UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA VICERRECTORADO ACADÉMICO COORDINACIÓN DE INGENIERÍA INDUSTRIAL DEPARTAMENTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA ÁREA DE PROCESOS FISICOQUÍMICOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE
EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
PROFESOR:
TECNÓLOGO:
MAITA GUSTAVO
HERNÁNDEZ GLEIMIR C.I: 20.298.970
FEBRERO, 2014
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INDICE Introducción………………………………………………………………….. La Transferencia de Calor….……………………………………………….... Conducción……………….....……………………………………....... Convección…………………………………………………………… Radiación……………………………………………………………... Equipos de Transferencia de Calor………..………………………………….. Intercambiadores de Contacto directo……………………………….. Intercambiadores de Contacto indirecto……………………………… • Regenerativos………………………………………………… • Recuperativos………………………………………………… Una sola corriente………………………………………………….... Dos corrientes en flujo paralelo………………………….................... Dos corrientes en contracorriente…………………………………… Dos corrientes en flujo cruzado.…………………………………….. Dos corrientes en contra flujo cruzado……………………………… Dos corrientes a pasos múltiples.…………………………………..... De acuerdo al tipo de construcción………………………………………….. De Doble Tubo…………………………………………….. ………... Enfriados por aire……………………………………………………... De Placas empacadas…………………………………………………. En Espiral…………………………………………………………….. De Casco y Tubo………………………………………….................... De cabezal Flotante Interno…………………………………….......... De Lámina y Tubo Fijo………………………………..…………….. De Cabezal Flotante exterior…………………………………………. De Cabezal y Tubos Integrados……………………………………… Rehervidor de Caldera……………………………………………….. Condensador de Flujo Dividido…………………………..................... De Superficies extendidas………………………………....................... Recipientes enchaquetados……………………………………………. De Bayoneta…………………………………………………………… Equipos Intercambiadores más comunes en la Industria…………...................... Serpentines……………………………………………………….……. Evaporadores………………………………………………………….. Condensadores………………………………………………………… Chiller…………..…………………………………………………….. Torres de Enfriamiento…………………………………….................... Torres Evaporativas…………………………………………………… Calentadores de Vapor………………………………………………… After Cooler…………………..……………………………………….
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Fin Fan Cooler………………………….………………........................ Mantenimiento de Intercambiadores de Calor…..………………....................... Mantenimiento Aplicado a Intercambiadores de Calor………………………. Implicaciones de un mal mantenimiento..……………………………………. Conclusiones…………………………………………………………………. Referencias Bibliográficas……………………………………………………
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INTRODUCCIÓN Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpos absorbían o desprendían según los casos. El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del ambiente en la variación de la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico. Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simplemente, era otra forma de la energía. Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Son parte fundamental de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcaza; placas. Se presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor.
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LA TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación. Existen tres métodos para la transferencia calor: conducción, convección y radiación. Conocer cada tipo y saber cómo funciona le permite entender mejor cómo los sistemas de aislamiento y burletes protegen el espacio acondicionado. Conducción. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de
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sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Convección. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Radiación. Es la transferencia de calor, en forma de energía electromagnética, por el espacio. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.
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EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Bajo la denominación general de equipos de transferencia de calor, o simplemente intercambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energía de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se hará referencia única y exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por conducción y convección, debido a que el intercambio térmico entre fluidos es uno de los procesos más frecuente e importante en la ingeniería. INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO En los intercambiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor las corrientes contactan una con otra íntimamente, cediendo la corriente más caliente directamente su calor a la corriente más fría. Este tipo de Intercambiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas. Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer lugar, se tienen los intercambiadores gas-sólido como el contactor de lecho móvil, el lecho fluidizado, el transportador de cinta móvil, entre otros. A continuación se tiene los intercambiadores fluido-fluido, en los que los dos fluidos en contacto son mutuamente inmiscibles. Finalmente, no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente insolubles En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o evapora, en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua es un ejemplo de este tipo, y de hecho representa el tipo más ampliamente utilizado de intercambiador de calor en la industria.
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INTERCAMBIADORES DE CONTACTO INDIRECTO •
Regenerativos.
Es un tipo de intercambiador de calor donde el calor del fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de que se transfiere al fluido frío. Para lograr esto el fluido caliente se pone en contacto con el medio de almacenamiento de calor, a continuación, se desplaza el fluido con el fluido frío, que absorbe el calor. En los intercambiadores de calor regenerativos, el fluido a ambos lados del intercambiador de calor puede ser el mismo fluido. El fluido puede pasar a través de un paso de procesamiento externa, y entonces se hace fluir de nuevo a través del intercambiador de calor en la dirección opuesta para su posterior procesamiento. Por lo general, la aplicación utilizará este proceso cíclico o repetitivo.
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Recuperativos.
Existen diversas configuraciones geométricas de flujo posibles en un intercambiador, las más importante son las que se presentan a continuación: Una sola corriente: La configuración de una sola corriente se define como un intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido; en este caso la dirección del flujo carece de importancia. Los condensadores, evaporadores y las calderas de vapor son ejemplos de este tipo de intercambiadores.
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Dos corrientes en flujo paralelo: Los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en el mismo sentido. En su forma más simple, este tipo de intercambiador consta de dos tubos concéntricos. En la práctica, un gran número de tubos se colocan en una coraza para formar lo que se conoce como intercambiador de coraza y tubos el cuál se estará describiendo más adelante.
Dos corrientes en contracorriente: Los fluidos se desplazan en direcciones paralelas pero en sentido opuesto, pero, como en el caso del intercambiador de corrientes paralelas, los intercambiadores de coraza y tubos o de placas son los más comunes. Veremos que para un número dado de unidades de transferencia, la efectividad de un intercambiador de corriente es mayor que la del intercambiador en contracorriente. Los precalentadores de agua de alimentación para calderas y los enfriadores de aceite para aviones son ejemplos de este tipo de intercambiadores de calor. Esta configuración se conoce también como intercambiadores de contracorriente.
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Dos corrientes en flujo cruzado: Las corrientes fluyen en direcciones perpendiculares, la corriente caliente puede fluir por el interior de los tubos de un haz y la corriente fría puede hacerlo a través del haz en una dirección generalmente perpendicular a los tubos. Una o ambas corrientes pueden estar sin mezclarse, esta configuración tiene una efectividad intermedia entre la de un intercambiador de corriente paralela y la de uno en contracorriente, pero a menudo su construcción es más sencilla debido a la relativa simplicidad de los conductos de entrada y de salida. Un ejemplo común de este tipo de intercambiador es el radiador de automóvil.
Dos corrientes en contra flujo cruzado: En la práctica, las configuraciones de flujo de los intercambiadores se aproximan a menudo a las idealizaciones se muestran los casos de dos pasos y de cuatro pasos, aunque puede usarse un número mayor de pasos. (En un intercambiador de dos pasos los tubos pasan dos veces por la coraza). Conforme aumenta el número de pasos, la efectividad se aproxima a la de un intercambiador de corriente ideal.
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Dos corrientes a pasos múltiples: Cuando los tubos de un intercambiador de coraza y tubos están dispuestos en uno o más pasos en el interior de la coraza, algunos de los pasos producen un flujo paralelo mientras que otros producen un flujo a contracorriente. El intercambiador de dos pasos de este tipo es común porque sólo es necesario perforar uno de los extremos para permitir la entrada y salida de los tubos.
DE ACUERDO AL TIPO DE CONSTRUCCIÓN •
Intercambiador de Doble Tubo:
Este es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil. Las partes principales de este tipo de intercambiador son dos juegos de tubos concéntricos, dos "T" conectoras, un cabezal de retorno y un codo en “U”. Estos equipos son sumamente útiles, ya que se pueden fabricar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar obteniendo así superficies de transferencia de calor a un costo muy bajo. Generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, en donde longitud efectiva se define como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor, excluyendo la conexión en “U” del tubo interno y sus prolongaciones. La principal desventaja del uso de este tipo de intercambiador radica en la pequeña superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si
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se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran número de éstos conectados en serie, lo que necesariamente involucra a una gran cantidad de espacio físico en la planta. Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza periódica son prohibitivos comparados con otro tipo de equipos. No obstante estos intercambiadores encuentran su mayor utilidad cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña (100 a 200 ft2 o menor). Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeñas, estas unidades son diseñadas para operar con altas presiones; además, los intercambiadores de doble tubo tienen la ventaja de la estandarización de sus componentes y de una construcción modular.
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Intercambiadores Enfriados por Aire y Radiadores.
Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el área de transferencia de calor. Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m). La selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua es una cuestión económica, hay que consideran gastos de enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de temperatura de unos 15 ºF (8 ºC)). Con agua se obtienen diferencias menores. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de áreas residenciales. Al diseñar estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio aún en días calurosos y/o que el fluido no se congele dentro de los tubos en
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invierno. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de áreas residenciales. Al diseñar estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio aún en días calurosos y/o que el fluido no se congele dentro de los tubos en invierno. Como conclusión, a menos que el agua sea inasequible, la elección entre agua y aire como refrigerante depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisión. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que ampliar el sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en cuanto a los efluentes de agua o donde el medio refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos.
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Intercambiadores de Placas Empacadas (PHE).
A pesar de ser poco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE por sus siglas en inglés: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del siglo XIX, específicamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 que comenzó a ser ampliamente usado en la industria láctea por razones sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por placas, que no son más que láminas delgadas, 13
rectangulares, en las que se observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión. A un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su perímetro. La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias a las empacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos canales, paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas que conjuntamente con un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo. Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones también son esenciales para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente desmontables para labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de operación se encuentran limitadas por las empacaduras. En los primeros equipos la presión máxima era de 2 bar (0,2 Mpa) y la temperatura alrededor de 60 °C. Pero a pesar de que el diseño básicamente ha permanecido inalterado, los continuos avances en los últimos 60 años han incrementado las presiones y temperaturas de operación hasta los 30 bar (3 Mpa) y 250 °C, respectivamente. Es importante destacar que la elección del material de las empacaduras se vuelve más restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el número de fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones; además la vida útil de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las empacaduras. Inicialmente, este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia, hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar a los intercambiadores de tubo y carcaza. Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera y permite el manejo de fluidos peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como intercambiador de placas no empacadas, y tienen como desventaja el no poder ser abierto para labores de mantenimiento, por lo que las labores de
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limpieza deben ser realizadas por métodos químicos. No obstante, las demás ventajas de las unidades de placas se mantienen. El diseño particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operación que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como tubo y carcaza, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todavía existe una limitación en cuanto al diseño, en la que la diferencia de presión entre ambos fluidos no debe exceder los 40 bar.
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Intercambiadores en Espiral (SHE).
Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace más de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger. Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas (Figura I.1- 5) alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia. El espaciamiento entre las láminas se mantiene gracias a que éstas se encuentran soldadas a una especie de paral. Los canales que se forman en la espiral se encuentran cerrados en los extremos para que los fluidos no se mezclen. El fluir continuamente entre curvas induce turbulencia en los fluidos, lo cual mejora la transferencia de calor y reduce el ensuciamiento. Estos equipos son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con sólidos en suspensión, así como también en operaciones de
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condensación y vaporización. Raras veces se requiere de aislantes, ya que son diseñados de tal manera que el refrigerante pase por el canal externo. Entre sus características más resaltantes se pueden mencionar que se emplean con flujo en contracorriente puro, no presentan problemas de expansión diferencial, son compactos y pueden emplearse para intercambiar calor entre dos o más fluidos a la vez. Estos equipos se emplean normalmente para aplicaciones criogénicas. En general los SHE ofrecen gran versatilidad en sus arreglos; siendo posible variar anchos, largos, espesores, materiales, etc. De esta manera se logra que este tipo de equipos requiera 60% menos volumen y 70% menos peso que las unidades de tubo y carcaza comparables en la cantidad de calor transferido.
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Intercambiadores de Casco y Tubo.
Este tipo de equipo consiste en una carcasa cilíndrica que contiene un arreglo de tubos paralelo al eje longitudinal de la carcasa. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos atraviesan a su vez a una serie de láminas denominadas deflectores (baffles) que al ser distribuidas a lo largo de toda la carcasa, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales.
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De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que:
a) Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. b) Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
c) Es bastante fácil de limpiar y de reparar. d) Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación. Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA). Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, el diámetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas. La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los más comunes. La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la E (casco de un paso) la F de dos pasos es más complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de presión en el casco. El tipo K es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de fraccionamiento. La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los más utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor diámetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran variedad de tubos en stock.
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A continuación se describirán los tipos de intercambiadores de casco y tubo de acuerdo a The Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA).
Intercambiador de Cabezal Flotante Interno (tipo ASE). Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son: 1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco. 2.- Permite el desmontaje 3.- en lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos. 4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en el casco y su pérdida de carga. 5.- el flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.
Intercambiador de Lámina y Tubo Fijo (tipo BEM). Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor. Tiene junta de expansión en casco. Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco.
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Intercambiador de Cabezal Flotante Exterior (tipo AEP). Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.
Intercambiador de Cabezal y Tubos Integrados (tipo CFU). Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.
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Rehervidor de Caldera (tipo AKT). Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.
Condensador de Flujo Dividido (tipo AJW). Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga (en un factor de 8). Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.
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Intercambiador de Superficies Extendidas.
Cuando a las superficies ordinarias de transferencia de calor se le añaden piezas adicionales de metal, estas últimas extienden la superficie disponible para la transferencia de calor. Mientras que las superficies extendidas aumentan la transmisión total de calor, su influencia como superficie se trata de una manera diferente de la simple conducción y convección. Considere un intercambiador convencional de doble tubo, suponga que el fluido caliente fluye en el ánulo y el fluido frío en el tubo interior en flujo turbulento. Luego suponga que al tubo interior se le sueldan aletas de metal Puesto que las aletas se fijan a la superficie del tubo frío sirven para transferir calor adicional del fluido caliente al tubo interior. La superficie total disponible para la transferencia de calor no corresponde ya a la circunferencia exterior del tubo interior, sino que está aumentada por la superficie adicional en loa lados de las aletas. Si las aletas de metal no reducen el coeficiente de transferencia de calor convencional en el ánulo por cambio apreciable de las líneas de flujo, se transferirá más calor del fluido caliente al fluido en el tubo interior.
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Recipientes Enchaquetados.
El encamisado o enchaquetado se utiliza con frecuencia para recipientes que necesitan limpieza frecuente o para los recubrimientos de vidrio que son difíciles de equipar con serpentines internos. La camisa elimina la necesidad de serpentín.
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Intercambiadores de Bayoneta.
Una bayoneta consiste en un par de tubos concéntricos, estando el exterior sellado en un extremo como se muestra en la figura. Tanto el tubo exterior como el interior se sujetan de cabezales estacionarios separados y se extienden ya sea a corazas o directamente a recipientes. La superficie del tubo exterior es la principal fuente de transferencias de calor.
Los intercambiadores de bayoneta se adaptan excelentemente a la condensación de vapores tanto a vacíos moderados (presiones por debajo de la presión atmosférica) como a muy bajos.
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EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR MÁS COMUNES EN LA INDUSTRIA •
Serpentines
Los serpentines son unidades de transferencia hechas de tubo liso o aleteado por los que circula un fluido en el interior de los tubos y otro se ubica dentro de un área confinada, estos equipos pueden verse comúnmente en ollas de calentamiento, contenedores de agua helada, calentadores de aire, enfriadores de aire, chaquetas de autoclaves etc. La configuración de los serpentines es muy variada, aunque el principio establece que la unidad debe tener una longitud definida y el fluido entra y sale por el mismo tubo. Los serpentines suelen conseguirse en configuraciones helicoidales rectas en U etc.
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• Evaporadores Los Evaporadores son intercambiadores que se encargan de enfriar fluidos por un proceso de expansión de gas el cual circula a través del interior de los tubos y enfría el fluido que circula por la carcasa. Los Evaporadores son equipos normalmente usados en los dispositivos de enfriamiento de agua tales como Chiller o para enfriamiento de gases o aire tal es el caso de los aires acondicionados. Su configuración puede estar dada en equipos de tubo coraza o flujo cruzado.
• Condensadores Se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercambiador que cumple una función de disminución de temperatura, ya sea para gases, vapores y otros. La configuración de un condensador puede ser de tubo coraza, placas y superficies extendidas. Los condensadores son generalmente equipos que se encuentran en los procesos de cambios de fase de gases a líquidos, los equipos de calefacción de líquidos con vapor son a su vez condensadores de vapor. En los ciclos de refrigeración los condensadores tienen la función de enfriar el gas refrigerante ya sea por flujo cruzado gas-aire o gas-agua.
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Chiller
Las unidades Chiller están conformadas por dos elementos de transferencia de calor un evaporador y un condensador, además de los elementos clásicos del ciclo de refrigeración (compresor, válvula de expansión, filtros etc.) los Chiller son unidades que se encargan de enfriar agua para aplicaciones varias. Este proceso se realiza mediante la compresión de un gas refrigerante el cual sale comprimido de la bomba o compresor a una temperatura de aproximadamente 80 grados, circula a través del compensador manteniendo la presión y bajando la temperatura a 40 grados aproximadamente luego pasa por la válvula de expansión donde el gas se expande produciendo su enfriamiento, el gas circula dentro de los tubos del evaporador donde se genera la transferencia con el agua enfriándola hasta una temperatura que puede oscilar entre 1 y 4 grados (o menos de acuerdo al control).
• Torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento son unidades que se encargan de enfriar agua por un proceso de división de la partícula de agua y su posterior circulación por una corriente de aire forzado logrando reducir la temperatura de la gota de agua en el proceso. Estos sistemas tienen ventajas y desventajas bien marcadas. Las torres de enfriamiento son unidades abiertas donde el agua de un determinado proceso llega al tope de la torre a una temperatura máxima de 60 grados centígrados, esta entra a los rociadores de tope que se encargan de separar él liquido en la mayor cantidad de partículas posibles, estas caen en un relleno ubicado a los lados de la torre donde 25
establece un recorrido en contra flujo con una columna de aire forzado, las partículas de agua recorren el relleno hasta enfriarse (1 o 2 grados por encima de la temperatura de la columna de aire) y llegan hasta la bandeja de fondo donde se retorna al proceso. Las temperaturas máximas que manejan las torres de enfriamiento constituyen una limitante importante, así como la contaminación del agua de proceso por el contacto directo con el aire ambiental, los tratamientos de esta agua son por lo general costosos y requieren de mantenimientos constantes, sin embargo la posibilidad de enfriar grandes volúmenes de agua logra compensar sus debilidades.
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Torres evaporativas
Las torres de tipo evaporativas tienen un comportamiento similar al de las torres de enfriamiento, con la diferencia de que el agua de proceso se encuentra en un ciclo cerrado a través de un serpentín en el tope de la torre, produciéndose el enfriamiento del agua de proceso por intermedio del rociado de agua sobre la superficie del serpentín acompañado de aire forzado, el agua cae al fondo de la tina y es nuevamente bombeado al tope de la torre para volver a cumplir el proceso. Una de las ventajas de estos equipos es que el agua de proceso se contamina muy poco ya que se encuentra en un ciclo cerrado, sin embargo su costo es sustancialmente superior al de las torres de enfriamiento.
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Calentadores de Vapor
Los calentadores de vapor son por lo general intercambiadores de tubo coraza por los que circula vapor por la coraza y agua o gas por el interior de los tubos, existen también calentadores de aceite térmico y de resistencia eléctrica.
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After cooler – pre cooler
Estos equipos son utilizados normalmente en unidades de compresión de aire ya sean de una o varias etapas. Por lo general los compresores de aire de una etapa poseen un intercambiador a la salida de aire comprimido de tipo tubo coraza agua-aire o flujo cruzado aire-aire, estos equipos son conocidos como after cooler o post enfriadores su función es bajar la 27
emperatura del aire comprimido hasta niveles idóneos de trabajo dentro de la planta. Los pre-cooler son equipos utilizados en compresores de múltiples etapas para enfriar el aire que sale de una etapa y entra en la siguiente, por lo general estos son de tubo coraza.
• Fin fan cooler Estos equipos están compuestos de una unidad de flujo cruzado con un ventilador alineado a la superficie plana del intercambiador con la finalidad de hacer circular aire a través de la tubería aletada y enfriar el fluido que corre por dentro de los tubos.
MANTENIMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores de calor en forma general, trabajan mediante la circulación de fluidos a través de su estructura, esto produce con el tiempo, debido a la operación del equipo, obstrucciones de las zonas de flujo por 28
corrosión de la estructura del intercambiador, descomposición de los fluidos (aceites minerales, alimentos, etc.) ó por deposición de sólidos disueltos en los fluidos (incrustaciones de carbonatos, etc.), al presentarse estas características en el interior de los equipos, se producen incrustaciones en la superficie interior y exterior se los tubos según sea el caso, generando una resistencia extra a la transferencia de calor y al paso del fluido y con esto pérdidas en la eficiencia de los equipos.
MANTENIMIENTO APLICADO A INTERCAMBIADORES DE CALOR
Aun cuando la variedad de intercambiadores existentes en los múltiples procesos industriales imposibilita describir un mantenimiento específico para todos los equipos intentaremos determinar las directrices que definen un mantenimiento efectivo en la mayoría de los casos. La finalidad de un mantenimiento radica en la eliminación de los depósitos que obstruyen o imposibilitan la correcta transferencia en los intercambiadores, estas suelen producirse por deposición de los sólidos en las paredes externas de los tubos, en las paredes internas de los tubos, así como en la superficie interna de la coraza, esto para el caso de los intercambiadores de tubo coraza, en los intercambiadores de placa esta incrustación se presenta entre las láminas dificultando la transferencia de calor entre los fluidos, además de ofrecer restricciones a la circulación en estos equipos. Las técnicas varían dependiendo del tipo de incrustación y de la configuración de los intercambiadores, así un intercambiador de placas fijas debe aplicarse una limpieza por intermedio de cepillos o alta presión por el interior de los tubos y por su configuración de área confinada para la carcasa una limpieza química que permita disolver por intermedio de la circulación la mayor cantidad de sólidos adheridos a la superficie. Los químicos comúnmente utilizados para la desincrustación en áreas confinadas suelen variar de acuerdo al material de construcción del equipo, así como el fluido que maneja el intercambiador, en el caso de agua o vapor, se utilizan desincrustantes que pueden contener ácidos fuertes o débiles dependiendo del material de construcción del intercambiador, por ejemplo para intercambiadores de calor construidos en acero al carbono o acero inoxidable, pueden utilizarse productos basándose en ácido clorhídrico, fosfórico, cítrico u otra formulación que permita disolver los minerales producto de las deposiciones del agua o del vapor estén presentes en el intercambiador, es importante señalar que estos productos deben ser 29
formulados, tomando en consideración las posibles consecuencias de la acción del químico sobre los materiales de construcción. Para intercambiadores de haz removible o de tubería en u el proceso se simplifica bastante ya que la posibilidad de extraer el intercambiador de la coraza permite actuar directamente sobre la superficie externa e interna del tubo, así como acceso directo al interior de la coraza. El mantenimiento puede realizarse por intermedio de cepillos de alambre circulares mechas o latiguillo de alta presión en el interior de los tubos y alta presión por el lado externo de la tubería. La coraza puede limpiarse con elementos mecánicos o presión de agua. Para el caso de los intercambiadores de placa, dependiendo de su estado pueden limpiarse con químicos desincrustantes en el caso de agua o desengrasante para el caso de aceites, en caso de encontrarse defectos en el sistema de sellos de estos equipos es recomendable sustituir las empacaduras entre placas y limpiar placa a placa con químicos y agua a presión. Para el caso de intercambiadores de flujo cruzado se procede de forma similar con el interior de los tubos de acuerdo al acceso que posea el equipo, (tapas removibles o agujeros de limpieza) mientras que el área de superficie extendida se limpia con agentes químicos adecuados para el material adicionando agua de alta presión. Para equipos involucrados dentro de los procesos tales como agua helada, condensadores de gases, serpentín de inmersión y otros es importante estudiar las condiciones de proceso para establecer el mantenimiento correcto que debe aplicarse, siempre tomando en consideración que la finalidad del mantenimiento es la de liberar de incrustaciones de las superficies de contacto de los fluidos para la optimización de la transferencia de calor.
IMPLICACIONES DE UN MAL MANTENIMIENTO EN INTERCAMBIADORES DE CALOR Para cualquier equipo de transferencia de calor, el hecho de que trabaje con niveles elevados de incrustaciones o con superficies totalmente obstruidas, puede resultar en paradas de proceso imprevistas, o en su defecto una drástica disminución de las condiciones iniciales de transferencia
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de diseño, por lo que una política de mantenimiento en estos equipos redunda en beneficios ulteriores económicos importantes. Los equipos de transferencia de calor son sensibles a las deposiciones de sólidos y a las obstrucciones, dado que la superficie de los tubos y carcaza son por lo general porosas, pueden producir fuerte adherencia de sólidos y posteriores socavaduras y corrosión en los materiales. Las deposiciones de agua dura producen corrosión puntual o pitting, así como abrasión de la superficie del material, otra grave consecuencia que puede presentarse en los equipos, sobre todo en los de área confinada, o placas fijas es que los depósitos de agua dura llegan a un punto de cristalización que imposibilita la acción de los químicos, produciendo perdida completa del equipo. En el caso de equipos en U las incrustaciones de agua dura dentro de los tubos pueden ser removida por mechas en la zona recta del tubo, sin embargo en las curvas esto se hace imposible, para el caso de equipos con tubería de diámetros superiores a ¾ es posible introducir un latiguillo de alta presión, aunque en la mayoría de los casos los resultados no son muy satisfactorios.
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CONCLUSIÓNES La energía es aquella propiedad que tiene las características de fluir en diferentes formas. Hay varios tipos de energía, la energía calorífica, la eléctrica y la mecánica. Estos tipos de energía pueden ser almacenados, por ejemplo, en un resorte interno o en un cuerpo caliente. El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación. Existen tres métodos para la transferencia calor: conducción, convección y radiación. La transferencia de calor es importante porque es algo cotidiano que vivimos en nuestras vidas a diario cuando queremos enfriar un alimento ejemplo chocolate le adicionamos leche fría para bajar su temperatura y en ese momento hay una transferencia de calor que de pronto para muchas personas sea insignificante y lo vean como algo normal pero en la industria de alimentos es sinónimo de estudio por que nos brinda información sobre cómo podemos conservarlo o como se mantienen o afectan sus características físicas químicas microbiológicas u organolépticas que harían que el alimento sea más apetecible o despreciable a nuestro gusto. Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Son parte fundamental de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
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Las conclusiones que podemos al estudiar el calor y la energía son 1.- El calor se transfiere en forma de energía 2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura 3.- La energía se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación 4.- La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema. 5.- La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones térmicas. Hay numerosas razones para usar un intercambiador de calor, entre las cuales se resaltan: 1. Calentar un fluido frío por medio de otro con mayor temperatura. 2. Disminuir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. 3. Llevar al punto de ebullición un fluido mediante otro con mayor temperatura. 4. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de otro frío. 5. Llevar al punto de ebullición un fluido mientras se condensa otro gaseoso con mayor temperatura. Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos.
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