Intercambiador de calor de carcasa y tubos Partes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos [editar ]
Esquema intercambiador de calor
Los componentes básicos de este intercambiador son: El haz de tubos (o banco de tubos), carcasa, cabezal fijo, cabezal removible (o trasero), deflectores, la placa tubular!
Configuración "e usa una amplia variedad de confi#uraciones en los intercambiadores de calor de carcasa tubos, dependiendo del desempe$o deseado de transferencia de calor, ca%da de presi&n los m'todos empleados para reducir los esfuerzos t'rmicos, prevenir fu#as, fácil mantenimiento, soportar las presiones temperaturas de operaci&n, la corrosi&n! Estos intercambiadores se construen de acuerdo a las normas de la sociaci&n de abricantes de *ntercambiadores de +alor ubulares (E- . ), con al#unas modificaciones, dependiendo del pa%s! E- ha desarrollado una nomenclatura para desi#nar los tipos básicos de intercambiadores de calor de carcasa tubos! En este sistema, cada intercambiador se desi#na con tres letras, la primera indicando el cabezal delantero, la se#unda el tipo de carcasa, la tercera el cabezal posterior!
+onfi#uraci&n de intercambiadores E-
E- tambi'n ha conformado una serie de normas mecánicas para la construcci&n, fabricaci&n, materiales constructivos de tres tipos de intercambiadores de calor tubulares: /, +, 0! Los intercambiadores clase / son los usados en condiciones de operaci&n severas, en procesos petroleros afines! La +lase + desi#na a los intercambiadores usados en aplicaciones comerciales procesos #enerales bajo condiciones moderadas! La clase 0 desi#na a los intercambiadores de calor de carcasa tubos usados en procesos qu%micos! 1eneralmente, en estos 2ltimos, los materiales constructivos son no3ferrosos, mientras que en los +lase + +lase /, se usan materiales ferrosos! Los tipos más frecuente de intercambiador son: E", E4, +5, 6, 78! unque pueden e9istir diferentes confi#uraciones a las mencionadas, estas no pueden ser identificadas por la nomenclatura E-!
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, la carcasa! Los tubos pueden ser completos o soldados #eneralmente están hechos de cobre o aleaciones de acero! tras aleaciones de n%quel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones espec%ficas! Los tubos pueden ser desnudos o aletados! Las superficies e9tendidas 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 a2n más la eficiencia! Las aletas proveen de dos a cuatro veces el área de transferencia de calor que proporcionar%a el tubo desnudo! La
cantidad de pasos por los tubos por la carcasa dependen de la ca%da de presi&n disponible! maores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero tambi'n las p'rdidas por fricci&n la erosi&n en los materiales! 4or tanto, si la p'rdida de presi&n es aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de maor lon#itud en un área reducida! Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8 ! Los dise$os estándares tienen uno, dos o cuatro pasos por los tubos! En m2ltiples dise$os se usan n2meros pares de pasos! Los n2meros de pasos impares no son comunes, resultan en problemas t'rmicos mecánicos en la fabricaci&n en la operaci&n! La selecci&n del espaciamiento entre tubos es un equilibrio entre una distancia corta para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa, el espacio requerido para la limpieza! En la maor%a de los intercambiadores, la relación entre el espaciamiento entre tubos y el diámetro exterior del tubo varía entre 1,25 y 2 ! El valor m%nimo se restrin#e a .!;< porque para valores inferiores, la uni&n entre el tubo la placa tubular se hace mu d'bil, puede causar filtraciones en las juntas! 4ara los mismos espaciamiento entre tubos caudal, los arre#los en orden decrecientes de coeficiente de transferencia de calor ca%da de presi&n son: =>?,@? B>?!
Placa tubular Los tubos se mantienen en su lu#ar al ser insertados dentro de a#ujeros en la placa tubular, fijándose mediante e9pansi&n o soldadura! La placa tubular es #eneralmente una placa de metal sencilla que ha sido taladrada para alber#ar a los tubos(en el patr&n deseado), las empacaduras los pernos! En el caso de que se requiera una protecci&n e9tra de las fu#as puede utilizarse una doble placa tubular! El espacio entre las placas tubulares debe estar abierto a la atm&sfera para que cualquier fu#a pueda ser detectada con rapidez! 4ara aplicaciones más peli#rosas puede usarse una placa tubular triple, sellos #aseosos e incluso un sistema de recirculaci&n de las fu#as! La placa tubular además de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador debe ser compatible electroqu%micamente con el material de los tubos! veces se construen de acero de bajo carbono cubierto metal2r#icamente por una aleaci&n resistente a la corrosi&n!
Deflectores
Ceflectores
Da dos tipos de deflectores, transversales lon#itudinales! El prop&sito de los deflectores lon#itudinales es controlar la direcci&n #eneral del flujo del lado de la carcasa! 4or ejemplo, las carcasas tipo , 1 D tienen deflectores lon#itudinales! Los deflectores transversales tienen dos funciones, la más importante es la de mantener a los tubos en la posici&n adecuada durante la operaci&n evita la vibraci&n producida por los v&rtices inducidos por el flujo! En se#undo lu#ar ellos #u%an al fluido del lado de la carcasa para acercarse en lo posible a las caracter%sticas del flujo cruzado! ambi'n tienen la funci&n de hace que el fluido que circula por la carcasa lo ha#a con maor tubulencia para que aumente el coeficiente convectivo (o coeficiente de pel%cula) e9terior de los tubos, es decir, para que aumente la cantidad de calor transferido! El tipo de deflector más com2n es el simple se#mentado! El se#mento cortado debe ser inferior a la mitad del diámetro para ase#urar que deflectores adacentes se solapen en al menos una fila completa de tubos! 4ara flujos de l%quidos en el lado de la carcasa el corte del deflector #eneralmente es del ;> a ;< por ciento para flujos de #as a baja presi&n de @> a @< por ciento, con el objetivo de minimizar la ca%da de presi&n!
Carcasa y boquillas del lado de la carcasa La carcasa es la envolvente del se#undo fluido, las boquillas son los puertos de entrada salida! La carcasa #eneralmente es de secci&n circular esta hecha de una placa de acero conformado en forma cil%ndrica soldado lon#itudinalmente! +arcasas de peque$os diámetros (hasta ;@ pul#adas) pueden ser hechas cortando un tubo del diámetro deseado con la lon#itud correcta (pipe shells)! La forma esf'rica de la casaca es importante al determinar el diámetro de los reflectores que pueden ser insertados el efecto de fu#a entre el deflector la casaca! Las carcasas de tubo suelen se más redondas que las carcasa roladas!
En intercambiadores #randes la carcasa esta hecha de acero de bajo carbono siempre que sea posible por razones de econom%a aunque tambi'n pueden usarse otras aleaciones cuando la corrosi&n o las altas temperaturas as% 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! Ese impacto puede causar erosi&n, cavitaci&n, vibraciones! +on el objetivo de colocar esta laca dejar suficiente espacio libre entre este la carcasa para que la ca%da de presi&n no sea e9cesiva puede ser necesario omitir al#unos tubos del patr&n circular completo!
Canales del lado de los tubos y boquillas Los canales las boquillas simplemente diri#en el flujo del fluido del lado de los tubos hacia el interior o e9terior de los tubos del intercambiador! +omo el fluido del lado de los tubos es #eneralmente el más corrosivo, estos canales boquillas suelen ser hechos de materiales aleados (compatibles con la placa tubular)! Ceben ser revestidos en lu#ar de aleaciones s&lidas!
Cubiertas de canal Las cubiertas de canal son placas redondas que están atornilladas a los bordes del canal pueden ser removidos para inspeccionar los tubos sin perturbar el arre#lo de los tubos! En peque$os intercambiadores suelen ser usados cabezales con boquillas laterales en lu#ar de canales cubiertas de canales!
Diseño de intercambiadores de calor El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible inicialmente, esto es, definir para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas, propiedades f%sicas, foulin#, p'rdidas de presi&n admisibles, etc! Lue#o se procede a seleccionar valores tentativos para los parámetros más importantes de dise$o, tales como lon#itud diámetro de los tubos (teniendo en cuenta las p'rdidas de presi&n las vibraciones que se producirán), el arre#lo del banco de tubos, el espaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos cantidad de carcasas en serie! +on estas dimensiones, se tiene el valor de un área inicial supuesta! +on estos valores se efect2a la evaluaci&n t'rmica del intercambiador, dando como resultado un valor del coeficiente #lobal de transferencia de calor! Este puede obtenerse mediante la combinaci&n de correlaciones que dependen de los parámetros seleccionados! +on este valor, se procede a calcular un nuevo valor de área requerida! El procedimiento es más preciso en la
medida que lo es el cálculo del coeficiente #lobal de transferencia de calor! Este es un valor que depende del coeficiente de transferencia de calor por convecci&n en el interior e9terior de los tubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos! "i bien la definici&n de dichos coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las correlaciones actuales, no lo es tanto para el lado de la carcasa! En #eneral, puede enumerarse una serie de pasos, como si#ue: ; •
.!3 +omprobar el 0LF+E CE EFE/1G, se deben de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades f%sicas de los fluidos!
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;!3 si#nar las corrientes al tubo carcasa!
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=!3 Cibujar los dia#ramas t'rmicos!
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@!3 Ceterminar el n2mero de intercambiadores en serie!
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A!3 "eleccionar el diámetro, espesor, material, lon#itud confi#uraci&n de los tubos!
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H!3 Estimar los coeficientes de pel%cula de suciedad! +alcular los coeficientes #lobales de transmisi&n de +alor
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I!3 +alcular la superficie de intercambio estimada!
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B!3 "eleccionar el tama$o del casco (utilizando dos pasos en tubo)!
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.>!3 +alcular las p'rdidas de presi&n en el lado del tubo recalcular el n2mero de pasos para cumplir con las p'rdidas de presi&n admisibles!
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..!3 sumir la separaci&n entre desviadores el área de paso para conse#uir la p'rdida de presi&n en casco admisible!
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.;!3 /ecalcular los coeficientes de pel%cula en el lado del tubo del casco utilizando las velocidades másicas disponibles! .=!3 /ecalcular los coeficientes #lobales de transmisi&n de calor comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio!
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.@!3 "i la superficie de intercambio es mu #rande o mu peque$a revisar los estimados de tama$o de carcasa repetir las etapas B3.=!
Métodos Integrales La dificultad para inte#rar en las correlaciones obtenidas en los bancos de tubos el flujo #enerado en la carcasa de un intercambiador con deflectores impuls& el desarrollo de Jm'todos inte#ralesJ para el cálculo de la transferencia de calor p'rdida de car#a en el lado carcasa!= El método Donoue !1"#"$
El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible que se calculaba como una media #eom'trica entre el área m%nima de paso entre deflectores (área transversal) el área de paso disponible en el deflector (área lon#itudinal)! "in embar#o, no ten%a en cuenta el efecto de las diferentes confi#uraciones de los tubos! 4ara el cálculo de la p'rdida de car#a se propon%a la utilizaci&n de las curvas de factor de fricci&n obtenidas por +olburn con un factor de se#uridad elevado! 4or primera vez se consider& el efecto de la ventana del deflector, considerando esta ventana como un orificio con un coeficiente de descar#a de >!H! Este m'todo, aunque mu simple de utilizar, proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente a que las correlaciones se obtuvieron con intercambiadores peque$os con #eometr%as nada estándares! %étodo &in'er
l final de los a$os @>, al mismo tiempo que aparec%an los m'todos inte#rales, se hac%a evidente que el flujo que se establec%a en carcasa era complejo con una #ran dependencia de la #eometr%a de construcci&n del intercambiador! ello contribueron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a finales de los a$os @> principios de los <>! "e observ& que solo una parte del fluido se#u%a el camino JcorrectoJ a trav's del haz de tubos, el resto pasaba a trav's de áreas de fu#a (entre tubo deflector, entre deflector carcasa entre el haz de tubos la carcasa)! Estas áreas de flujo son inevitables en la construcci&n montaje del intercambiador determinan los flujos que se establecen en carcasa! 5n m'todo basado en correlaciones de flujo a trav's de un banco de tubos ideal o un m'todo inte#ral dif%cilmente puede incorporar toda la informaci&n de los diferentes flujos que se establecen en carcasa como consecuencia de ello, dependiendo del tipo de construcci&n, los errores al aplicar los m'todos pueden variar considerablemente!
El m'todo anal%tico recibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a cabo un análisis del flujo establecido en la carcasa! El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por inKer (.B<.) que propuso el si#uiente modelo de flujo!
Cistribuci&n +orrientes inKer;
La p'rdida de car#a que e9perimenta la corriente principal (0) al pasar de un espaciado entre deflectores al si#uiente act2a como fuerza impulsora para las otras corrientes forzando a p arte del fluido a pasar por las áreas de fu#a! La repartici&n de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al flujo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos, teniendo en cuenta que la p'rdida de car#a ha de ser la misma para todas las corrientes! 5na vez obtenido el caudal de la corriente 0 se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlaci&n de flujo cruzado en un banco de tubos ideal! Este m'todo supon%a un #ran avance en la interpretaci&n en la apro9imaci&n a la realidad del flujo establecido en la carcasa, sin embar#o, paso desapercibido por la #ran dificultad de cálculo que entra$aba teniendo en cuenta las posibilidades de computaci&n de la 'poca, Cebido a que el proceso de cálculo era un proceso iterativo mu laborioso para realizarlo a mano! Fo fue hasta principios de los a$os H>, con la posibilidad de utilizar computadores personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el potencial del m'todo desarrollado por inKer! El método (ern !1"5)$
Este m'todo ha sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos a$os! Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor la p'rdida de car#a se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del ;< (una decisi&n acertada porque en la maor%a de los casos es el mejor dise$o)! La predicci&n de la transferencia de calor var%a entre li#eramente inse#ura (valor superior al real) mu se#ura (valor inferior al real)! -ientras que las predicciones de la p'rdida de car#a se sit2an en el lado de se#uridad con errores superiores al .>> ! En r'#imen laminar los errores todav%a son #randes debido a la poca informaci&n disponible en el momento que se elabor& el m'todo!
"i bien los resultados obtenidos por el m'todo 6ern no presentaron una #ran mejora respecto a las correlaciones e9istentes, el m'rito del '9ito obtenido se encuentra en el hecho de haber presentado un m'todo #lobal de dise$o, presentando además varios ejemplos de cálculo! Es evidente que no puede ser utilizado como un m'todo de dise$o porque la sobrestimaci&n de la p'rdida de car#a puede llevar a dise$os conservadores, con una #ran separaci&n de deflectores o con diámetros de carcasa superiores, por consi#uiente con coeficientes de transferencia de calor bajos! "in embar#o, todav%a se si#ue utilizando en la industria para comprobar el funcionamiento t'rmico de los intercambiadores! %étodo de *ell+Delaare
El m'todo 0ell3CelaMare propone calcular el coeficiente de transferencia de calor del lado carcasa utilizando las correlaciones obtenidas para flujo en un banco de tubos considerando que todo el caudal que circula por la carcasa atraviesa el banco de tubos! 4osteriormente este coeficiente ideal de flujo cruzado se corri#e por una serie de factores para tener en cuenta las fu#as que se producen! La p'rdida de car#a en el lado carcasa se calcula como suma de las p'rdidas de car#a para flujo cruzado ideal de la p'rdida de car#a en la zona de la ventana! Los errores de este m'todo pueden ser del @> en p'rdida de car#a normalmente predicen p'rdidas de car#a maores a las reales! El error en el coeficiente de transferencia de calor es alrededor del ;<! La diferencia con respecto al m'todo anal%tico propuesto por inKer reside en que no establece interacci&n entre los efectos de las corrientes de fu#a! +on el desarrollo la e9tensi&n de las computadoras se desarrollaron los primeros pro#ramas de cálculo de intercambiadores que se basaron en el m'todo anal%tico propuesto por inKer conocido como Janálisis de corrientesJ! En los cálculos realizados a mano se continu& contin2a utilizando el m'todo de 0ell3CelaMare! Fo obstante 8illis 7ohnston (.BI@) propusieron una v%a alternativa, intermedia entre los dos m'todos, presentando una versi&n simplificada del m'todo de análisis de corrientes! Este m'todo, adoptado por En#ineerin# "ciences Cata 5nit (.BI=), propone que ciertos coeficientes caracter%sticos del m'todo relacionados con la resistencia al flujo son constantes e independientes del caudal, es decir, solo dependen de la #eometr%a del sistema! Este 2ltimo m'todo con respecto al m'todo de 0ell3CelaMare presenta una maor apro9imaci&n a la realidad respecto a la interacci&n entre las corrientes! unque el proceso de cálculo es más laborioso por las necesarias iteraciones, por un lado esto se ve compensado por la presentaci&n de los coeficientes mediante ecuaciones, lo cual permite la completa
pro#ramaci&n del m'todo, por otro lado el proceso de iteraci&n no presenta nin#una dificultad si se utiliza un pro#rama de cálculo! El m'todo 6ern es recomendable solo para proporcionar un estimado o valores de inicio para una iteraci&n con otro m'todo, que pudiera ser el 0ell3CelaMare o el 8ills37ohnson el cual es más preciso solo requiere poco cálculos adicionales! El uso del softMare especializado auda en #ran medida a mejorar los procesos de dise$o de los intercambiadores de calor en todas sus etapas, sobre todos cuando se necesita realizar cálculos iterativos, proporcionando además de maor precisi&n, un tiempo de cálculo en el proceso de dise$o mucho más corto! 4aralelamente, estos m'todos de cálculo se van nutriendo de las nuevas correlaciones desarrolladas por los investi#adores, cuo trabajo a su vez es facilitado por las ventajas computacionales de la actualidad!
