canal y la placa de tubo tienen construcción forjada integral. La cubierta del canal está sujeta por tornillos especiales de alta presión. |
Extremo Posterior
|
Tipo de Cabezal |
Descripción |
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|
Tipo L -
Este tipo de construcción es similar al cabezal anterior fijo tipo
A. Es usado en
intercambiadores de placa de tubo fijo, cuando se requiere limpieza
mecánica de los tubos. |
|
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Tipo M -
Este tipo de construcción es similar al cabezal anterior fijo tipo
B. Es usado en
intercambiadores de placa de tubo fijo. |
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|
Tipo N - Este tipo de construcción es similar al cabezal anterior fijo tipo C. Es usado en intercambiadores de placa de tubo fijo. |
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Tipo P -
Este tipo de cabezal es llamado cabezal flotante empacado
externamente. Este diseño es
integral y está formado por un canal posterior y placas de tubo con
empaquetamiento sellador de juntas contra la carcasa. Este cabezal no se usa normalmente
debido a que las juntas con empacaduras tienen tendencia a gotear. Este nunca debe ser usado con
hidrocarburos o con fluidos tóxicos en el lado de la carcasa. |
|
|
Tipo S - Este modelo es construido con una placa de tubo flotante entre un anillo dividido y una cubierta de placa de tubo. El ensamblado de la placa de tubo se puede mover libremente dentro de la cubierta de la carcasa, este tipo de cabezal posterior es recomendable para uso con diseño de haces de tubos removibles. |
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Tipo T - Este tipo es construido con placa tubular flotante atornillada a la cubierta de la placa tubular. Este tipo puede ser usado con cubierta de carcasa integral o removible. |
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Tipo U - Este tipo de cabezal indica la construcción del haz de tubo con tubos en U. |
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Tipo W - Este es
un diseño de cabezal flotante el cual utiliza junta con empacadura con el
fin de separar el fluido del lado del tubo y el fluido del lado de la
carcasa. El empaquetamiento
es comprimido contra la placa de tubo por los tornillos de las juntas que
sostienen la cubierta de la parte posterior de la carcasa. Este diseño no es usado
normalmente porque las juntas de empaquetamiento tienen tendencia a
gotear. Este cabezal nunca
debe ser usado con hidrocarburos o con fluidos tóxicos en los tubos o en
la carcasa. |
Tipos de Carcasa
|
Tipo de Carcasa |
Descripción |
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Tipo E, la carcasa de un paso es
comúnmente la construcción más usada en intercambiadores de carcasa y haz
de tubos. Las boquillas de entrada y de salida están ubicada en extremos
opuestos o adyacentes de la carcasa, dependiendo del número y tipo de
deflectores usados. |
|
|
Tipo F, Una carcasa de dos pasos
requiere el uso de deflectores longitudinales para dirigir el flujo de la
carcasa. Las boquillas de entrada y salida están adyacentes a la placa de
tubos fija. Para evitar un espesor en lo deflectores longitudinales,
carcasa d dos pasos no deben ser usadas cuando la caída de presión sea
mayor de 70 Kpa (preferiblemente, 35 KPa). También se debe evitar un rango
de temperatura excedente a Los deflectores longitudinales pueden ser de diseño removible o
soldado. Debido a que existen diversos diseños, la incidencia en el costo
de éstos, asociado con el uso de deflectores soldados en intercambiadores
de cabezal flotante, hace que este tipo de diseño deba ser usado sólo con
unidades de placa fijas, que no requieren juntas de expansión. Si va a ser
usado un deflector longitudinal con un intercambiador de cabezal flotante,
este debe ser de diseño removible. Los deflectores longitudinales
removible requieren el uso de bandas de sello flexible que deben ser
livianas o un dispositivo de empaque entre el deflector y la carcasa para
reducir la fuga de fluido de un lado a otro. Una unidad de dos pasos
puede ser usada cuando el factor de corrección de |
|
|
Tipo J, una carcasa de flujo dividido tiene una boquilla central de entrada y dos de salida o viceversa. Este tipo de carcasa es usado para reducir la caída de presión en servicio donde ocurre condensación. Generalmente, para todos los diseños, los deflectores dobles segmentados usados con carcasa tipo J. Deflectores dobles segmentados en intercambiadores de flujo dividido normalmente tienen corte vertical. Este arreglo de deflectores también requiere que el número total de estos sea impar, pero también debe haber número impar de deflectores en cada una de las mitades de la carcasa. El deflector central para este arreglo, normalmente es similar al deflector central usado con el corte de deflectores simples segmentados. Los deflectores de cada lado del deflector central y el último deflector en los extremos de la carcasa tienen el centro sólido con recorte en los bordes. |
Tipos
principales de construcción y Partes de un intercambiador de
calor.
Existe una variedad enorme de configuraciones. Las más comunes son las siguientes:
A
B
C
D
E
F
1.
Cabezal
fijo - (canal o)
2.
Cabezal
fijo - bonete
3.
Brida de
cabezal estacionario
cámara o bonete
4.
Tapa de
cámara
5.
Boquilla
de la cámara
6.
Placa
tubular estacionaria
7.
Tubos
8.
Carcasa
9.
Tapas de
la carcasa
10.
Bridas de la
carcasa – extremo cabezal estacionario
11.
Bridas de la
carcasa - extremo
cabezal posterior
12.
Boquillas de la carcasa
13.
Bridas
de las tapas de cuerpo
14.
Junta de
expansión
15.
placa
tubular flotante
16.
Placa de
cabezal flotante
17.
Bridas
de cabezal flotante
18.
Dispositivo
de retención de cabezal flotante
19.
Anillo
seccionado
20.
Tapa
local
21.
Tapa de
cabezal flotante-externa
22.
Camisa
de placa tubular flotante
23.
Brida
del prensa estopa
24.
Empaquetadura
25.
Anillo
de contrabrida de la
empaquetadura
26.
Anillo
de cierre hidráulico
27.
Tirantes
y distanciadotes
28.
Placas
de desvío transversales o platos de
soporte
29.
Desviadores de choque
30.
Placas
de desvío longitudinales
31.
Placa de
partición
32.
Conexión
para venteo
33.
Conexión
para drenaje
34.
Conexión
para instrumentos
35.
Soportes
de montaje
36.
Oreja de
levantamiento
37.
Abrazadera del soporte
38.
Vertedero
39.
Conexión
para nivel de líquido
1. Placa Tubular Fija
El Intercambiador de placa de tubo fija tiene ambas placas sujetas a la
carcasa. En este tipo de
construcción se requiere utilizar una junta de expansión o una junta de
empaques, debido a la expansión diferencial de la carcasa y los tubos. Se
utiliza cuando no se requiere limpieza del lado de la carcasa, o puede
realizarse limpieza química.
Para aquellos servicios que
requieran de una junta de expansión, los haces de tubo U pueden ser más
económicos.
Los problemas de expansión diferencial se pueden evitar utilizando
un cabezal de tubos flotantes que se mueven libremente o utilizando tubos en
forma de U en el otro extremo del canal.
El haz de tubos de este tipo de intercambiador puede removerse para
mantenimiento y para limpieza mecánica de la carcasa.
Las placas tubulares se sueldan a la carcasa. Generalmente, se extienden más allá de la carcasa y sirven como bridas a las que se sujetan con pernos los cabezales del lado de los tubos. Esta construcción requiere que los materiales de la carcasa y las placas tubulares se puedan soldar entre si.
Cuando esa soldadura no es posible, se utiliza una construcción del tipo de empaque "ciego". El empaque ciego no es accesible para el mantenimiento o el reemplazo, una vez construida la unidad. Esta construcción se utiliza para condensadores de superficie de vapor de agua, que funcionan al vacío.
No hay limitaciones para el número de pasos del lado del tubo. Los pasos del lado de la carcasa pueden ser uno o más; aun cuando se utilizan raramente carcasas que tengan más de dos pasos.
Los tubos pueden llenar por completo la carcasa del intercambiador de calor. El espacio de separación entre los tubos exteriores y la carcasa es de solo el mínimo necesario para la fabricación. Entre la parte interior de la carcasa y los deflectores se debe dejar. cierto margen de separación para que los deflectores se puedan deslizar al interior de la carcasa.
Los tubos se pueden reemplazar. Los cabezales del lado del tubo, las cubiertas del canal, los empaques, etc., permanecen accesibles para el mantenimiento y el reemplazo. Ni la estructura del deflector del lado de la carcasa ni el empaque ciego, que se mencionó antes, están accesibles. Al retirar un tubo, se puede romper dentro de la carcasa. Cuando ocurre esto, es más difícil retirar o reemplazar el tubo. El procedimiento habitual consiste en taponar los orificios adecuados en las placas tubulares.
2. Tubos en U.
Los intercambiadores de tubo
en U representan el diseño más simple, requiriendo sólo una placa de tubo y no
juntas de expansión de sellos. Este
diseño permite la expansión térmica de los tubos. Los intercambiadores de tubo en U son
las unidades menos costosas para diseños, que envuelvan servicios de alta
presión en el lado del tubo.
El haz de tubos puede ser removido de la carcasa.
El haz de tubos consiste en un placa tubular estacionario, tubos en U, deflectores o placas de soporte, espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubos se puede retirar de la carcasa del intercambiador de calor. Se proporciona un cabezal del lado del tubo (estacionario) y una carcasa con cubierta integrada, que se suelda a la carcasa misma. Cada tubo tiene libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos.
Los tubos en U han incrementado su empleo en forma significativa, gracias al desarrollo de limpiadores hidráulicos que son capaces de eliminar residuos depositados tanto en la parte recta como en la parte doblada en U de los tubos.
Las varillas y los limpiadores mecánicos tradicionales para tubos no pueden pasar de un extremo del tubo en U al otro. Existen limpiadores de tubos provistos de motor que pueden limpiar tanto los tramos rectos de los tubos coma los acodamientos.
3. Intercambiador de anillo de cierre
hidráulico.
En el diseño que tiene anillo de cierre hidráulico, el cabezal
flotante se desliza contra el empaque del anillo hidráulico el cual está
comprimido a su vez entre la brida de la carcasa y la cubierta de ésta. El diseño que tiene la caja de estopa es
similar al tipo de diseño con anillo de cierre hidráulico, excepto que el sello
se hace contra una extensión de la placa de tubo flotante y la cubierta está
pegada a la extensión de la placa de tubo por un anillo divisorio.
Esta construcción es la menos costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de la carcasa y del lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en el placa tubular flotante. El anillo de cierre hidráulico lleva orificios de purga. Cualquier fuga a través del empaque pasa por los orificios de purga y, luego, cae al piso. Las fugas en los empaques no darán como resultado la mezcla de los dos fluidos al interior del intercambiador
4.
Cabezal Flotante con Empaque exterior.
El fluido del lado de la carcasa se retiene mediante anillos de empaque,
que se comprimen dentro de un prensaestopas mediante un anillo seguidor de
junta. Su construcción es similar al anillo de cierre hidráulico, pero es sello
se hace con una extensión de la placa tubular flotante y la cubierta está unida
a la extensión de dicha placa por un anillo divisorio.
La construcción de haz desmontable acomoda la expansión diferencial entre
la coraza y se usa hasta presiones
de 4100 kpa. La cubierta del canal flotante suele ser un disco
circular.
5.
Cabezal Flotante con Haz de Arrastre
Continuo.
Los
intercambiadores de cabezal flotante con haz de arrastre continuo tienen una
placa de tubo fija en el final del canal y una placa de tubo flotante con una
cubierta en la parte posterior. El
haz puede ser removido fácilmente de la carcasa desarmando sólo la parte
delantera de la cubierta. La brida
del cabezal flotante y el diseño del perno requieren, entre el haz y la carcasa,
un espacio muerto relativamente grande, el cual aumenta a medida que la presión
de diseño aumenta. Debido a este
espacio muerto, el haz de tubo de arrastre continuo tiene menos tubos por
carcasa que otros tipos de construcción.
El espacio muerto entre el haz y la carcasa decrece la capacidad de
transferencia de calor de la carcasa; por esta razón, éste debe ser bloqueado
por bandas de sello o válvulas inactivas para reducir la comunicación lateral
del fluido en la carcasa. La
limpieza mecánica del lado del tubo y de la carcasa es posible de
hacer.
- Intercambiador de cabezal flotante interno
El haz de tubos es desmontable y la placa tubular flotante se desplaza (o flota) para acomodar las dilataciones diferenciales entre la carcasa y los tubos. El límite de tubo exterior se acerca al diámetro interno del empaque en el placa tubular flotante.
Un anillo dividido de respaldo y un sistema de pernos retienen, generalmente, la cubierta del cabezal flotante a la placa tubular flotante. Se sitúan más allá del extremo de la carcasa y dentro de la cubierta de la carcasa de diámetro mayor. Esta Última, el anillo dividido de apoyo y la cubierta del cabezal flotante se deben retirar antes de que pueda pasar el haz de tubos por la carcasa del intercambiador.
Con un número par de pasos del lado del tubo, la cubierta del cabezal flotante sirve como cubierta de regreso para el fluido del tubo. Con un número impar de pasos, se debe extender una tubería con tobera desde la cubierta del cabezal flotante a través de la cubierta de la carcasa. Se deben tomar precauciones tanto para la dilatación diferencial coma para el retiro del haz de tubos.
CONSTRUCCIÓN
DEL LADO DE LOS TUBOS
Pasos del lado
del tubo
La mayor parte de los intercambiadores tienen un número par de pasos del lado del tubo. El intercambiador de placa tubular fijo (que no tiene cubierta de carcasa) suele tener una cubierta de regreso sin toberas de flujo. Se utilizan también los tipos L y N. Todos los diseños de haz desmontable (excepto para el tubo en U) tienen una cubierta de cabezal flotante que dirige el flujo del fluido del lado del tubo al placa tubular flotante.
Tipos de Tubos.
Comúnmente los tubos para intercambiadores están disponibles con
superficie lisa o aletada. (Existe
una gran variedad de tubos especiales disponibles, pero estos tubos especiales
son raramente usados). La selección
de la superficie está basada en la aplicación, disponibilidad y economía del
sistema.
Los intercambiadores convencionales de carcasa y haz de tubos usan tubos
de superficie lisa. Estos están
disponibles en cualquier tipo de material usado en la fabricación de
intercambiadores y vienen en una gran diversidad de espesores. Este tipo de tubo es apropiado para todo
tipo de intercambiador de carcasa y haz de tubos.
En el caso de tubos con aletas pequeñas, las aletas incrementan 2.5 veces
el área del tubo liso. Los tubos
aletados deben ser usados donde éstos sean económicos para aquellos servicios
con un factor de ensuciamiento en el lado de la carcasa de
Para una relación menor que 3, los tubos aletados pueden ser una buena
selección económica, si ésta implica el requerimiento de menor números de
carcasas que el utilizar tubos lisos.
Los tubos aletados son también particularmente útiles en casos donde el
satisfacer el mínimo diámetro del haz de tubo es de mayor interés que el costo
mismo.
Los tubos estándares de los intercambiadores de calor tienen un
diámetro exterior de 1/4,3/8, 112,5/8,3/4, 1, 11/4 y
Las tolerancias de fabricación para los tubos de acero, acero inoxidable y aleaciones de níquel son de tal índole que los tubos se producen con espesores de pared promedio o mínimo. El tubo de acero al carbono, sin costuras, de espesor mínimo de paredes, puede ir de o a 20%, por encima del espesor nominal de la pared. Los tubos sin costura de pared promedio tienen una variación permisible de 10%. Los tubos soldados de acero al carbono se producen con tolerancias más estrechas (18% en la pared mínima, 9% en la pared promedio). Los tubos de aluminio, cobre y sus aleaciones se pueden estirar con facilidad y, generalmente, se hacen con las especificaciones de paredes mínimas
La práctica común consiste en especificar la superficie del intercambiador en función de los pie cuadrados externos totales de los tubos. La superficie exterior eficaz de transferencia de calor se basa en la longitud de los tubos medida entre las caras internas de las placas tubulares. En la mayor parte de los intercambiadores de calor hay una pequeña diferencia entre la superficie total y la eficaz. Generalmente, se encuentran diferencias importantes en los diseños de placas tubulares dobles y los de presiones elevadas.
Los tubos con aletas integradas, que existen en gran variedad de
aleaciones y tamaños, se utilizan en intercambiadores de calor de coraza y tubo.
Las aletas se extruyen radialmente del tubo de pared gruesa a una altura de 1:6
mm , espaciadas con 19 aletas por pulgada, o bien, a una altura de
Se utilizan generalmente aletas longitudinales en los
intercambiadores de tuberías dobles, sobre la parte exterior del tubo interno.
También se hacen con esos tubos haces de tubos desmontables tradicionales y
tubos en U. En general, la razón de la superficie exterior a la interior es de,
aproximadamente, 10 ó
Se emplean aletas transversales sobre los tubos en servicios con gas a baja presión. La aplicación primordial es en los intercambiadores de calor enfriados por aire, pero se encuentran También en servicio intercambiadores de carcasa y tubo con esos tipos de tubos.
Longitud de Los tubos.
La selección de la longitud del tubo es afectada por la disponibilidad y
el costo del mismo. Mundialmente
las longitudes de tubo no mayor de
El costo del área superficial del intercambiador depende sobre todo de la
longitud. Mientras más largo sea el
tubo, el diámetro del haz tubular decrece para la misma área considerada. El ahorro resulta en la disminución del
costo de las bridas de la carcasa, con un incremento nominal en el costo por una
carcasa más larga. En los límites
prácticos, la longitud del tubo no tiene penalidades en el costo a menos que
esta exceda de
Una desventaja del uso de tubos largos en unidades (como condensadores)
colocadas en estructuras, es el incremento en el costo por requerimientos de
plataformas más grandes y estructuras adicionales. Haces de tubos más largos también
requieren mayor área para el lado de estos, y por consiguiente esto aumenta el
área requerida para la planta.
Diámetro y espesor de la pared.
Los tubos de intercambiadores son suministrados sobre la base de un
mínimo o un promedio de espesor de pared y un diámetro nominal. Para los tubos de intercambiadores, el
diámetro nominal del tubo es el diámetro externo, el cual es fijo. El diámetro interno varía con el espesor
nominal de la pared del tubo y la tolerancia del espesor de pared. El mínimo espesor de la pared del tubo
debe tener sólo tolerancias positivas, por consiguiente, el mínimo espesor es el
espesor nominal de la pared del tubo.
En el caso que la base sea el espesor promedio de la pared del tubo, la
tolerancia puede ser positiva o negativa, por tanto el espesor real de la pared
puede ser mayor o menor que el espesor nominal. La tolerancia permisible varía en
función del material del tubo, diámetro, y el método de fabricación de
este.
Bujes de Tubos
Los bujes de tubos son piezas cortas incrustadas en el borde de la
entrada del tubo. Estas son usadas
para evitar la erosión del tubo
causada por la turbulencia formada a la entrada de este, especialmente cuando se
trabaja con fluidos que contienen sólidos.
Cuando es definitivo que los tubos van a estar sometidos a la erosión por
sólidos en el lado interno de los mismos, los bujes de tubos deben ser
especificados. El material de
construcción, la longitud y el espesor deberían de ser dados. También los bujes de tubos son
ocasionalmente usados en servicio de agua de enfriamiento, para prevenir el
ataque de oxígeno a la entrada o salida del tubo.
Arreglo de Los
Tubos
Existen cuatro tipos de arreglos de tubos con respecto a la dirección
transversal entre los bordes de los deflectores en el lado de la carcasa:
cuadrado (90°),
cuadrado rotado (45°),
triangular (30°), y
triangular rotado (60°). Estos 4 tipos están ilustrados en
Para todos los intercambiadores (excepto rehervidores con flujo de calor
mayor que 19000 W/m² (6000 BTU/h.pie²)) con un factor de ensuciamiento de
Los arreglos de tubos cuadrados y en cuadrado rotado deberían ser
especificados para todos los intercambiadores que tengan un factor de
ensuciamiento en el lado de la carcasa mayor de
El arreglo de tubos para haces removibles pueden ser en cuadrado
(90°), en
cuadrado rotado (45°) o
triangular (30°). Haces no removibles (intercambiadores de
placa de tubo fija) usan siempre arreglos triangular (30°C).
Espaciado entre Tubos (PITCH)
El espaciado de los tubos (PT) es la distancia de centro a centro entre
tubos adyacentes ver Figura 5.1.
Según TEMA esta distancia no debe ser menor que 1,25 el diámetro externo
del tubo para las clases R,C y B.
En la clase C cuando el diámetro de los tubos es menor o igual a
Número de Carcasas
El número total de carcasas necesarias para un intercambiador es
determinado generalmente por la magnitud de la diferencia que existe entre la
temperatura de salida del fluido caliente y la temperatura de salida del otro
fluido. Esta diferencia es conocida
como "la extensión del cruce de temperaturas". El cruce, además de otras variables que
se discuten en el capitulo 3, determinan el valor de F, denominado factor de
corrección de temperatura; este factor debe ser igual o mayor que 0,80. (El valor de F disminuye lentamente
entre 1,00 y 0,80, pero luego decrece rápidamente hasta alcanzar un valor
cercano a cero. Un valor de F menor
que 0,80 no puede predecirse con exactitud a través de la información que
frecuentemente se usa en diseño de procesos). En un intercambiador de una sola
carcasa, F es por lo menos 0.80 cuando la diferencia de temperaturas es 0
°C (32
°F). Incrementar el número de carcasas
permite aumentar la extensión del cruce y/o el valor de F.
El número total de carcasas también depende de la superficie total
requerida, debido a que el tamaño de la misma está usualmente limitado con
respecto al manejo de fluidos. Si
no hay restricciones locales debido a la capacidad en el manejo del haz de tubos
o del equipo de limpieza, el área máxima por carcasa está usualmente limitado a
una unidad con una carcasa de un diámetro de
En casos especiales, como rehervidores e intercambiadores de placa fija
de tubos, se usan, ocasionalmente, grandes áreas por carcasa. [Areas hasta de
Tamaños de
carcasas Las carcasas de intercambiadores de calor se hacen, en general, con
tuberías de acero de pared estándar, de tamaños que van hasta
El número de tubos para carcasas de intercambiadores de calor a altas presiones son con frecuencias menores en número que los tabulados. Las carcasas de tuberías para altas presiones mantienen un diámetro exterior, mientras que el espesor incrementado de la carcasa reduce el número de tubos y el limite tubular exterior. La sujeción con pernos para altas presiones para los tipos S o de faldón grueso para el tipo P, pueden incrementar el espacio necesario de separación entre el diámetro interior, ID, de la carcasa y el DOTL con una reducción consiguiente del numero de tubos.
Deflectores
Deflectores Transversales
Se proporcionan deflectores con fines de transferencia de calor. Cuando no se requieren deflectores del lado de la carcasa, Con fines de transferencia de calor, como puede ocurrir en el caso de los condensadores o los rehervidotes, se instalan soportes de tubos. Lo deflectores transversales soportan a los tubos, restringen la vibración de estos por choque con el fluido y canalizan el flujo del fluido en el lado de la carcasa. Generalmente se usan dos tipos de deflectores: el segmentado y el doble segmentado.
En general, el espaciamiento mínimo de deflectores es de 1/5 del
diámetro de la carcasa y de no menos de
Ø
Deflectores
segmentados
Los deflectores segmentados o de flujo cruzado son estándares. Se emplean deflectores de segmento sencillo doble y triple.
Los deflectores de segmento doble reducen la velocidad de flujo cruzado para un espaciamiento dado del deflector. El deflector con triple segmento reduce tanto el flujo cruzado como la velocidad del flujo, longitudinal y se identifican como deflectores de "corte de ventana"
Los cortes de deflectores se expresan como la relación de la altura de la abertura del segmento respecto al diámetro interno de la carcasa.
Muchas veces se utilizan estos deflectores con corte horizontal. Esta disposición no es satisfactoria para los condensadores horizontales, puesto que el condensado puede quedarse atrapado entre 1os deflectores, o para fluidos sucios, donde la suciedad se puede asentar. Se emplean deflectores de corte vertical para el flujo de lado a lado en los intercambiadores horizontales con fluidos sucios o en condensación. Los deflectores tienen muescas para asegurar el drenaje completo, cuando se sacan las unidades del servicio (esas muescas permiten cierta desviación del haz de tubos durante el funcionamiento normal).
Los tubos se disponen casi siempre con un paso en forma de triangulo equilátero. Los tubos se colocan con un paso cuadrado, primordialmente con fines de limpieza mecánica en los intercambiadores de haces desmontables.
El corte máximo de los deflectores se limita a 45% aproximadamente para deflectores de segmento sencillo, de modo que cada par de deflectores soporta a cada tubo. En general, los haces de tubos tienen cortes de deflectores, de modo que al menos una hilera de tubos pase a través de todos los deflectores sobre placas de soporte. Esos tubos retienen todo el haz. En los intercambiadores de carcasa y tubo, con un corte de deflectores horizontal y una costilla de paso horizontal para dirigir el flujo del lado del tubo en el canal, el corte máximo de deflector que permite que pase un mínimo de una hilera de tubos por todos los deflectores es de aproximadamente 33% en las carcasas pequeñas y 4o% en las carcasas de tuberías mayores.
Los índices máximos de transferencia de calor del lado de la carcasa, en convección forzada, se obtienen aparentemente mediante el flujo cruzado del fluido en ángulo recto con los tubos. Para elevar al máximo este tipo de flujo, se construyen algunos intercambiadores de calor con desviadores de cortes de segmentos y sin tubos en la ventana (o el corte del deflector). El espaciamiento máximo de los deflectores puede ser igual que el tramo máximo de tubos sin soporte, mientras que el espaciamiento tradicional de los deflectores se limita a la mitad de ese tramo.
Cuando se tienen soportes intermedios, el espaciamiento máximo de los deflectores donde no hay tubos en la ventana de deflectores segmentados sencillos es ilimitado. Se tienen cortes en ambos lados del deflector, por 1o que no se afecta el flujo del fluido del lado de la carcasa. Cada soporte cubre todos los tubos; los soportes se encuentran espaciados, de manera tal que el soporte sea adecuado a los tubos.
El CORTE
del deflector, es la porción del deflector "cortada" para permitir el flujo a
través del mismo. Para los
deflectores simples segmentado, esta porción es expresada en porcentaje y viene
dada como el cociente entre la altura del corte y el diámetro interno de la
carcasa. Usualmente, los cortes de
los deflectores son de aproximadamente 25 % de su área, aunque el máximo corte
práctico para los soportes de tubos es aproximadamente 48%. .
El corte de los deflectores doble segmentado es expresado en porcentaje y viene dado como el cociente entre el área de la ventana del deflector y el área de la sección transversal del intercambiador. Normalmente, las áreas de los huecos centrales en los deflectores dobles son iguales y cubren 40 % del área de la sección transversal del intercambiador. Esto permite un solapamiento de deflectores de aproximadamente 10 % del área de la sección transversal en cada lado del intercambiador. Sin embargo, el solapamiento debe ser suficiente para que por lo menos una fila de tubos sea soportada por segmentos adyacentes.
Ø
Deflectores de
varilla
Los deflectores de varilla o barra son varillas o barras que se extienden a través de las sendas existentes entre las hileras de tubos. Un arreglo deflector puede consistir de un deflector con varillas en los espacios verticales y otro con varillas en los espacios horizontales entre tubos. El flujo del lado de la carcasa es uniforme y paralelo a los tubos y no se tienen áreas de estancamiento.
Ø
Tirantes y
espaciadores
Se emplean tirantes para sostener los deflectores en su lugar con espaciadores, que son piezas de tubos o tuberías que se colocan en los tirantes para situar los deflectores en forma adecuada. A veces, los deflectores se sueldan a los tirantes y se eliminan los espaciadores. Los tirantes y los espaciadores situados en forma apropiada sirven tanto para mantener unido el haz coma para reducir las desviaciones de los tubos.
En unidades muy grandes de placas tubulares fijas, donde aumenta la excentricidad de las carcasas, los deflectores se suelen soldar a la carcasa para eliminar la derivación entre el deflector y la carcasa.
Los deflectores metálicos son estándares. A veces se utilizan deflectores de plástico, ya sea para reducir la corrosión o en servicios vibratorios donde los deflectores metálicos podrían cortar los tubos.
Ø
Deflectores
anti-choque
El haz de tubos se protege habitualmente contra los choques del fluido que llega de la tobera de entrada a la coraza, cuando el fluido del lado de la carcasa esta a velocidad alta, se esta condensando o es un fluido de doble fase. El área mínima de entrada en torno a la tobera suele ser en general igual que el área de entrada de la tobera. Las toberas de salida requieren También un área adecuada entre los tubos y las toberas. Un haz completo sin disposiciones para el área de entrada de la tobera a la carcasa puede incrementar la velocidad del fluido de entrada hasta en un 300%, con una perdida consiguiente de presión
Los deflectores anti-choque se fabrican por 1o general con placas rectangulares, aunque es mejor su fabricación con placas circulares. En algunas ocasiones se utilizan varillas y otros dispositivos para proteger los tubos del choque. Con objeto de tener la mayor cantidad de tubos protegidos de choques, a menudo se coloca la placa anti-choque en la abertura de una tobera cónica o en una tapa colocada en la carcasa.
Se recomiendan deflectores anti-choque o dispositivos de distribución de flujo para las toberas axiales del lado de los tubos, ciando las velocidades de entrada sean elevadas.
Banda de Sello
Las bandas de sello son planas y de metal. Estas se extienden a lo largo de la
carcasa para prevenir que el fluido de la carcasa fluya a través del espacio
entre el haz de tubo y la cara interna de la carcasa. La banda de sello está ubicada entre los
bordes de deflectores adyacentes, en el espacio entre el haz y la carcasa.
Las bandas de sello normalmente son instaladas en haces de arrastre
continuo debido a que el espacio entre el haz de tubo y la carcasa es bastante
grande (
Disposición
de las sustancias en un intercambiador de calor.
La disposición de las corrientes que circularán en el intercambiador,
depende de varios factores, y dependes de las condiciones del proceso.
1.
Alta presión
Es recomendable colocar la corriente de mayor presión del lado de los
tubos. En este caso, solo los tubos tendrían que ser diseñados para esta
condición, y el material de la carcasa puede diseñarse de un material mas
económico. En caso de que ambos fluidos estén a altas presiones, la carcasa
deberá diseñarse lo más angosta posible.
2.
Corrosión
La corrosión es el factor determinante en la selección del material del
intercambiador. Como los materiales resistentes a la corrosión suelen ser más
costosos, es recomendable que el fluido más corrosivo fluya por el interior de
los tubos, para que no deteriore a la carcasa y a los tubos por igual. Si esta
condición no puede ser evitada, debe elegirse una configuración que permita la
sustitución de las partes, y el fácil mantenimiento en
general.
3.
Fouling
Ø
El
fouling puede minimizarse con altas velocidades, y evitando zonas de flujo
lento.
Ø
Para
facilitar la limpieza, es recomendable que el fluido con mayor coeficiente de
incrustación circule por el interior de los tubos, debe haber un amplio
espaciamiento entre tubos y configuración de cuadrado rotado (45º) si el fluido
de la carcasa tiene alto fouling.
4.
Bajo coeficiente de transferencia de
calor.
Es preferible que
la corriente con el menor coeficiente de transferencia de calor circule por el
lado de l a carcasa , para que las aletas puedan ayudar a solventar este
problema.
En general, podemos esquematizar el fluido que circulará por los tubos,
en el siguiente orden en la lista:
1.
Agua de
enfriamiento.
2.
Fluidos
corrosivos o en fluido propenso al depósito de coque, sedimentos y otros
sólidos.
3.
Fluidos
con alto factor de ensuciamiento.
4.
El menos
viscoso de los 2 fluidos.
5.
El
fluido de mayor presión (para
presiones extremadamente altas, 6900 KPa (1000 psi) manométricas, puede ser
económico tratar este punto como número 1 en esta lista.
6.
El
fluido más caliente.
7.
El
líquido de menor volumen.
Problemas en los intercambiadores de calor de carcasa y
tubos.
Esfuerzo
térmico:
Por la naturaleza de su funcionamiento la carcasa estará a una
temperatura significativamente diferente a los tubos, por lo que las
contracciones o expansiones sean distintas, dando como resultado la aparición de
esfuerzos en ambos componentes, que se transmiten a través de la placa tubular.
Las consecuencias del estrés térmico varían según las circunstancias. El
intercambiador de placa tubular fija es especialmente vulnerable a esta
condición debido a que no hay manera de lidiar con costa diferencia de
expansiones.
·
Junta de expansión de la
carcasa
La solución mas obvia para
el problema de la expansión térmica es colocar una junta de expansión. Esto
resulta menos practico para carcasas de gran diámetro o altas presiones del lado
de la carcasa.
·
Resortes
internos
Recientemente se ha
hecho popular el uso de resortes internos para aplicaciones como rehervidotes
verticales, donde solo se permite un paso por el lado de los tubos. Estos
resortes han sido diseñados par operar exitosamente con agua en ebullición con
presión al lado de los
tubos.
·
Intercambiadores de tubo en
U
Una variación del diseño que permite una expansión independiente de tubos
en la carcasa es la configuración de tubo en U. a pesar de ser una de las
mejores soluciones para resolver el problema de expansión térmica, tiene como
defecto la imposibilidad de reemplazar los tubos individuales con la excepción
de la fila exterior, e incapacidad de limpiar la curvatura, lo que o hace
inaceptable para algunos servicios.
·
Diseño de cabezal flotante
El diseño mas simple de cabezal flotante es el cabezal de arrastre. Una
placa tubular se hace lo suficientemente pequeña y su cabezal empaquetado puede
ser completamente removido para la inspección y mantenimiento. El lado de los
tubos debe ser limpiado y los tubos individualmente sustituidos sin remover el
haz de la carcasa. Desafortunadamente muchos tubos deben ser omitidos del bode
del haz completo para permitir que el cabezal sea
atornillado.
Este problema se soluciona en el cabezal flotante de anillo partido,
atornillando al cabezal flotante a un anillo dividido en lugar de a la placa
tubular. Con el costo de hacer mas complejo el diseño no se pierden tubos en la
periferia de haz.
Esfuerzos
mecánicos
Además de la
diferencia de temperaturas, existen otras fuentes de esfuerzos mecánicos.
Algunas son producto de los métodos constructivos, por ejemplo, los esfuerzos
producidos en el tubo y la placa tubular al rolar los tubos o soldarlos. A estos
se le suman los procesos producidos por el comportamiento de las corrientes,
especialmente durante la operación.
Para proteger a los
intercambiadores de la deformación permanente y la fatiga, es preciso diseñar
para estas condiciones y asegurarse de no superar los valores de esfuerzo
mayores a los de diseño.
Vibración
Un gran problema en
los intercambiadores de calor de carcasa y tubos es la vibración inducida por el
flujo. Los tubos pueden vibrar y ser forzados contra los deflectores, e incluso
chocar contra otros tubos, lo que
puede causar deformación y desgaste severos. La continua flexión puede causar
fatiga .
La mayoría de estas vibraciones provienen de los vórtices, formados
debido a las condiciones de flujo. Están suelen ser pequeñas, pero muy
numerosas, y con frecuencias muy altas, empeorando esta condición a mayores
velocidades del fluido.
Vibración del haz de tubos
El daño causado por la vibración de tubos ha llegado a ser un fenómeno creciente cuando las dimensiones de los intercambiadores de calor y las cantidades de flujo se incrementan. El flujo del lado de la carcasa, la configuración de los deflectores y el claro de los tubos no soportados son aspectos básicos.
Los mecanismos de la vibración de tubos son los siguientes:
Derramamiento en vórtice :La frecuencia de derramamiento del fluido en sistemás de flujo cruzado sobre los tubos puede coincidir con una frecuencia natural de los tubos y provocar vibraciones resonantes en un intervalo amplio.
Acoplamiento elástico de fluido:El fluido que fluye sobre los tubos provoca en ellos vibración en forma de movimiento en remolino. El mecanismo del acoplamiento elástico tiene lugar cuando se excede la velocidad "crítica" y la vibración es auto-excitante y crece en amplitud. Este mecanismo ocurre con mucha frecuencia en intercambiadores de calor de proceso que han sufrido daño por vibración.
Fluctuación de la presión :Las fluctuaciones de la presión a causa de la turbulencia desarrollada en el cuerpo de un cilindro, o los que llegan al mismo desde la corriente al entrar al sistema pueden causar un mecanismo potencial para la vibración de los tubos. Los tubos responden a la porción del espectro de energía cercano a su frecuencia natural.
Acoplamiento acústico: Cuando un fluido del lado de la carcasa es un gas de baja densidad, se desarrolla una resonancia ó acoplamiento acústico cuando las ondas fijas están en fase con el derramamiento en vórtice de los tubos. Las ondas fijas son perpendiculares a los ejes de los tubos y a la dirección de flujo cruzado. Sólo se dañan los tubos de manera ocasional; sin embargo, el ruido provocado por éste puede ser muy molesto.
Erosión
Consiste en la
acelerada remoción de material debida a la fricción del fluido circulante por el
interior do exterior de los tubos.
La severidad de la erosión depende de la dureza del material, de la
velocidad y viscosidad de los fluidos. Además , esta suele ser mayor en los
puntos de menor velocidad del flujo o n la curvatura de los tubos en U, donde la
separación de la capa límite provoca un esfuerzo cortante que acentúa este
efecto.
Corrosión
Materiales de construcción: El material de construcción más común en los intercambiadores de calor es el acero al carbono. La construcción de acero inoxidable se utiliza a veces en los servicios en plantas químicas y, en raras ocasiones, en las refinerías petroleras. Muchos intercambiadores se construyen con metales disfmbolos. Esas combinaciones funcionan satisfactoriamente en algunos servicios. Se requieren cuidado extremo en su selección, puesto que pueden producirse ataques electrolíticos.
Los tubos de aleaciones de cobre, sobre todo el latón Admiralty inhibido, se emplean en general con enfriamiento por agua. Las placas tubulares y los deflectores de aleaciones de cobre son, en general, de latón naval.
Se están utilizando, algunas veces las aleaciones de aluminio en servicios con agua (sobre todo el aluminio Alclad). La aleación Alclad tiene una capa de aleación de aluminio de sacrificio unida metalúgicamente a una aleación central.
Los cabezales del lado del tubo para 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 recubierto de plomo o plástico. .
Tubos bimetalicos
Cuando los requisitos de corrosión o las condiciones de temperatura no permiten la utilización de una aleación simple para los tubos, se utilizan tubos bimetalicos (o duplex). Se puede hacer de casi cualquier combinación posible de metales. Varía 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. En los calibres mayores, el componente más costoso puede comprender de una quinta a una tercera parte del espesor total.
Cuando el material más duro se encuentra en la parte exterior, es preciso tener la precaución para extender el tubo adecuadamente. Cuando el.{material interno es considerablemente más blando, el laminado puede no resultar práctico, a menos que se utilicen casquillos del material blando.
Para eliminar la acción galvanica, se puede desnudar el material exterior del tubo en los extremos, reemplazándolo con casquillos del material interno.
Cuando el extremo de un tubo con un casquillo se dilata o suelda a un placa tubular, el fluido del lado del tubo solo puede entrar en contacto con el material interno, mientras que el externo se ve expuesto al fluido del lado de la carcasa. .
Los tubos bimetalicos están disponibles a partir de un pequeño número de laminadores de tubería, y son fabricados únicamente bajo pedido especial y en grandes cantidades. .
Placas tubulares revestidas
Generalmente, las placas tubulares y otras piezas de intercambiadores son de un metal fuerte. Las placas tubulares bimetalicos o recubiertos se utilizan para reducir los costos o porque no hay ningún metal simple que resulte satisfactorio para las condiciones de corrosión. El material de aleación (por ejemplo, acero inoxidable, etc.) se une o deposita como revestimiento a un material de respaldo de acero al carbono. En la construcción de placas tubulares fijas se puede soldar un placa tubular revestido de aleación de cobre a un placa tubular de acero, mientras que la mayor parte de las placas tubulares de aleación de cobre no se pueden soldar al acero de una manera aceptable para las autoridades del código ASME.
Las placas tubulares revestidos con aleaciones ferrosas se preparan generalmente mediante un proceso de soldadura, en el que el material de aleación se deposita al soldarlo sobre la cara del placa tubular. Se requieren precauciones para producir una deposición de soldadura que no tenga defectos, ya que estos últimos pueden permitir que el fluido del proceso ataque al metal básico por debajo de la aleación. Las placas tubulares revestidos con una aleación de cobre son preparados mediante la soldadura fuerte de la aleación al material de respaldo de acero al carbono.
Los materiales de revestimiento pueden ser preparados mediante técnicas de enlace que implican el laminado, el tratamiento térmico, etc.
Cuando se fabrican adecuadamente, los dos metales no se separan debido a las diferencias de dilatación térmica que se encuentran en servicio. Se pueden preparar materiales de revestimiento mediante técnicas de soldadura fuerte y el recubrimiento de la aleación por soldadura. Se emplean poco las placas tubulares revestidos preparados mediante soldadura por puntos en los bordes exteriores de la aleación y el metal básico o la sujeción de los dos metales con pernos.
Constricción no metálica
Se producen equipos intercambiadores de calor de grafito impermeable en gran variedad de formas, incluyendo los de carcasa y tubo de cabezal exterior empaquetado. Se fabrican con tubos y cabezales del lado del tubo de grafito impermeable y carcasas metálicas. Existen unidades simples que contienen hasta 13oo m2 (14 ooo ñ2) de superficie de transferencia de calor.
Fouling
Para el diseño de intercambiadores es muy importante considerar
algunos criterios como los siguientes sobre ensuciamiento:
1. El ensuciamiento no
es usualmente severo por debajo de los 120°C
(250°F).
2. El ensuciamiento es
más severo cuando los hidrocarburos se calientan que cuando se enfrían. Esto se cumple particularmente para los
crudos que contienen sales disueltas en el agua y sólidos
suspendidos.
3. La ebullición en un
intercambiador puede causar ensuciamiento severo, debido a la concentración, de
depósitos en el líquido remanente hasta el punto de
sobresaturación.
4. Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento. Esto se cumple especialmente en los casos de agua de enfriamiento que contiene sal, crudo con arena y gases con partículas.
Costo
No existe una correlación exacta para calcular el costo de un
intercambiador de carcasa y tubos, pero podemos identificar los elementos que
contribuyen al aumento del costo y cómo esto cambia dependiendo de la
configuración.
Cuando se tienen condiciones especiales de operación, y se necesitan de
ciertos tipos de material, el costo suele elevarse. Bajo estas circunstancias se
busca la manera de conseguir una configuración adecuada. Por ejemplo, cuando se
trabaja con sustancias especialmente corrosivos, se suelen disponer en el
interior de los tubos, ya que de esta manera no estarían afectando a los tubos y
a la carcasa simultáneamente.
Otro hecho es que el
costo de la carcasa aumenta casi linealmente con la longitud de esta, pero a una
tasa mucho más elevada con el aumento del diámetro. Por lo que , para una misma
superficie de transferencia de calor, es preferible elegir una carcasa larga(
relación longitud-Diámetro
Caída de Presión
La caída de presión de diseño a ser usada usualmente es determinada por
un balance económico entre, (a) el alto costo de bombear y de ciertos componentes de intercambiadores y (b) la
reducción de área superficial. A
medida que el número de pases del tubo es incrementado o el espaciado de
deflectores es reducido, la velocidad del fluido aumenta, produciendo así un
aumento en la caída de presión y en el coeficiente de la película. Otra ventaja del incremento de la
velocidad es que la medida de ensuciamiento decrece.
Para corrientes presurizadas, la caída de presión debe ser
maximizada. Cuando no existe
información o restricciones de proceso sobre la velocidad máxima, una limitación
razonable para líquidos es cerca de
Para corrientes bombeadas, a menos que estén limitadas de otra manera, la
caída de presión preliminar de diseño es la requerida para copar completamente
la fuerza motriz de la bomba.
1. LADO DEL TUBO:
Para enfriadores y condensadores usando agua, especifique tanto el material de
construcción del tubo lo permita,
suficientes pasos de tubo para maximizar
la utilización de la caída de presión disponible. La velocidad máxima y mínima de agua
varía con el material del tubo y del tipo de agua.
Para servicios con hidrocarburos, especifique suficientes pasos para
obtener una alta velocidad en los tubos, previniendo así el flujo laminar o de
transición.
En algunos casos las condiciones terminales del intercambiador pueden ser
tales, que el tipo de flujo puede cambiar de laminar a turbulento (o viceversa)
dentro de la unidad. Esto debe
evitarse, debido a que la transferencia de calor en la región de transición no
es predecible. Para algunos
servicios como combustible pesado, este problema se puede solucionar usando
fluidización con un fluido apropiado, que tenga una densidad más
baja.
Normalmente, no menos de dos o más de ocho pases de tubo son usados. Con más de ocho y menos de dos, la
construcción se complica y los costos de fabricación tienden a ser
excesivos. Note que los arreglos de
2, 4 u 8 pasos de tubo son fácilmente intercambiables. Sin embargo, en casos especiales, 1 paso
o más de 8 pasos pueden algunas veces ser justificados.
Restricciones sobre los arreglos de pasos de tubo para diseños
particulares de intercambiadores son como siguen:
a.
Intercambiadores de Placa de Tubo Fija: Cualquier número de pases de
tubo, impar o par, si es posible.
Los arreglos más comunes son de un paso un número par de pasos
múltiples.
b.
Intercambiadores de Tubos en U: Cualquier número de pasos de tubo es
posible, pero normalmente el máximo recomendado es 6, debido a consideraciones
de construcción.
c.
Intercambiadores de Cabezal Flotante con Anillo Dividido y Arrastre
Continuo: Cualquier número de pasos de tubo es posible. Debido a que los diseños de un sólo paso
de tubo, a pesar de no ser generalmente usados requieren expansión especial o
juntas empacadas.
d.
Intercambiadores de Cabezal Flotante Empacado Externamente con Anillo de
Cierre Hidráulico: Solamente arreglos de un solo paso o dos son posibles en este
tipo de construcción.
e.
Intercambiadores de Cabezal Flotante Empacado Externamente de Caja de
Estopas: Cualquier número par o impar de pasos de tubo es posible. Los arreglos más comunes son de un paso
un número par de pasos múltiples.
2. LADO DE
Número de pases en
En casos especiales de requerimientos de grandes superficies,
especialmente en servicios requiriendo carcasas en series para satisfacer los
requerimientos de F, unidades de carcasa con pasos múltiples empleando
deflectores longitudinales son la selección más económica. Sin embargo, es bastante difícil estimar
con precisión el costo de intercambiadores usando deflectores
longitudinales. Es por esto que es
recomendable por el momento, que para aquellos casos donde la construcción sea
aplicable, el intercambiador se especifica como una unidad de un paso por
carcasa.
b. Deflectores
Transversales: Normalmente los
deflectores simple segmentado, a menos que la caída de presión en el lado de la
carcasa sea excesiva, hasta con un espaciado máximo de deflectores. En estos casos, deflectores doble
segmentado deben ser usados, por que estos resultan en una caída de presión más
baja, con solo un pequeño descenso en el coeficiente de transferencia de calor
en el lado de la carcasa.
3. Boquillas: Use 2 boquillas de salida (una en cada
extremo de la carcasa) y una boquilla de entrada en el centro, o viceversa, si
otra manera de reducir la caída de presión resulta inefectiva. Esto se determina "Carcasa de Fluido
Dividido" (TEMA J).
Para condensadores u otros intercambiadores usando vapor, una sección
alargada en la boquilla de entrada de la carcasa ("cinturón de vapor") es usado
algunas veces. Los cinturones de
vapor son recomendados si la boquilla de vapor es grande comparada con el
diámetro de la carcasa. Estos
evitarán el tener que quitar tubos para proveer el área de flujo requerida entre
la carcasa y el deflector de
choque, permitiendo así la distribución del vapor entrando al
haz.