DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR A continuación se describen los componentes y partes de un intercambiador de calor. Además se analizan térmica y mecánicamente para facilitar la posterior comprensión del diseño. De acuerdo con la clasificación oficial del TEMA, los intercambiadores se pueden se clasifican según su construcción. Se diferencian claramente tres partes en cada intercambiador: carcasa, distribuidor delantero y distribuidor trasero. TIPOS DE INTERCAMBIADOR: SEGÚN LOS PASOS POR CARCASA: E: 1 paso por carcasa
Se suele emplear para servicios servicios de una fase (100% líquido o 100% vapor) vapor) o para mezclas en servicio forzado. F: 2 pasos por carcasa con bandeja longitudinal. longitudinal .
Se emplea en las mismas aplicaciones que la E, pero es menos utilizado.
Se emplea en caso de cruce de temperaturas entre lado carcasa y lado tubos. Ejemplo: en centrales nucleares en los diferentes circuitos de agua de refrigeración. Flujo en contracorriente puro cuando hay dos pasos por tubos. Junta central: puede ir soldada o apoyada. En este último caso se pueden producir by-passes importantes cuando la pérdida de carga en carcasa sea elevada. J: flujo dividido.
Disminuye la pérdida de carga respecto a las configuraciones anteriores (1/8 aprox). Disminuye también el coeficiente de transmisión de calor, por lo que no es recomendable para servicios de una sola fase, y solo se utilizará cuando la Se emplea típicamente en servicios de condensación (J21) y evaporación (J12), ya que en condensación o evaporación el coeficiente es más independiente de la velocidad. G (split flow) y H (double split flow): termosifones asociados a columnas
Las condiciones de entrada son próximas a la saturación. La cantidad de vapor a la salida suele ser 20 – 30% (régimen de tubo mojado). No se emplean para evaporación total. está muy limitada y el coeficiente no mejora con la velocidad. Pérdida de carga: 0,1 – 0,2 kg/cm2 Longitud máxima de tubos viene dada por el doble de la longitud máxima sin soportar (limitada a 1524 mm para tubos de ¾”) Por lo tanto, en carcasas tipo
G la longitud máxima es de 3 m y en carcasas tipo H de 6 m. X: Flujo transversal
En este caso sólo hay flujo transversal. Para conseguirlo, se precisan muchas toberas de entrada y salida (se calcula para que cada tobera dé servicio a 1 m a cada lado aproximadamente). Se emplea en evaporaciones con circulación natural con importantes limitaciones de pérdida de carga. La cantidad de vapor a la salida se encuentra en torno a 10 – 30% (régimen detubo mojado).
K: kettle (evaporador con separador de vapor)
Suelen emplearse para evaporación total. En caso de que la evaporación no sea completa, debe instalarse un rebosadero de líquido, con su correspondiente tobera de salida y dejar espacio suficiente para la correcta separación entre el líquido y vapor. El líquido debe cubrir todo el bundle. El espacio de vapor se diseña para un porcentaje determinado de líquido a la salida. Si la entrada es líquido saturado, se realiza por la parte inferior; si se trata de Líquido subenfriado se alimenta por la parte superior del kettle, para que el vapor precaliente el líquido hasta la saturación.
Comparación de tipos de carcasa:
SEGÚN EL TIPO DE CABEZAL DE ENTRADA Los cabezales soldados (placa tubular fija) suelen emplearse en la industria química, mientras que en la petroquímica se utilizan los cabezales no soldados.
A: Cabezal con tapa desmontable.
Es posible limpiar los tubos sin desmontar el cabezal porque tiene tapa (apto para fluido sucio por tubos). B: Cabezal integral.
Permite desmontar el bundle, pero no tiene tapa (apto para fluido limpios por tubos en U) recomendable también para altas presiones, aunque el fluido por tubos sea sucio. Si la presión es superior a 50kg/cm2 Se prefiere el cabezal B al A, y tubos en U (BHU). Soporta mayor presión que A debido a su forma elíptica. 50 < P < 80 kg/cm. Menos probabilidad de fugas que A y más barato.C: Placa tubular fija, soldada al channel, por lo que las fugas son menores. Es posible la limpieza en carcasa y en los tubos (interior y exterior) ya que el bundle es extraíble. No es muy empleado.
N: Cabezal integral con tapa desmontable.
La placa tubular es fija, soldada al channel y a la carcasa, por lo que no se puede limpiar el exterior de los tubos (bundle no extraíble). Carcasa para fluido limpio y corrosivo o peligroso, puesto que no se producen fugas. Más barato que B. Si la dilatación es muy diferente en carcasa y en tubos, se debe estudiar la posibilidad de instalar una junta de expansión. D: Cabezal especial para alta presión
Se emplea típicamente a cuando P > 100 kg/cm2 (unidad de hydrocraquing). Son llamados equipos de alta presión. Dentro de estos se pueden diferenciar dos tipos dependiendo si son diseñados con presión diferencial o sin presión diferencial. TUBOS Poco se puede decir de los tubos en cuanto al diseño térmico, excepto que son ellos los que conforman el área de transmisión de calor. En cuanto a sus dimensiones, se especifican con el OD (outside diameter) y la galga o
espesor (BWG). Para cada OD, hay diferentes posibilidades de galga en función del tipo de material, en cambio estas galgas son las más usadas: OD = ¾ in BWG 14 para acero al carbono y BWG 16 para aceros aleados. OD = 1 in BWG 14 o 12 para acero al carbono y BWG 16 para aceros aleados. Se emplean longitudes estándar: 20, 24 o 30 ft (6096, 7300 y 9100 mm respectivamente). Existen también muchas otras longitudes estándar, aunque éstas son las más empleadas. Existen varios tipos de tubos: - Lisos: se emplean en el 95% de los casos. - Low – finned: aletas pequeñas (2-5 mm). Se emplean en evaporadores, con un coeficiente de transferencia de calor en carcasa muy bajo (para aire, por ejemplo). No son limpiables. Se utilizan en casos de revamping o con problemas de espacio. - Longitudinal finned tube: en intercambiadores de doble tubo (para el tubo interno) cuando el área es menor de 6 m2 y el calor transferido es muy pequeño. BAFFLES (BANDEJAS) Son las encargadas de dirigir, mover y mezclar el fluido que circula por la carcasa. Son determinantes a la hora de calcular la pérdida de carga de ese fluido. Se suelen clasificar según su corte: - Corte perpendicular: flujo up and over. Es recomendable para flujo monofásico. - Corte paralelo/vertical: flujo side to side. Es recomendable para flujo bifásico. El corte debe estar entre 15-45 % para flujo monofásico y entre 25-45 % en caso de flujo bifásico (% en área). La longitud de tubos sin soportar debe ser menor o igual a dos veces la distancia entre baffles. El número de baffles debe ser tal, que se reduzcan al mínimo los efectos de entrada y salida. Este efecto es más acusado cuanto menor es el número total de baffles.
Tipo de bandejas:
a) Single segmental. La longitud de tubo sin soportar es el doble de la distancia entre badejas (baffle pitch, Bp). Producen elevada pérdida de carga en carcasa. b) Double segmental. Se disminuye la pérdida de carga a 1/3 respecto a single segmental. Longitud sin soportar = 2 Bp. c) NTIW (No tubes in window). Transferencia de calor 100% transversal (solo Gc). Corregir coeficientes. Se emplea cuando hay problemas de vibración en carcasa porque todos los tubos están soportados (longitud sin soportar es 1 x Bp). El corte es del 15%. El principal inconveniente es que se necesitan carcasas muy grandes en proporción con el número de tubos. Puede disminuirse la pérdida de carga. Entre los baffles pueden instalarse soportes de tubos que abarquen todo el bundle, a fin de poner mayor distancia entre los baffles; no afectan al flujo porque éste es 100% transversal.
Comparación de los tipos de bandejas:
IMPINGEMENT PLATE Su función principal es la de desviar el flujo de entrada en la carcasa para evitar que golpee directamente a los tubos y pueda dañarlos seriamente. Se sitúa debajo de las toberas de entrada del lado carcasa y debemos tener en cuenta varios conceptos para su correcto dimensionado. Su forma habitualmente es circular o rectangular y debe estar centrada respecto a la tobera de entrada y aun altura baja tobera definida por el cálculo térmico. Según API debe sobresalir 25 mm respeto la cara interior de la tobera. PITCH Separación entre tubos En general, 1,25 – 1,5 OD (en ¾ in, el mínimo es 1,3 OD). El ideal es instalar el mínimo pitch posible y modificarlo en función de los dispositivos empleados para limpieza. Hay varias formas de distribución:
Cuadrada: fluidos sucios, cabezal flotante, tubos en U bundle extraíble para limpiar. - 90º o cuadrada normal: en evaporación (termosifón, reboiler, kettle…). - 45º o cuadrada rotada: da mejor coeficiente a velocidades bajas; suele emplearse en condensaciones.
Triangular: distribución más compacta, por lo que mejora el coeficiente, pero no puede limpiarse. Se emplea con placas tubulares fijas. Nunca se empela en termosifones ni en refinería, puesto que los fluidos son sucios. - 60º o triangular rotada. - 30º o triangular normal.
FALLOS DE UN INTERCAMBIADOR Los fallos que pueden ocasionar que un intercambiador de calor no funcione correctamente, pueden ser causados por alguno o varios de los factores siguientes: Ensuciamiento excesivo. Bolsas de aire o gas producidas por una mala instalación de tuberías o por falta de venteos apropiados. Condiciones de operación diferentes de las de diseño. Mala distribución de flujo en el equipo. Huelgos excesivos, entre placas deflectoras y virola de carcasa o entre tubos y taladros en placas deflectoras (para el caso de tubos), debidos a corrosiones. Diseño térmico incorrecto.
DESCRIPCIÓN DE LAS NORMAS El diseño mecánico de recipientes a presión, como el de la gran mayoría de los equipos para procesos industriales, se encuentran regidos por diferentes normas y códigos. Para el caso de los intercambiadores de calor, que es el tema del que nos ocuparemos, el código más empleado es el ASME Boiler and Pressure Vessels Code (Código para Calderas y Recipientes a Presión de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). La aplicación de dicho código, requiere de un amplio criterio para la interpretación correcta del mismo en el diseño. Asimismo existen la s normas “TEMA” (Standard of Tubular Exchangers Manufactures Association) cuya finalidad es regular los criterios de diseño y fabricación de los equipos que nos ocupan.
CODIGO ASME
El código ASME es un conjunto de normas, especificaciones, fórmulas de diseño y criterios basados en muchos años de experiencia, todo esto aplicado al diseño, fabricación, instalación, inspección, y certificación de recipientes sujetos a presión. Fue creado en los Estados Unidos de Norteamérica en el año de 1907, por iniciativa de varias compañías de seguros con el fin de reducir pérdidas y siniestros. El comité que lo forma está constituido por ingenieros de todas las especialidades y de todos los sectores, con el fin de mantenerlo siempre actualizado. NORMAS TEMA. (STANDARD OF TUBULAR EXCHANGERS MANUFACTURERS ASSOCIATION)
ORIGEN. Las causas que motivaron la realización de estos estándares esencialmente fueron, asociar a los fabricantes de cambiadores de calor en los Estados Unidos de Norteamérica, con la finalidad de unificar sus criterios en la solución de los problemas presentados por los usuarios de equipos que constantemente reclamaban por la calidad y tolerancias proporcionadas en el diseño y fabricación de los mismos. CONTENIDO GENERAL Estas normas se han dividido en las partes siguientes: Nomenclatura Tolerancias de Fabricación Fabricación en General, Información Necesaria Instalación, Operación y Mantenimiento
Normas Mecánicas “TEMA“ CLASE R” Normas Mecánicas “TEMA“ CLASE C” Normas Mecánicas “TEMA“ CLASE B”
Especificación de Materiales Normas Térmicas Propiedades Físicas de Fluidos Información General Prácticas Recomendadas
Con respecto a las Normas Mecánicas, es importante señalar que las diferentes CLASES se desarrollan con las mismas partes; sin embargo, su diferencia radica principalmente en factores de diseño para cada una de ellas. Por otra parte conviene indicar que siempre se deberá especificar la categoría (CLASE), que desea emplearse de estas normas. Por ejemplo TEMA “R”, TEMA “B” o TEMA “C”, pero nunca especificar solamente TEMA, ya que carecería de sentido. La CLASE “R”, es parte de
las normas donde los requisitos de diseño, fabricación y materiales son los más estrictos. Esta CLASE se especifica generalmente para condiciones severas de operación y procesos de petróleo. La CLASE “C”, se especifica para procesos y
aplicaciones generales, siendo los requisitos menos estrictos que para el caso anterior. Esto último se aplica también para la CLASE “B” con la única diferencia que los equipos clasificados para esta categoría generalmente se encuentran en procesos químicos. CÓDIGO API (AMERICAN PETROLEUM ASSOCIATION)
El Código API 660 es un estándar internacional adoptado directamente del “ISO 16812:2002 - Petroleum and natural gas industries - Shell-and-tube heat exchangers”. Especifica requerimientos y proporciona recomendaciones para el diseño
mecánico, la selección de materiales, la fabricación, la inspección, las pruebas y la preparación para el transporte de intercambiadores de calor destinados a la industria petroquímica y al tratamiento del petróleo y del gas natural. La primera edición de este estándar tuvo lugar en 1993 Este estándar internacional es aplicable a los siguientes tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubo: calentadores, condensadores, enfriadores y recalentadores. Por el contrario, no se puede aplicar a calentadores de de feed-water ni a condensadores de vapor de superficie. WELDING RESEARCH COUNCIL WRC-107
El Welding Research Council se dedica fundamentalmente a la investigación y el progreso en las soldaduras de recipientes a presión. Sus publicaciones son reconocidas internacionalmente y sus procedimientos de calculo se usan como estándares. Dichas publicaciones son boletines. De ellos, el que nos interesa para nuestros cálculos y del que nos hemos servido es el bulleting 107. El WRC bulletin 107 establece los criterios y los procedimientos de cálculo de las tensiones que aparecen en la unión tobera-carcasa debido a las cargas, fuerzas y momentos que sufre la tobera y que transmite a dicha unión.