Manual de Cambiadores de Calor

Manual de:

OPERAIRIO ESPECIALISTA PAILERO (TÉCNICAS Y PROCEDIMIENTOS DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO A Cambiadores de Calor)

Realizado por: Ing. Maximiliano García Calderón Instructor Profesional Certificado No. de Certificación: 0302688 ALTA ANTE STPS: GACM-510511CV8 0005

Poza Rica, Ver.

Julio de 2013

Ing. Maximiliano García Calderón. Instructor Profesional Certificado

E-mail: [email protected]

I: IMPORTANCIA DE LOS CAMBIADORES DE CALOR EN LA OPERACIÓN DE LAS PLANTAS DE PROCESO. Uno de los principales problemas en las plantas de proceso industrial, es la transmisión eficiente de calor. La Tecnología Industrial aprovecha la propiedad de transmisión de calor, utilizando para ello aparatos diseñados para distintos fines; tales como enfriar, calentar, condensar o evaporar; estos aparatos tienen la designación común de Cambiadores de Calor. El nombre de Permutadores o Cambiadores de Calor, tiene por objeto transferir o dar calor a un fluido de mayor temperatura a uno de menor temperatura, o sea, pasar calor de un fluido caliente a uno frío. Esta transferencia de calor puede ser a cualquier temperatura y presión. Los fluidos pueden ser gases o líquidos para propósitos de transferencia de calor y eliminar la contaminación de los fluidos, estos estarán siempre separados por una pared generalmente metálica. Con una transmisión eficiente de calor obtenido por medio de los cambiadores de calor se ahorra combustible que sería necesario para calentar líquidos y gases por requerimientos del proceso. Aprovechamiento de las necesidades de proceso en las plantas industriales. Para obtener los productos finales hay necesidad de contar con medios de elevar o bajar temperaturas de los productos intermedios según se requiera a través del proceso. Lo anterior se logra mediante cambiadores de calor combinado. Aprovechando las diferentes fases cuando se cuenta con líquidos, gases fríos o calientes. Tenemos como ejemplo los siguientes pasos: a.-

Calentar fluidos con un gas que se necesita enfriar.

b.-

Calentar fluidos con el vapor de escape que ya ha sido aprovechado en alguna otra fase del proceso. MGC 1



c.-

En un fluido o producto terminado, aprovechando su contenido de calor para calentar otro fluido que lo requiera.

d.-

Evaporar fluidos aprovechando vapor de escape.

e.-

Condensar un gas caliente con un fluido que requiere ser elevado a cierta temperatura mediante el aprovechamiento adecuado de las necesidades del proceso, existiendo un ahorro económico.

La Industria Petrolera utiliza en sus instalaciones de proceso, tales como refinerías o plantas petroquímicas un gran número de equipos en los que se efectúan una transferencia de calor y en consecuencia el porcentaje que representa en el costo de operación de las mismas es bastante elevado. Esta clase de equipo, es responsable del funcionamiento económico y flexible de la planta, como son los casos concretos de las plantas de destilación combinadas con petróleo crudo y las reductoras de viscosidad de residuo, pues algunos de los puntos principales de su diseño son: a:

Obtener el mayor aprovechamiento de la energía térmica en el proceso.

b:

Evitar el paro y el arranque de la planta en forma frecuente y de gran duración por el mantenimiento excesivo.

Con el objeto de lograr tal funcionamiento, el Ingeniero de Proceso al efectuar el diseño de la Planta debe tomar en cuenta los criterios de diseños mencionados en los párrafos anteriores, los cuales traducen: 1:

La proporción del arreglo del equipo de transferencia de calor y de los equipos relacionados con ellos, de tal manera que el aprovechamiento de la energía térmica se lleve a cabo en la forma más eficiente posible.

2:

La selección o el diseño del equipo en la forma más rigurosa o detallada, considerando no solo las variables de diseño específico en cada una de ellas, sino que además deberán diseñarse de manera que a pesar de ciertas situaciones de operación de emergencia de la planta , puede seguir teniendo un funcionamiento eficiente. MGC 2



El diseño del equipo de transferencia deberá tender a minimizar el mantenimiento de las mismas, con el objeto de evitar hasta donde sea posible los tiempos muertos o la disminución de la capacidad de la planta. De acuerdo a estas razones la optimización del arreglo y el diseño del equipo de transferencia de calor, se encuentra plenamente justificado en la realización de la mayoría de los Proyectos de Petróleos Mexicanos. El Ingeniero de Diseño deberá conocer y analizar minuciosamente la validez y confiabilidad de las correlaciones disponibles para el dimensionamiento termodinámico del Cambiador de Calor. Así como los aspectos relacionados con la fabricación y mantenimiento de la unidad con el objeto de que el equipo sea diseñado realistamente y cumpla satisfactoriamente al servicio deseado.

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II: TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN. Las condiciones de operación, las características de los fluidos que intercambian calor, además de la gran cantidad de equipos requeridos en cada proceso, han impulsado a el diseño de una gran variedad de Cambiadores de Calor, para seleccionar el tipo más adecuado, eficiente y económico para cada necesidad en particular. A continuación se enumeran algunos de los diferentes tipos de Cambiadores de Calor de acuerdo a su Construcción:

CAMBIADORES DE CALOR DE HAZ DE TUBOS EXPUESTOS Pueden estar formados por un solo tubo o por un haz de tubos pero sin carcaza. El tipo de un solo tubo se utiliza en forma eficiente para calentar o enfriar fluidos, en recipientes de proceso o de almacenamiento. Estos son los más sencillos, tanto por su diseño como por su construcción, ya que generalmente se fabrican de tubería comercial y pueden armarse en el sitio de uso. Un ejemplo de este tipo de cambiador se observa en la figura No. 2.1. El tipo de Haz de Tubos se utiliza en forma muy eficiente, principalmente para dar calentamiento a un fluido contenido en un tanque o para calentar el líquido que se extrae de él. Los tipos más comunes son los mostrados en las figuras 2.2 y 2.3. En la figura 2.2 se observa un cambiador de Haz que nos sirve únicamente como calentador del fluido contenido en el tanque.

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TUBOS CONCÉNTRICOS. La construcción sencilla de esta cambiador, permite tener área de transferencia de calor a bajo costo. Sus principales componentes son, un tubo en el interior de otro de mayor diámetro, lo que permite el flujo de una corriente por el tubo interno, y otra por el anulo. Tanto la tubería como las conexiones que permiten ensamblar las horquillas o secciones del cambiador son estándar, por lo que el equipo puede armarse en el lugar de uso. Tiene flexibilidad para diseñarse a contracorriente pura y con arreglos en serie o paralelo. En servicios con áreas menores a 200 ft2 son más económicos y eficientes que un cambiador del tipo Haz - Envolvente, siempre y cuando se disponga de espacio suficiente en la planta, ya que ocupan mayor área que éstos. En la figura No. 2.4 se muestra un enfriador de este tipo. Es frecuente el uso de aletas en los tubos interiores con el objeto de aumentar la eficiencia en la transmisión de calor. La relación de área de un tubo liso entre el interior y el exterior, varía de 1.1 a 1.5 veces, dependiendo del diámetro y el calibre de los tubos. Con el uso de aletas, la relación entre el área externa varía de 3 a 40 veces el área interior, dependiendo del tipo de aleta que se le anexe. Las figuras 2.5, 2.6, 2.7 y 2.8 nos representan la variedad de tipos de aletas más conocidos.

TIPO BAYONETA Este cambiador consiste en pares de tubos concéntricos con el tubo exterior sellado en uno de sus extremos. El fluido entra a la unidad por el tubo interno y retorna por el anulo, y tanto el tubo exterior como el interior se sujetan a cabezales o carretes estacionarios separados y se colocan en tanques o recipientes para efectuar el intercambio de calor que se lleva a cabo principalmente a través de la superficie del tubo exterior.

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Como los tubos pueden moverse libre e independientemente cuando hay expansión térmica, éste tipo de equipo puede usarse cuando la diferencia de temperaturas entre los fluidos sea grande. La figura No. 2.9, nos representa un equipo del tipo Bayoneta.

CAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE El cambiador de calor enfriado con aire, se hace especialmente más atractivo en lugares donde el agua es escasa o en donde el tratamiento de la misma es muy costoso. Son enfriadores que consisten principalmente en uno o más haces de tubos, uno o varios ventiladores para mover el aire, una estructura para sostener las partes componentes y una serie de accesorios que en conjunto forman el equipo. Los haces son en forma rectangular y consisten de 2 a 10 hileras de tubos aletados con arreglo triangular, los extremos de los tubos son rolados o soldados a los espejos de los cabezales. Aunque generalmente la fluxería (tubos) son redondos, en algunas ocasiones se diseñan con fluxería elíptica. Las aletas son transversales, sujetas al tubo y construidas generalmente de Aluminio por ser este un material ligero y además, con buenas características de Transferencia de Calor. Se pueden diseñar unidades de Tiro Forzado y de Tiro Inducido, como se puede observar en las figuras 2.10 y 2.11. A este tipo de equipos se le conoce también con el nombre de “Soloaires”.

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CAMBIADORES DE HAZ - ENVOLVENTE. Se puede considerar a este equipo, como el Cambiador de Calor por excelencia, ya que es el más utilizado y frecuentemente se le considera un Standard con el que pueden compararse otros equipos. Existen tres tipos de construcción en el diseño de este equipo y son: A:

Espejos fijos.

B:

Tubos en “U”.

C:

Cabezal flotante.

Los cuales más adelante se verán en forma más concreta.

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III: TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR DE ACUERDO A SU FUNCIÓN. Como se enunció con anterioridad, los Cambiadores de Calor del tipo Haz Envolvente, son el prototipo de ellos, por lo cual en este capítulo se hará mención de los diferentes tipos de Cambiador de Calor de acuerdo a la función que desempeña este prototipo.

INTERCAMBIADORES DE CALOR Se conoce con este nombre a los equipos destinados a recuperar calor de una corriente y cederla a otra, sin que existan cambios de estado físico. Este tipo de Cambiador de Calor puede diseñarse casi para cualquier rango de temperatura, un ejemplo de ellos se ilustra en la figura No. 3.1.

CONDENSADORES Este tipo de equipo, generalmente tiene una forma diferente en la envolvente, ya que lleva en la parte inferior, una campana o recolector de condensado. El uso de este equipo es indispensable en las plantas de proceso industriales, por ejemplo, para condensar el vapor procedente de las Turbinas que, además de bajar la presión de salida, se recupera el condensado para utilizarse como agua de alimentación a calderas, obteniendo con ello una gran economía, la figura No. 3.2, nos representa uno de los tipos de condensadores.

CONDENSADORES DE EYECTOR Son equipos de gran capacidad para recuperar el vapor, condensándolo para aprovecharlo en forma adecuada. Este es el objetivo que se persigue al recurrir al uso de los Eyectores de Vacío, ya que producen una potente succión dentro de la Coraza y alrededor de los tubos, para eliminar y mantener el vacío creado por la condensación del vapor.

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Los Eyectores (figura No. 3.3), consisten en un venturi conectado por un lado al vapor de alta presión y por el otro, al interior de la coraza del condensador. Al expansionarse el vapor en el difusor del venturi, extrae con gran fuerza una parte de los vapores del interior de la coraza. Los condensadores para gran capacidad, son de varios pasos. Por lo general, en los Turbogeneradores se instalan de dos pasos dobles, o sea que tienen dos entradas del fluido de enfriamiento y dos salidas, en la figura No. 3.4 se observa este tipo de equipo.

ENFRIADORES Comprenden en este tipo de equipo, los que usan un fluido de enfriamiento tal como aire o agua y los que usan líquidos refrigerantes tales como amoniaco, propano, etc., en cuyo caso se les conoce con el nombre de “Chillers”, en los cuales por dentro de los tubos pasa la corriente que se va a enfriar, a temperaturas inferiores al ambiente o a 0ºC, y estos están sumergidos en el líquido refrigerante contenido en el cuerpo del equipo controlándose su nivel y con una cámara de vaporización, por lo que se puede observar en la figura No. 3.5, que el diámetro del haz de tubos es inferior al diámetro interior de la envolvente y excéntrico. En este tipo de equipos, se suprime el cabezal flotante para evitar la ruptura de los espárragos de sujeción, debido a la contracción que existe ocasionada por las bajas temperaturas a las cuales trabaja, utilizándose generalmente tubos en “U” o serpentines únicos.

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EVAPORADORES, REHERVIDORES O RECALENTADORES Este tipo de equipo se construye en forma vertical, con envolventes de diámetro amplio con relación al haz de tubos, se usan principalmente para proveer vapores de calentamiento y arrastre en torres, reactivadores, regeneradores, etc., como corriente de calentamiento se utiliza vapor recalentado o alguna corriente de proceso que pueda ceder el calor necesario para vaporizar el líquido de proceso o para producir vapor, en cuyo caso se les conoce con el nombre de calderetas. Un recalentador o evaporador de haz de tubos con cabezal flotante y del tipo horizontal, se muestra en la figura No. 3.6.

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IV: COMPONENTES Y DESCRIPCIÓN DE CADA UNA DE LAS PARTES DE CAMBIADORES DE CALOR DEL TIPO HAZ - ENVOLVENTE Un Cambiador de Calor del tipo Haz - Envolvente, está compuesto por cuatro partes principales, siendo estas, Haz de Tubos o Núcleo, Envolvente, Cabezal o Carrete Frontal y Cabezal posterior (de retorno o de salida, según sea el caso). De acuerdo con la Norma T. E. M. A., (Tubular Exchanger Manufacturers Association), es recomendable que el tamaño y tipo de Cambiador de Calor, se designe mediante números y letras respectivamente, tal como se indica a continuación. El tamaño de la unidad se designa por números que indican el diámetro nominal de la unidad, que corresponde al diámetro interior de la envolvente dado en pulgadas, redondeando al entero más cercano, y a la longitud nominal que para unidades de haz de tubos rectos, corresponde a la longitud total real de los tubos y para unidades con haz de tubos en “U”, se toman como base los tubos exteriores del haz, siendo la longitud desde el extremo del tubo hasta el inicio de la curva que nos forma el retorno “U”. El tipo de Cambiador de Calor se designa por letras que describen el Cabezal o Carrete de entrada, la Envolvente y el Cabezal de Retorno o Salida, en el orden mencionado. La figura No. 4.1 muestra la nomenclatura utilizada por el T. E. M. A., para indicar los tipos de Cambiadores de Calor y las figuras No. 4.2, nos ejemplifican las designaciones para una serie de equipos.

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A continuación se describen cada una de las partes constitutivas de un equipo: TUBOS Los tubos son los componentes básicos de los Cambiadores de Calor, ya que son los que proveen la superficie de transferencia de calor entre los fluidos que van dentro y fuera de ellos. Entre los materiales más utilizados para su fabricación se encuentran; el acero al carbono, aceros de baja aleación, acero inoxidable, admiralty, cupro níquel, inconel, metal Muntz, aluminio y el cobre. Los tubos para Cambiadores de Calor no deberán confundirse con tubos de acero u otro tipo de tubería comercial obtenida por extrusión a tamaños nominales de tubería de acero. Esto es, el diámetro exterior de los tubos para Cambiadores de Calor, pertenece al diámetro nominal, en tanto que en tubería para otros usos, el diámetro nominal no es el diámetro exterior, ahora bien, los diámetros nominales para tubería de Cambiadores de Calor se pueden obtener con diferentes espesores de pared definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se refiere al Calibrador BWG. En la Tabla No. 4.1, se listan los tamaños más utilizados. Los orificios en los espejos no deben taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiado estrecha de metal entre tubos adyacentes debilitaría estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. A la distancia entre centro y centro de tubería se le conoce en algunos lugares como “pitch” o “paso”, los arreglos que normalmente se utilizan son: el triangular, triangular girado a 30º, cuadrado y cuadrado girado a 45º. El arreglo triangular se utiliza generalmente en Cambiadores de Calor cuyo fluido por fuera de los tubos sea limpio, ya que este tipo de arreglo no nos permite la limpieza mecánica, sin embargo la limpieza se puede realizar mediante el uso de solventes químicos. El arreglo cuadrado se recomienda cuando el fluido que circula fuera de los tubos sea sucio o donde la caída de presión por el lado de la carcaza o MGC 12



envolvente este muy limitado, además de que se pueden llevar a cabo la limpieza mecánica tanto como la química. Los arreglos de la fluxería se muestran en la figura No. 4.3. El tipo de arreglo de fluxería determina el diámetro de la envolvente, además de influir en éste, el número de pasos tanto por tubos como por envolvente. En general, cuando se diseña la distribución de los tubos en un Cambiador, lo que se busca es obtener una mayor área de transferencia de calor con los tubos contenidos en una área seccional dada, pero a su vez permitir la limpieza interior y exterior de los tubos. Cuando se requiere dar limpieza interior a la fluxería, los diámetros menores que deben utilizarse son los de 3/4”. La longitud de los tubos está dada por la disponibilidad comercial y van en dimensiones desde 8, 10, 12, 16, 20 y 24 pies usualmente, aunque se pueden obtener tuberías de una longitud hasta de 48 pies. Otros factores que afectan la longitud de los tubos, son la disponibilidad de espacio en la planta y cuando se tenga restricción en la caída de presión permitida. Usualmente conviene seleccionar tubos largos, ya que el diseño resultante es más económico que uno de tubos cortos con una área equivalente. Respecto al espesor recomendado de los mismos, se anexa la Tabla No. 4.2, extraída de la norma T. E. M. A., donde se verá que además de ser función del diámetro del tubo, lo es también del material de construcción.

ESPEJOS Son placas circulares que son barrenadas y ranuradas para la colocación de tubos, los empaques, varillas tensoras y el círculo de tornillos para que embone con la envolvente (cuando se requiera). Los tubos son sostenidos en su lugar al ser insertados en los orificios practicados a los espejos y posteriormente son rolados o soldados a éste. Sin embargo, cuando se desea evitar el mezclado entre los fluidos debido a fugas en los barrenos del espejo, se pueden utilizar espejos dobles (con un considerable aumento del costo), el espacio entre los espejos queda abierto a la atmósfera a fin de que la fuga de cualquiera de los fluidos pueda ser rápidamente detectada. MGC 13



El espejo, en adición a sus requerimientos mecánicos, deberá soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos y deberá ser electroquímicamente compatible con el material de tubos y el material del carrete. Normalmente se construyen de acero inoxidable cuando se va a trabajar con fluidos oxidantes, corrosibles y a altas presiones, aunque algunos espejos se hacen de acero al carbono con una capa delgada de aleación resistente a la corrosión. Las figuras No. 4.4, 4.5 y 4.6, muestran la unión tubo - espejo.

ENVOLVENTES Y BOQUILLAS La envolvente es el recipiente del fluido externo a los tubos y las boquillas son la entrada y salida de él. La envolvente tiene una sección circular y está construida comúnmente de placas que son roladas a las dimensiones requeridas y soldadas longitudinalmente. Las envolventes menores de 24” se pueden construir de tubería comercial. La redondez de la envolvente es importante al fijar el diámetro máximo de los deflectores y el efecto de la fuga entre envolvente y deflector. En Cambiadores grandes, la envolvente deberá ser cuando sea posible, de acero al carbono por razones de economía, aunque se pueden utilizar aleaciones por demandas debido a la corrosión o a esfuerzos por altas temperaturas. La boquilla de alimentación con frecuencia cuenta con una mampara de choque colocada inmediatamente bajo la entrada para dispersar el chorro del fluido, a fin de que no golpeé y erosione las primeras hileras de tubos. Otro arreglo para lograr la distribución, es el uso de cinturones de distribución, generalmente cuando la boquilla de entrada es grande, aunque el uso de este cinturón encarezca inicialmente al equipo (ver figura No. 4.7). En general, para fijar el diámetro de la envolvente permitido, es necesario tomar en cuenta varios factores, entre estos están los siguientes: tipo de carrete, presión de diseño, espacio disponible en la planta, el arreglo de la fluxería, número de pasos con respecto a los tubos y número de tubos. MGC 14



De acuerdo con el T. E. M. A., tenemos seis diferentes tipos de envolventes: el tipo “E”, de un solo paso; “F”, de dos pasos; “G”, flujo partido; “H”, doblemente partido; “J”, de flujo dividido; y “K” llamada tipo “Kettle”, mostrados en la figura No. 4.1. Tomando como base la envolvente “E”, podemos decir que la envolvente de dos pasos “F”, se utiliza para cuando existe cruce de temperaturas y se pretende lograr una contracorriente pura entre los fluidos de tubos y envolvente y lograr dos pasos en el cuerpo y más de cuatro en los tubos, evitando la utilización de dos equipos en serie. La envolvente tipo “G” de flujo partido, básicamente presenta las cualidades de la envolvente “F”, su uso principal está en la condensación de vapores. El vapor entra por la parte superior de la envolvente dividiéndose a la mitad debido a la placa de soporte que divide a la envolvente en dos compartimentos idénticos. Después de que el vapor pasa por la placa superior de la placa longitudinal, cruza hacia el segundo paso de la envolvente en dirección contraria para salir finalmente por la boquilla inferior. Las velocidades y la longitud de la travesía, son las mismas que para una envolvente tipo “F”, la mejoría consiste en que el condensado se mantiene por un tiempo más largo en contacto con los tubos. Para promover su subenfriamiento se pueden perforar los extremos de la mampara longitudinal, a fin de que el condensado goteé encima de los tubos del paso inferior. La envolvente tipo “H”, doblemente partida, se utiliza para reducir la caída de presión. En condensadores la alimentación de vapor se divide en las dos boquillas de alimentación. La envolvente se divide en dos compartimientos separados por un soporte transversal completo en el centro de la envolvente, el vapor fluye por cada mitad de la envolvente por encima de la mampara longitudinal y regresa por la parte inferior hacia la boquilla de salida y prácticamente se unen las dos salidas en una sola línea. Un método alternativo para reducir la caída de presión en la envolvente nos la da la envolvente tipo “J” de flujo dividido. En éstos el vapor se puede alimentar en dos boquillas, o si se está vaporizando el fluido se alimenta en forma contraria y se separa por medio de un soporte sólido. La mezcla fluye MGC 15



de las boquillas superiores a la inferior, pasando por las mamparas. Los internos de ésta envolvente son más sencillos que los de doblemente partido. La envolvente tipo Kettle “K” se utiliza para cuando se requiere generar vapor y por lo tanto, hay que mantener parte líquida del fluido de alimentación y dejar un espacio encima del nivel del líquido para que el vapor producido pueda viajar a una velocidad suficientemente baja a fin de que las gotas de líquido que arrastre tengan la oportunidad de caer. En los Chiller, en los cuales el fluido dentro de los tubos es enfriado por la vaporización de un refrigerante en la envolvente, la construcción es similar a los Kettles con una construcción en los cabezales del tipo “U”, ya que normalmente las temperaturas de operación son muy bajas, estas temperaturas se denominan temperaturas criogénicas. CANALES Y BOQUILLAS Los canales y boquillas sirven para controlar el flujo que entra y sale por los tubos del Cambiador de Calor. Por lo general el fluido más corrosivo va con frecuencia de este lado, por lo que los canales y boquillas se hacen de alguna aleación compatible con los espejos y los tubos. Los tipos de canales de distribución se pueden clasificar en tres grupos generales; espejos fijos, cabezal “U” y cabezal flotante. Los cambiadores de calor con espejos fijos (nomenclatura “L”, “M” y “N” del T. E. M. A., se diseñan con tubos rectos asegurados en sus extremos mediante espejos soldados a la envolvente. Usualmente, los espejos son de un diámetro mayor a la envolvente para servir como bridas en algunas ocasiones. Debido a que no se tienen empaques en el lado de la envolvente, los equipos de espejos fijos proveen de la máxima protección contra fugas al exterior del fluido que va por la envolvente. Por la misma razón el haz de tubos no puede removerse para la inspección o para efectuar la limpieza por el lado exterior de los tubos. El claro entre los tubos exteriores del haz y la envolvente es únicamente el requerido para la fabricación, con lo cual se puede lograr que las áreas de fuga en la envolvente, sean mínimas. MGC 16



Las diferencias de temperatura en estas unidades, están limitadas por la expansión térmica diferencial entre los tubos y la envolvente, debido a lo cual algunas veces es necesario instalar una junta de expansión en la envolvente. La necesidad de la junta (figura No. 4.8) se determina por consideraciones de la magnitud de las expansiones diferenciales o de las condiciones críticas que se esperan durante la operación. Las diferenciales de temperaturas aceptables son del orden de 100ºF a 200ºF. El lado de tubos queda accesible para el mantenimiento o remplazo de tubos. El lado de la envolvente puede ser limpiado únicamente por un retrolavado o con substancias químicas. Los equipos de espejos fijos se usan principalmente en servicios donde los fluidos que van por la envolvente son no incrustantes, tales como vapor, refrigerantes, gases, algunas aguas de enfriamiento y corrientes de proceso limpias. Las ventajas que presentan estos equipos son: 1. Bajo costo por unidad de área de transferencia. 2. Tubos rectos con facilidad para limpiarse interiormente. 3. No hay juntas de empaque del lado de la envolvente. 4. Áreas de by-pass mínima entre el haz de tubo y envolvente. 5. No hay empaques internos, con lo cual se minimiza la posibilidad de mezcla entre los fluidos debido a fallas de los empaques. Entre las desventajas se tiene: 1. Limitados en limpieza mecánica e inspección visual por el lado de los tubos, lo cual restringe su uso para el manejo de fluidos muy limpios por el lado de la envolvente.

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Utilización: En condensadores, calentadores, enfriadores y rehervidores. Cabezal en “U” (nomenclatura T. E. M. A., “U”); en éste caso, ambos extremos del tubo son sostenidos por el espejo único, lo que elimina el problema de las expansiones térmicas diferenciales debido a que los tubos están libres para expanderse. El haz de tubos puede removerse para la inspección y limpieza, aunque puede quedar fijo soldando el espejo a la envolvente. Para unidades con tubos removibles, éstos equipos dan aproximadamente el mismo claro entre los tubos exteriores y la envolvente, similares a los espejos fijos, sin embargo, el número de orificios en el espejo para un mismo tamaño de envolvente es menor, debido a las limitaciones de los tubos que tienen el menor radio de curvatura. El número de pasos siempre será par, y el número máximo está limitado únicamente por la dificultad de construcción de los compartimentos en el cabezal de distribución. Los canales y empaques son accesibles para el mantenimiento y emplazo, y el haz de tubos puede removerse para la limpieza o remplazo, sin embargo el remplazo puede hacerse únicamente en los extremos, ya que los demás requieren soportes especiales que permitan a la “U” esparcirse para tener acceso a los internos. El interior de los tubos puede ser limpiado mediante herramientas especiales y únicamente cuando el radio de curvatura de los tubos sea grande. Debido a lo anterior, los equipos de tubos en “U” se usan en servicios de fluidos no incrustantes o donde la limpieza química sea efectiva. Estos equipos son de particular uso para altas presiones, sin embargo, la presión no es factor determinante para usar tubos en “U”, la limpieza y temperatura si lo son. Ventajas de este tipo de Cambiadores con tubos en “U”: 1. Un solo espejo. 2. El haz de tubos puede removerse para la inspección y limpieza externa de los tubos. 3. Se minimiza el by-pass. 4. La expansión diferencial se compensa debido al doblez de los tubos. MGC 18



Desventajas: 1. Debido a su forma, la parte interna de los tubos presenta dificultad para su limpieza. 2. Los tubos no pueden remplazarse, excepto los exteriores del haz. 3. No se puede dar menos de dos pasos. Este tipo de equipo, se recomienda particularmente para altas presiones y temperaturas, ya que el ahorro de un espejo disminuye considerablemente su costo. Cabezales flotantes (nomenclatura “P”, “S”, “T” y “W” del T. E. M. A.), estos equipos tienen tubos rectos asegurados por espejos en ambos extremos. Uno de estos se encuentra libre para desplazarse, lo que beneficia a la expansión diferencial entre los tubos y la envolvente. El haz de tubos puede removerse para inspección, remplazo y limpieza externa de los tubos. Además, el lado interior de los tubos es accesible para el mantenimiento y limpieza, por lo que son recomendables para servicios con fluidos sucios y para altas temperaturas.

Los tipos básicos de cabezales flotantes son: 1.- Caja Empacada (clasificación “P”): En este equipo, el fluido de la envolvente se sella mediante empaquetadura suave dentro de un anillo. El empaque permite el desplazamiento del espejo flotante. Puesto que la caja empacada únicamente está en contacto con el fluido de la envolvente, éste y el del tubo no se mezclan cuando ocurre una fuga a través del empaque. El número de pasos de los tubos está limitado únicamente por la construcción y número de tubos. Puesto que el círculo límite de tubos se aproxima al faldón del espejo flotante, los claros entre los tubos y la envolvente se dictan por el espesor del faldón. Se recomiendan para servicios hasta de 600 psi y 600ºF, y no son aplicables cuando las posibles fugas del fluido de la envolvente al exterior, son indeseables.

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2.- Empacado Exterior con Cierre Hermético (clasificación “W”). En este caso los fluidos de tubos y envolventes se sellan por empaques de anillo o con un anillo de cierre hidráulico provisto con orificios, a fin de que la fuga a través de alguno de los empaques sea exterior. El ancho del espejo puede ser suficiente para permitir el doble empacado, el anillo de cierre hidráulico y la expansión térmica diferencial. Un pequeño faldón es, algunas veces, anexado al espejo flotante para proveer superficies de conexión para los empaques y el anillo de cierre hidráulico. Puesto que no se pueden colocar placas de partición para pasos en el cabezal flotante, el número de pasos está limitado a uno o dos. El claro entre el circulo límite de tubo y la envolvente, deben tomar en cuenta la distorsión durante el rolado de los tubos en el borde del espejo. Los cabezales tipo “W”, están generalmente limitados a 150 psi y 500ºF, esta construcción no es aceptable cuando no se permite la fuga al exterior de ninguno de los fluidos, o cuando no se tolera el mezclado de los fluidos. 3.- Cabezal de Arrastre (clasificación “T”): Este tipo de cambiador tiene un cabezal separado y atornillado directamente al espejo flotante. Tanto el cabezal como el espejo son de un tamaño tal que pueden deslizar a través de la envolvente y el haz puede ser removido sin separar la tapa del espejo flotante. El claro requerido (el cual es el mayor en los cambiadores de calor del tipo haz - envolvente), entre el circulo límite de tubos y el diámetro interior de la envolvente, debe ser tal que pueda tener espacio para el empaque y la tornillería en el espejo flotante. El número de pasos en los tubos, está limitado únicamente por la fabricación y el número de tubos. Con pasos nones, la boquilla debe extenderse desde el cabezal flotante hasta la cubierta de la envolvente. Se dejarán previsiones para la expansión térmica diferencial y la remoción del haz de tubos debe hacerse por métodos similares a juntas empacadas o fuelles. Puesto que este tipo de cambiador requiere de empaques internos entre el espejo flotante y su cabezal, generalmente se restringen sus aplicaciones o servicios donde se pueden tolerar pequeñas fallas del empaque interno.

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4.- Cabezal de Anillo Dividido (clasificación “S”): En este diseño la cubierta del cabezal flotante está asegurada en el espejo flotante con un anillo dividido. Esta parte, localizada más allá de donde finaliza la envolvente, en encerrada por una cubierta de mayor diámetro. La cubierta de la envolvente, el anillo y la cubierta del cabezal flotante, se deben remover para deslizar el haz a través de la envolvente. El claro entre los tubos más externos y el diámetro interno de la envolvente que es aproximadamente igual al tipo “P” y menor que en el tipo “T”, aproxima el diámetro interno del empaque al espejo flotante. Este tipo de construcción tiene la misma limitación en el número de pasos, presión y temperaturas admisibles en un tipo “T”. Ventajas de los cabezales flotantes: 1. El haz de tubos puede removerse para limpieza mecánica exterior de los tubos y para su inspección. 2. Tubos rectos, remplazables con facilidad y la limpieza de sus interiores se puede llevar a cabo sin remover el haz. 3. El cabezal flotante absorbe la expansión térmica diferencial entre los tubos y la envolvente. Desventajas y limitaciones de los cabezales flotantes: 1. Alto costo. 2. El empaque interno en la cabeza flotante, tiene el peligro de mezclar los dos fluidos por falla de empaque, por lo que estos equipos están limitados a presiones medias (aproximadamente 600 psi). La figura No. 4.9 muestra las características de cada cabezal. Las cubiertas de los canales o tapas, pueden en ocasiones ser atornilladas a las bridas de los canales para ser removidas para una inspección de los tubos, sin necesidad de remover las tuberías de conexión del canal. Otras veces se utilizan bonetes en vez de usar un canal con tapa (figura No. 4.10). Las placas divisoras de pasos que se utilizan en el canal, es cuando se quiere tener dos o más pasos (figura No. 4.11). Si los canales o bonetes se hacen de hierro colado, éstas placas son integrales para que posteriormente se les de un buen acabado con el fin de que ajusten bien los empaques que sellarán las MGC 21



divisiones. Si son rolados los canales, estas placas van soldadas. El arreglo de los divisores en pasos múltiples, es arbitrario, generalmente lo que se procura es tener el mismo número de tubos en cada paso, con el fin de minimizar la caída de presión y cumplir con la serie de consideraciones que se hacen en el cálculo de la diferencia de temperaturas, para proveer una presión casi uniforme en todas las partes de los empaques de sello y para minimizar la complejidad de la fabricación y el costo.

DEFLECTORES O BAFLES Son placas metálicas que se les da un contorno circular y tienen dos unciones, una de ellas es la de soportar los tubos en la posición apropiada durante su ensamble y operación, previendo la vibración de los tubos causada por remolinos en el flujo y la otra función es, guiar el flujo de la envolvente en forma transversal al haz de tubos, aumentando la velocidad y el coeficiente de transferencia de calor. El tipo de bafle más común es el segmentado, con corte vertical, horizontal o inclinado; otros tipos son los de dona y disco y los doblemente segmentados. Las figuras 4.12, 4.13, 4.14, 4.15 y 4.16, nos muestra los diferentes tipos de bafles. Los bafles segmentados; son círculos de menor diámetro que la envolvente, en donde una porción, ya sea horizontal o vertical, ha sido recortada. La parte cortada representa el área libre de flujo y éste corte puede variar desde un 10% a un 35% del área de la envolvente. Las tolerancias con respecto al diámetro interior de la envolvente, se encuentra dado en la Tabla No. 4.3. El corte del bafle generalmente es vertical en condensadores, rehervidores, vaporizadores e intercambiadores cuyo servicio se realiza manejando materiales con sólidos en suspensión o fluidos pesados. Con este arreglo, los incondensables pueden escapar o ir al tope del equipo, provocando zonas no propicias para la transferencia de calor. También es importante el dren del líquido que condensa. El corte horizontal es recomendable cuando no hay cambio de fase en la envolvente y para cualquier líquido que no contenga sólidos en suspensión. En MGC 22



caso de que existan gases disueltos en el líquido, que se puedan desprender, no se deberán emplear estos bafles, pero en caso de que se utilicen, deberán dejarse canales para el paso de estos, este sistema no es conveniente cuando se tienen cantidades considerables de gases. Bafles de disco y dona: el perfil de flujo de estos bafles a lo largo de un cambiador, es casi lineal (figura No. 4.15), ya que éstas se encuentran constituidas de un mismo plato circular perforado en el centro. El anillo y el segmento se colocan alternadamente a lo largo del haz de tubos. Para un servicio sin cambio de fase y con fluidos limpios, estos bafles resultan tan efectivos como los segmentados, aunque se utilizan con menor frecuencia. No es recomendable para los casos en que existan incondensables disueltos, o que puedan desprenderse, o en servicios con cambio de fase, ya que no se desfogarían apropiadamente los gases o vapores mencionados al quedar atrapados en la parte superior de la dona. Los bafles de orificio: son poco usados, ya que están formados de un plato circular completo con los orificios taladrados para el paso de los tubos con una tolerancia de 1/16” a 1/8” entre el diámetro exterior del tubo y el diámetro del orificio. El fluido debe ser muy limpio, pasa por la sección anular entre el exterior del tubo y el diámetro taladrado. Este tipo de bafles presenta una gran turbulencia pero muy poco flujo cruzado entre los bafles (figura No. 4.16). Los condensadores se drenan bien y los incondensables se pueden ventear por la parte superior, pero su escasa aplicación es debida a que su caída de presión es alta. Los bafles longitudinales: se utilizan del lado de la envolvente, para dividir ésta en dos ó más pasos, o bien para dar a la carcaza la característica del tipo “Split”. Para evitar fugasen los bafles que dividen en pasos a la envolvente, los métodos de sellado más comunes dependen del diámetro de la envolvente y del servicio, se hacen por medio de soldadura, empaque atornillado, empaque con bandas de sello (figura No. 4.17). Estos bafles deben ser generalmente del mismo material de los bafles transversales. El material utilizado tiene espesores que van de 1/8” a 5/8” (Tabla No. 4.4). MGC 23



Los puntos más importantes para el diseño de los bafles, son las proporciones de espaciamiento y corte del bafle, tomando en cuenta el diámetro de la envolvente. La velocidad del flujo no deberá cambiar drásticamente entre el flujo transversal y a través de la ventana. Para líquidos el corte de la ventana del bafle deberá permanecer entre los límites de 20% a 35% para un comportamiento óptimo. Para gases a baja presión, se pueden tener cortes hasta de un 40% a 45%, a fin de minimizar la caída de presión, Los cortes muy grandes, especialmente si están relacionados con un espaciamiento de bafles muy grande, causan un flujo altamente ineficiente con áreas “muertas”, y un incremento potencial en el ensuciamiento. Una buena práctica en el diseño de espaciamientos entre bafles, es considerar un mínimo de 20% del diámetro de la envolvente a un máximo del 100% del diámetro de la envolvente, respetando lo recomendado en la tabla No. 4.5. El T. E. M. A., restringe a un máximo de 36” para espaciamiento entre bafles. Para gases a altas velocidades se utilizan bafles doblemente segmentadas, generalmente para decrecer la caída de presión, los espaciamientos entre bafles no deberán ser muy pequeños, ya que puede resultar un patrón de flujo inefectivo. El efecto de partir a la mitad, es que la velocidad se reduce en relación a la caída de presión, consecuentemente se reduce aproximadamente a la cuarta parte de la que se tendría en un bafle segmentado. En la figura No. 4.18 se muestran algunos patrones de flujo típicos para bafles segmentados. TENSORES Son varillas roscadas en sus extremos o en toda su longitud y nos sirven como guía para mantener a los espejos y bafles transversales, paralelos entre sí. El tipo del material de que están construidos, depende del fluido que se encuentre por el lado exterior de los tubos.

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SEPARADORES Generalmente son tubos que van cubriendo a los tensores y que nos sirven para darle el espaciamiento a los bafles transversales. El material de este tubo es el mismo utilizado por la fluxería. En la figura No. 4.19 nos indica una secuencia de colocación de tensores, separadores, espejos y bafles transversales.

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V: MANTENIMIENTO A CAMBIADORES DE CALOR MANTENIMIENTO: Es el conjunto de actividades que es necesario desarrollar para conservar equipos, unidades e instalaciones en condiciones óptimas de servicio, prolongar su vida útil y sostener su operación al máximo nivel de eficiencia y el menor costo. Los objetivos del mantenimiento son: Técnico y Económico. Los criterios para la clasificación de los tipos o sistemas de mantenimiento, son variados. No obstante, se puede establecer una división sistemática la cual consiste en dividir el mantenimiento en tres importantes métodos técnicos: 1.- MANTENIMIENTO CORRECTIVO. 2.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO. 3.- MANTENIMIENTO PREDICTIVO. EL MANTENIMIENTO CORRECTIVO se tratará en el próximo capítulo más ampliamente. MANTENIMIENTO PREVENTIVO Definido como una substitución de partes, es utilizado para prevenir fallas, alargar la vida de operación del equipo por medio de inspecciones programadas y reemplazo periódico de las partes. Este tipo de mantenimiento, algunas veces puede dar margen a problemas, originando además gastos extras por cambio prematuro y sacrifico de las últimas horas de vida útil de las partes remplazadas. Por lo tanto, es algo en lo cual fácilmente se cae en la exageración y abuso. MANTENIMIENTO PREDICTIVO La técnica de descubrir el equipo en términos de una curva de vida - falla, es la base de este tipo de mantenimiento. Su principal objetivo es el de localizar donde aumentó considerablemente la frecuencia de falla. Agrega técnicas científicas avanzadas para aumentar los tiempos de operación y eliminar los trabajos innecesarios. El equipo se trabaja justo antes de la falla. Se toman MGC 26



medidas preventivas solo en equipos cuya falla puede crear un riesgo serio o cuyas operaciones sean especialmente críticas. Esta técnica trae consigo un ahorro sustancial, ya que pueden identificarse las corridas del tiempo del equipo y el trabajo de reparación puede llevarse a cabo justamente antes de la falla, con lo que se puede alargar el tiempo entre “paradas” y eliminar el trabajo de reparación demasiado temprano o demasiado tarde.

BASES PARA ESTABLECER EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO Para establecer el Mantenimiento Predictivo deben cumplirse los siguientes aspectos en los programas de Mantenimiento a Cambiadores de Calor: 1. Establecer las necesidades de mantenimiento para todos los equipos del acercamiento crítico contra el no crítico. 2. Determinar la programación del Mantenimiento Óptimo. 3. Sistematizar la colección y almacenamiento de los datos mediante el establecimiento de historia clínica de cada uno de los equipos. 4. Controlar y evaluar constantemente la eficiencia de mantenimiento. El Mantenimiento Predictivo del Cambiador de Calor se habrá de establecer de acuerdo con la siguiente consideración. CENSO: Se debe contar con los datos de placa del Cambiador de Calor. DATOS Y LECTURAS: El tipo de lectura o datos que deberá tenerse del Cambiador de Calor como una previsión técnica de falla y donde debe ser formada de acuerdo con los siguientes datos técnicos de diseño: 1. General, para cualquier defecto exterior visible. 2. De fugas de conexiones, cuerpo, carretes, tapas, bridas, etc. 3. De condiciones de soporte o estructuras. 4. De condiciones de alineamiento y protección. 5. De condiciones operacionales. 6. De calibración de espesores. Una inspección visual es generalmente aceptable para los incisos 1, 2, 3 y 4. MGC 27



Para determinar las condiciones de operación se requiere: Tomar lecturas de temperaturas a través de termopozos instalados en las boquillas de entrada y salida de fluidos que pasan por el interior y exterior de los tubos. Tomar lecturas de caídas de presión entre salidas y entradas de los fluidos, tanto por el exterior como por el interior de la tubería. Para la determinación de espesores se requiere: Cuando el Cambiador se encuentra en operación, calibrar diversos puntos del cuerpo, carretes, tapas y boquillas. Cuando el Cambiador se encuentra desarmado, calibrar los diferentes componentes del equipo, (cuerpo, tubos, mamparas, deflectores, espejos, placas de choque, etc.). FRECUENCIA: Es necesario establecer con qué frecuencia y mediante que medios se tomarán las lecturas en el equipo, se recomienda lo siguiente: 1. Las lecturas de temperaturas se tomarán cada 15 días por medio de termómetros bimetálicos. 2. Las lecturas de caída de presión se tomarán con la misma frecuencia que las temperaturas mediante manómetros diferentes. 3. Las lecturas de espesores desde el exterior se tomarán cada 2 ó 3 meses con un instrumento adecuado ultrasónico. 4. Las lecturas de los diferentes componentes del Cambiador se tomarán cada vez que se desarme previa programación mediante Compases, Verniers y Micrométros. INTERPRETACIÓN: Las temperaturas y caídas de presión se toman y registran en el formato No. 1, por los operadores que en cada planta designe el Ingeniero de Operación y deberán ser interpretados por Ingenieros de Proceso, Mantenimiento e Inspección. . Las lecturas de calibración de espesores serán tomadas y registradas en un formato por personas designadas por el Ingeniero de Inspección y deberán ser interpretadas por los Ingenieros de Mantenimiento e Inspección.

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El Mantenimiento que se le puede proporcionar al Cambiador de Calor cuando está en operación, es relativamente pasivo, debido a que este equipo no permite reparaciones correctivas cuando los fluidos están en operación. Sin embargo las inspecciones oportunas y el mantener las condiciones de operación en grado óptimo, es el resultado de un buen programa de inspección y reparación preventivo. La inspección periódica de las condiciones de operación de estos equipos, es recomendable que se haga bimestralmente por Ingenieros especialistas de Operación y Mantenimiento. RETROLAVADOS DE NÚCLEOS EN LAS PLANTAS DE PROCESO Las lecturas de presión y temperatura, tomadas periódicamente nos dan indicaciones de la eficiencia de nuestro Cambiador de Calor. Cuando la eficiencia es baja y nuestro Cambiador utiliza agua como medio enfriador (fuera de los tubos), se pueden seguir dos procedimientos para elevar su nivel de eficiencia, (esto se lleva a cabo con el equipo en operación): I. Retrolavado. II. Soplado a Contra Corriente. RETROLAVADO: Es un procedimiento que tiene como finalidad desalojar las incrustaciones o impurezas acumuladas en el interior de los tubos(figura No. 5.1). El Cambiador en operación normal tiene las válvulas “B” y “D” cerradas estando las “B” y “C” abiertas, para efectuar el retrolavado es necesario mantener cerradas las válvulas “A” y “D” y abiertas las “C” y “B”, esto ocasiona que el agua que antes entraba por “A” entra ahora por “C” y sale con toda la suciedad por “B” simultáneamente y el cambiador queda operando normalmente. SOPLADO A CONTRA CORRIENTE: Este procedimiento de lavado interior de los tubos, es parecido al anterior con la variante de que se utilizan dos compresoras para meter aire a presión por la válvula “D”.

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El procedimiento es el siguiente: I. Cerrar “A” y “C”, simultáneamente. II. Abrir “B”. III.Abrir “D” Después de 15 minutos de tiempo se cierra “D” y “B” y se abre “A” y “C”. D

C

B A

Figura No. 5.1 Retrolavado y soplado a Contra Corriente.

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LIMPIEZA INTERIOR DE LOS TUBOS DEL NÚCLEO El Cambiador de Calor debe ser puesto fuera de servicio dependiendo de sus características de funcionamiento y bajo los siguientes aspectos: a) Cuando uno o más tubos se han destruido y existe fuerte contaminación entre ambas substancias. b) Cuando las operaciones de temperatura no satisfacen las condiciones de operación. c) Cuando el número de tubos que están fuera de servicio ha llegado a un 10% ó 15% máximo del total. d) Cuando el debilitamiento de las paredes de las partes así lo requiera. Una vez fuera de servicio puede ser inspeccionado y reparado de acuerdo con los programas de limpieza. Se considera como Mantenimiento Preventivo la limpieza del interior de la tubería de los Cambiadores de Calor, por permitir en ese lapso, la revisión de boquillas, niplería y estado actual del interior de carretes y tapas. Para poder proceder a este tipo de mantenimiento se sigue la siguiente secuencia: a) Colocación de juntas ciegas en entradas y salidas de producto (previo vaciado y bloqueo de válvulas). b) Se procede a destapar al Cambiador de ambos lados. c) Se inspecciona con detenimiento el equipo. d) Se procede a la limpieza mecánica o con chorros de agua a presión. e) Se recibe la limpieza por parte de un especialista de Inspección y Seguridad. f) Se procede a tapar el equipo. g) Se retiran las juntas ciegas. La limpieza interior a los haces de tubería se lleva a cabo por el procedimiento de chorro de agua a presión o limpieza mecánica.

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LIMPIEZA MECÁNICA Para efectuar la limpieza interior de los tubos, cabezales y tapas, la limpieza mecánica resulta eficiente en muchos casos. El método consiste en disparar agua a alta presión, contra las partes metálicas, para desprender las costras adherentes. Esta acción es completamente escobillando con fibra o cepillo de nylon, así como rasquetas, varillas, brocas, golpeadores, etc. Que rompen los depósitos incrustantes. Las piezas anteriores pueden ser accionadas por motores neumáticos, el motor permanece en la parte exterior del tubo que hace girar la flecha hueca de acero, de suficiente longitud para alcanzar el extremo opuesto del tubo donde van acopladas las brocas. TURBINADO O VARILLADO La turbina para la limpieza mecánica de los tubos del Cambiador de Calor, se acoplan en su punta a diferentes brocas que se ajustan al diámetro interior del tubo, en este caso se utiliza agua que pasa a través de la flecha hueca. Para usarse el motor se cuelga de una polea con transportadores, permitiendo el movimiento horizontal sin cambiar la altura del motor. Estos motores vienen provistos de dos agarraderas, para control del agua y del aire. La turbina utilizada es de 188 r.p.m. y sirve para limpiar tubos completamente obstruidos. Se utiliza para tubos de acero y de aleación de aluminio de 0.95 cm (3/8”) a 4.45 cm. (1 3/4”) de diámetro interior. Las cabezas limpiadoras contienen engranes flotantes o brocas. Estos tipos de limpiadores se utilizan en tubos rectos, pues contienen juntas universales en sus extremos.

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LIMPIEZA CON AGUA A PRESIÓN El agua a grandes presiones actúa enérgicamente sobre los depósitos formados en el interior de los tubos, ocasionando su desprendimiento total. En este procedimiento se utiliza fundamentalmente una bomba portátil de tipo reciprocante (Hidro-Jet), que funciona a presión de 0 a 400 Kg/cm2 (5, 680 psi), con un gasto de 37 lts/min (10 gpm). Esta unidad puede servir en forma estacionaria o transportarse a las plantas de proceso. Para la proyección de agua se utiliza una pistola con manguera, toberas, lanzas y accesorios para alta presión. Las toberas que rocían por detrás, son adecuadas para mangueras. Antes de iniciar el trabajo con la bomba de limpieza a alta presión, se debe de revisar que todas las conexiones correspondientes se encuentren a su capacidad de funcionamiento. Los trabajos deben realizarse con trajes de protección. MANTENIMIENTO CORRECTIVO Es un método antiguo que consiste en permitir que el equipo opere hasta la falla. Aunque requiere poca planeación, es inaceptable como sistema en las plantas industriales grandes, pues todos los trabajos se llevan a cabo sobre la base de la emergencia que provoca un deficiente empleo de la mano de obra y material inadecuado. Sin embargo, este tipo de mantenimiento resulta ser más usual en la industria mediana y chica, debido a que no es necesario un sistema moderno de organización, pues su función es la de corregir fallas en los equipos y efectuar reparaciones parciales o totales cuando así se requiere. Es un conjunto de actividades que es necesario desarrollar para la reparación o corrección de daños. Seis razones por las que falla un Cambiador de Calor son: 1. Suciedad excesiva. 2. Aire o gas dentro del Cambiador, resultado de instalación inadecuada de líneas, o carencia de venteo. MGC 33



3. Condiciones de operación diferentes a la que se diseña. 4. Mala distribución de los flujos de la unidad. 5. Excesiva holgura entre los bafles y los tubos, generalmente debido a la corrosión. 6. Diseño térmico inadecuado. Usualmente las causas para sacar de operación un Cambiador de Calor son: 1. Caída de presión excesiva. 2. Pérdidas de eficiencia que afecta la operación de la unidad. 3. Contaminación por fuga. 4. Fuga hacia el exterior excesiva. 5. Fin de su vida útil en récords anteriores. La caída de presión excesiva y la pérdida de eficiencia, son el resultado de la impureza que puede circular con el fluido, mientras que la contaminación de un fluido con el otro se debe generalmente a la corrosión. Sin embargo la inadecuada operación de un cambiador al arrancar o parar una planta, puede también ser causa de contaminación o fuga al exterior, aunque esta última puede ser también debido a fallas por defectos mecánicos. De lo anterior se deduce que podemos dividir en tres grandes grupos al estudio de las causas que motiva la reparación o limpieza de un Cambiador de Calor. 1. Por la corrosión. 2. Por la acumulación de substancias extrañas. 3. Por mala operación. La corrosión puede ocurrir en cualquier parte de un Cambiador y la intensidad de la misma está directamente relacionada con la concentración de los agentes corrosivos de los fluidos así como a la resistencia a la corrosión de los materiales conque fueron construidos. Uno de los principales agentes corrosivos es el azufre que se encuentra en los hidrocarburos bajo la forma de sulfuro de hidrógeno o mercaptanos en los procesos de refinación del petróleo y petroquímico. Ataca con facilidad las superficies de aleaciones de cobre, adelgazándolas. El sulfuro de hidrógeno ataca al acero al carbón cuando existen temperaturas superiores a 500ºF y a baja temperatura si está presente la humedad. MGC 34



Otro importante agente corrosivo es el ácido clorhídrico. Prácticamente todos los aceites crudos contienen agua salada con cloruros de calcio, magnesio y sodio, entre otras muchas sales. Cuando esta agua salada es calentada a temperaturas entre 300 y 400ºF, se forma ácido clorhídrico por un proceso llamado hidrólisis. Primeramente se forma cloruro de hidrógeno que solo es corrosivo en presencia del agua con la que si forma el ácido clorhídrico. El agua es un agente corrosivo por sí solo cuando lleva sólidos en suspensión causando erosión cuando pasa con fuerza a través de espacios pequeños. Cuando se usa vapor de agua como medio de calefacción en los calentadores y evaporadores, el condensado puede depositar incrustaciones dentro de los tubos. El CO2 o Bióxido de carbono y el oxígeno que contiene el condensado son causas principales de corrosión que se puede controlar mediante tratamiento de aguas. Acumulación de Substancias Extrañas en los Cambiadores de Calor: La caída de presión excesiva y la pérdida de eficiencia en los Cambiadores de Calor son el resultado de las impurezas que pueden circular con los fluidos. Las substancias extrañas que se acumulan en el interior de los Cambiadores de Calor pueden dividirse en dos grupos: 1. Substancias que circulan con el producto.- Estas substancias son generalmente de dos clases, que son las conducidas por el crudo que llega a las plantas de proceso y que han existido con los yacimientos petrolíferos o que las han adquirido durante el transporte y aquellas substancias olvidadas en el interior de las torres y recipientes durante las reparaciones tales como estopas, trapos, restos de electrodos de soldadura y las substancias químicas que forman parte del proceso o tratamiento de las gasolinas, como son granos y polvos de catalizadores que son arrastrados por el fluido al pasar por los reactores y recipientes de tratamiento a los Cambiadores de Calor. 2. Substancias que Circulan en el Aire.- Muchos de los Cambiadores, se emplean como Enfriadores y Condensadores, utilizando las aguas de los ríos, lagos, etc., como se sabe el agua del río conduce toda clase de restos orgánicos e inorgánicos que son succionados en grandes cantidades por las bombas. Todas estas substancias, todas estas substancias se van MGC 35



acumulando poco a poco hasta llegar a tapar los tubos cuando circulan por el interior de éstos o se detienen entre el haz cuando circulan por la carcaza.

Efectos de la Mala Operación de los Cambiadores de Calor. Los fluidos deben ser conducidos al interior de los tubos y carcaza de tal manera que primero se introduzca el fluido frío y posteriormente y poco a poco el fluido caliente, para evitar choques térmicos y mal funcionamiento posterior del equipo. Esto es muy importante particularmente cuando los gradientes de temperatura de operación son grandes. La aplicación súbita de las altas temperaturas causa desigual dilatación en los tubos y ello puede ocasionar fugas u otros daños. Los cambios bruscos de temperaturas, aflojan los espárragos o tornillos y separan las juntas. Medida Preventiva: En Cambiadores de Calor de varios pasos, la temperatura varía entre ellos, de esta manera varía también la dilatación de los tubos en los diferentes pasos. Los Cambiadores están diseñados de tal forma que los esfuerzos producidos por estas diferencias de expansión están dentro de los límites de seguridad cuando se trabaja a temperatura normal del equipo. Para ello se usa pasta Garlock roja del tipo “A” y se acostumbra reapretar el equipo una vez que alcance su temperatura de operación.

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SECUENCIA DEL DESARMADO DE UN CAMBIADOR DE CALOR EN LAS PLANTAS DE PROCESO El mantenimiento de los Cambiadores de Calor en las plantas de operación se realiza de acuerdo a la siguiente secuencia: Cuando en alguna planta de proceso surge algún problema o necesidad que determine la reparación y limpieza de un Cambiador. El grupo coordinado del sector de operación elabora una solicitud de trabajo al personal de mantenimiento. Existe un reglamento de ordenes de trabajo, en estos formatos se finca con precisión la responsabilidad del personal que interviene en la elaboración, ejecución de obra y en la autorización de las ordenes de trabajo. En general tiende a agilizar el trámite administrativo para la ejecución de las obras y además permitirá a los niveles de organización ejercer un control adecuado. La aplicación separa en dos grupos su relación de ordenes de trabajo. 1. El grupo de ordenes que se entrega al personal de mantenimiento. 2. El grupo de ordenes entregados al taller para la reparación de piezas. La solicitud ya elaborada se entrega al personal de mantenimiento y bien planea y programa los trabajos de campo determinando el tiempo según los recursos existentes tanto humanos como materiales y es cuando se debe trabajar por medio de la ruta crítica. Mantenimiento solicita el pedido de personal de campo de acuerdo con la planeación y a través de Asesoría Técnica de Materiales solicita el trabajo de ensamble (espárragos, tuercas, juntas, soportes, instrumentos y conexiones roscadas) y entrega al taller por medio de una orden de taller la reparación, limpieza y prueba del equipo. Previa colocación adecuada de andamios se procede a la colocación de las juntas ciegas, estas deberán ser de lámina lisa y suficiente espesor que garantice hermeticidad durante la prueba hidrostática, se deberán tomar todas las medidas de seguridad. MGC 37



Quitar tapa a carrete, carcaza y carrete posterior.- Todas las tapas deberán contar con orejas de carga y deberán inspeccionarse las soldaduras antes de cualquier maniobra. Deberán dejarse cuando menos 4 espárragos opuestos diametralmente para ser quitado hasta que el estrobo de carga sea cuidadosamente tensado sin ejercer demasiado esfuerzo. Ya tensado el estrobo de carga se aflojan los espárragos finales sin quitar las tuercas, deberán ser despegadas las tapas por medio de sus tornillos extractores o con gatos para bridas, la costumbre de palanquear con tubos o barretas en la abertura de unión deberá desecharse ya que un movimiento brusco daña las juntas. Una vez despegada la tapa hay que inspeccionar la junta para ver si se encuentra desprendida de sus dos caras de asiento, puede ser retirada o si se encuentra adherida a una sola cara y no se dañará al quitar totalmente la tapa, si se encuentra adherida a sus dos caras en zonas diferentes debe despegarse con rasqueta en la totalidad de una de sus caras, hecho lo anterior se puede retirar la tapa. Se realiza el mismo trabajo para la tapa posterior. Quitar el Carrete.- Quitar esta pieza con dos estrobos suficientemente largos para librar la tubería que sale de la boquilla superior, para quitar los espárragos y cuidar la junta. Sacar el núcleo.- Esta actividad implica una cuidadosa maniobra cuyos pasos se dan a continuación: a) Colocar el riel o vigueta de extracción en el espejo frontal fijado fuertemente a este por medio de sus espárragos que se introducen en los barrenos roscados que para tal efecto deben tener todos los Cambiadores de Haz Removible. Entre el riel de extracción y el espejo, deberá colocarse una tira de lámina de hule semiduro con un ancho de 1.5 veces el ancho del riel para que no se dañen los extremos de los tubos. b) En el centro del riel se colocará un grillete de tamaño adecuado al peso del haz, para que ahí se enlace el extremo del cable del malacate que deberá comunicar el jalón. Cuando convenga y sobre todo en los Cambiadores Elevados el jalón del malacate no irá directo, sino a través de una polea fijada en un poste de tubería rellena de concreto que se insertará verticalmente en los hoyos que se encuentran en el piso frente a cada MGC 38



Cambiador. En los Cambiadores más altos montados sobre estructuras metálicas se hará necesario por lo menos dos poleas, una en el piso frente al malacate y la otra al nivel del centro del Cambiador frente a éste. Deberá tenderse un cordón de seguridad que proteja el área de maniobra para evitar un accidente por algún reventón del cable. c) El jalón del malacate deberá ser lento y constante hasta que el Haz sobresalga de la carcaza una distancia de tres veces el ancho de cinturón de carga (eslinga), que se usará para cargarlo. Si el Haz no cede al jalón se emplea un gato hidráulico en la parte posterior de la carcaza, se empuja el Haz por el centro del espejo posterior a través de una placa metálica y lámina de hule semiduro. En este caso una sola persona deberá coordinar el jalón del malacate y el empujón del gato. Si el Haz no cede se recomienda un lavado químico por fuera de los tubos antes de volver a intentar la extracción. d) Cuando el Haz se encuentra afuera tres veces el ancho de la eslinga, se colocará éste, suspendiéndolo por medio de una grúa, la cual se situará en posición tal que pueda girar la pluma cargando el Haz, mientras se continúa extrayendo de la carcaza. e) Cuando con auxilio del malacate y grúa, se tenga el Haz fuera de la carcaza una distancia de 0.5 veces la longitud de los tubos más tres veces el ancho de la eslinga, se suspenderá la extracción del núcleo. En este punto se apoyará el espejo frontal en un banco adecuado de soporte que permite librar de la carga a la grúa. f) Ya apoyado el haz en sus espejos, el frontal en un soporte y el posterior aún dentro de la carcaza, la eslinga debe llevarse a una posición cuya línea de acción pase por el centro de gravedad del Haz. Este deberá estar situado no precisamente a la mitad de la longitud del Haz, sino ligeramente cargado hacia el espejo de mayor peso. Cuando se carga un Haz con su tapa flotante colocada, deberá tomarse en cuenta el peso de ésta y el peso de los espárragos. g) Con el cinturón de carga en el centro de gravedad del Haz, la grúa sola se, encargará de extraer totalmente el haz, colocándolo sobre el carro especial de transporte, si se va a llevar al taller o sobre soportes (bancos o durmientes) que reciban los bafles del Haz. Nunca se debe permitir que los soportes lastimen a los tubos. Los espejos deben quedar libres para cualquier intervención posterior sobre ellos. h) En los Cambiadores que cuentan con instalación fija de monoriel y diferenciales, se usarán dos eslingas, uno para cada diferencial. En estos MGC 39



casos el sostenimiento del haz durante su extracción, es diferente a lo anteriormente, ya que los diferenciales, además de repartirse el peso del Haz pueden viajar a lo largo del monoriel, solo hay que cuidar que el centro de cada eslinga se coloque a una distancia del espejo más cercano de 1.5 a 2 veces el ancho de ellos. Una vez que se ha extraído el núcleo, ingresa al taller de Cambiadores de Calor y se procede a la limpieza del núcleo y posteriormente a la reparación y/o reposición de partes. DESARMADO DE NÚCLEOS CON TUBOS EN “U” O, DE CABEZAL FLOTANTE En caso de determinar el cambio total de la tubería previa inspección , se procede al desarmado del núcleo, realizando la siguiente secuencia: a.- Corte de tubería: El corte de la tubería se realiza con cincel neumático en caso de ser de acero al carbono, la forma más rápida y económica para quitarlos, es cortarlos con soplete desde el exterior, protegiendo de la flama los tubos buenos mediante hojas de láminas, en caso de que sea parcial el cambio de tubería. Se pueden hacer varios cortes en cada tubo y sacarlos en secciones, después los extremos expansionados se eliminan con botadores del tamaño adecuado al tubo, accionados por martillos neumáticos, tratándose de tubos de acero de aleación, acero inoxidable, admiralty y cupro-níquel, el corte con flama deja de ser efectivo por lo que se deberá usar entonces un cortador neumático de cuchillas centrífuga por el interior de los tubos. En el caso que necesite remover tubos aislados o tubos en zonas interiores, se deberá usar por un extremo, un equipo hidráulico con espiga extractora del tamaño adecuado a las dimensiones del tubo y por el otro extremo un botador con martillo neumático. b.- Antes de proceder a colocar los tubos nuevos se deberán hacer los siguientes pasos: 1. Eliminar todas las rebabas metálicas que están atrapadas entre los tubos de buen estado y en los palacios del espejo. 2. Limpiar con algún solvente la superficie del palacio. 3. Rectificar el palacio con ranurador, si es necesario. MGC 40



4. Medir el diámetro de cada palacio con el objeto de ajustar el rolado posterior. 5. Lijar los tubos nuevos, lijando sus extremos en forma radial. 6. Limpiar los barrenos de los deflectores. TIPO “CEN” O INTEGRAL En caso de ser un Cambiador de Calor del tipo integral o de Haz de tubos fijos, generalmente se procede su reparación en la planta de proceso. La reparación se lleva a cabo en la planta porque es muy difícil sacar la carcaza del circuito de la planta, o de la descarga de alguna máquina ya que los espejos frontal y posterior, van integrados a la carcaza del equipo. El uso más común de este tipo de Cambiadores, es como Condensadores de Superficie, aunque los hay como calentadores o enfriadores de producto. La secuencia del desarmado de un Cambiador de Calor de este tipo es la de quitar las tapas para inspeccionar el estado en que se encuentra la tubería, en caso de necesitar cambio parcial de tubería, la extracción de tubos se lleva a cabo con una máquina hidráulica conocida en el medio petrolero como “Jenny”, la cual extrae el tubo sin dañar el palacio ni la cara del espejo, una vez que se colocaron los tubos necesarios se procede a rolar la tubería al espejo. Una vez terminada esta actividad, se procede a realizarle la prueba de hermeticidad para checar que el rolado esté en buenas condiciones y no vaya a existir una contaminación de fluidos. Hay ocasiones en que lo práctico es colocar tapones, por cuestiones de tiempo y necesidad del equipo en el proceso.

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REPARACIÓN DE CADA UNA DE LAS PARTES DE LOS CAMBIADORES DE CALOR Reparación de bafles, mamparas y espejos.- La calibración de espesores de estos elementos debe ser motivo de primordial interés, sobre todo en los equipos que manejan fluidos corrosivos, pues por lo general no se intervienen hasta que están en su límite de retiro. Cuando los espejos llegan a su límite de retiro, ello implica prácticamente desechar el núcleo, ya que es la pieza más costosa. Si la corrosión de los espejos es muy rápida, cabe pensar en cambiar de especificación de los materiales de construcción. Reparación de tensores y separadores de bafles.- Estos elementos de función primordialmente mecánica, deben mantenerse en buen estado para conservar la rigidez estructural del núcleo. Deberán remplazarse todos los tirantes y separadores que se encuentren doblados. Simultáneamente se harán las reparaciones, si son necesarias, de los siguientes elementos del Cambiador de Calor. Reparar la tapa flotante.- El principal problema en la reparación de estas tapas cuando son de acero al carbono y van unidas a un espejo de aleación de bronce, es similar al problema de los carretes distribuidores, solo que aquí es más crítico por trabajar a mayor temperatura. La corrosión galvánica se presenta en todo el asiento, la reconstrucción del asiento circunferencial y no mayores de 5 cm de largo en cada aplicación para evitar la distorsión de la pieza. Por la misma razón se debe evitar el excesivo calentamiento, con el mismo fin a intervalos regulares se debe comprobar el diámetro de la tapa. El material depositado debe estar suficientemente abultado para que el maquinado posterior en el torno permita dejar caras sin defectos, para poder ser montada la tapa en las mordazas del torno, debe previamente soldarse en la superficie cóncava, a una misma distancia del centro sobre ejes perpendiculares. Cuatro piezas de ángulo estructural de lados iguales, del tamaño adecuado al peso de la tapa, con la línea del vértice hacia afuera y perpendicular al eje que corresponda, las mordazas descansarán sobre la superficie exterior de cada pieza angular en el lado perpendicular a la brida de la tapa. MGC 42



Estas piezas angulares deberán quitarse después de maquinada la tapa para que no sea obstáculo en la dilatación lineal del Haz, ni interfieran en el montaje de la tapa posterior de la carcaza (si estas piezas angulares se colocan del tamaño y en forma adecuada, pueden servir para reparaciones posteriores). Es recomendable sustituir las tapas flotantes de los condensadores y enfriadores que sean de acero al carbono por unas de material compatible al del espejo en el que van montadas. Reparar el carrete distribuidor.- Es común encontrar en los condensadores y enfriadores que las mamparas del carrete distribuidor están corroídos y erosionados principalmente en las orillas que aprisionan las juntas contra el espejo frontal. La práctica que se debe seguir en estos casos es cambiar las mamparas y no parcharlos. La colocación de ánodos y la protección con pintura son efectivos solamente en períodos cortos, sin embargo deberán seguirse usando siempre que se coloque una mampara nueva, debe ser previamente cepillada y encuadrada en el taller mecánico. Si el caso lo amerita, debe tomarse el asiento circunferencial, debe estudiarse la posibilidad de galvanizar los carretes distribuidores. Reparar la carcaza.- Siempre que el tiempo lo permita, las zonas desgastadas de una carcaza, deben ser remplazadas, evitándose los parches sobrepuestos, las soldaduras interiores deberán esmerilarse a paño. Es muy importante el registro de espesores de una carcaza, ya que cuando el desgaste es parejo o abarca grandes zonas, es preferible remplazarlas. Reparar tapa posterior.- Deberán seguirse los lineamientos apuntados para la carcaza. Reparar tapa del carrete.- Cuando se trata de enfriadores y condensadores es frecuente encontrar corrosión generalizada en la tapa del carrete, deben rectificarse los asientos en el cepillo y torno, se deberán proteger con pintura y ánodos.

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Limpieza de espárragos.- En caso de estar en buen estado, se procede a limpiarlos con un cepillo de cerdas de alambre y posteriormente se recorren para tenerlos preparados para cuando se necesiten. Acondicionar juntas.- Se revisarán las juntas metálicas, previa limpieza y se determinará si podrán ser útiles nuevamente para entrar en servicio o si es necesario el cambio. En caso de ser juntas de cartón Garlock de 1/8” de espesor, se cambiarán sin excusa ya que son útiles para un solo apriete de caras de juntas. Si es necesaria la reparación de cada una de sus partes, primero se les da el mantenimiento o reparación pertinente y, si es el caso, la reposición de las mismas. Una vez que se han realizado el mantenimiento, reparación o reposición de partes, se procede al armado del núcleo como se indica a continuación. 1. Nivelar correctamente el espejo fijo. 2. Colocación de los tensores, separadores y bafles. 3. Entubado. 4. Rolado y/o soldado de tubería. Es importante la nivelación del espejo fijo, ya que es la base para el armado del núcleo y siempre nos servirá de guía. Una vez que se ha nivelado, se procede a la colocación de los tensores que se atornillan en los barrenos practicados en el espejo para tal fin y, posteriormente se colocan los separadores y bafles. Una vez realizado lo anterior, se procede a entubar el núcleo y finalmente colocar el espejo flotante si es necesario ya que si se trata de un núcleo con tubos en “U”, tan solo necesita el espejo fijo. El armado final del núcleo se lleva a cabo cuando se le coloca la placa de choque y posteriormente se realiza el rolado y/o soldado de la tubería a el o los espejos. Se conoce con el nombre de “rolado de tubería”, a la expansión que se le proporciona a los extremos de los tubos que están en contacto con el o los espejos por medio de unos barrenos denominados “palacios”. Para rolar los tubos, es necesario conocer el diámetro interior del tubo, su calibre así como el diámetro del palacio. Un procedimiento de cálculo MGC 44



empírico del rolado pero que da buenos resultados en la práctica, se realiza utilizando las siguientes fórmulas: Dr = Di + tol. + X% e Dr = Di + tol. + 1% Dp Siendo: tol. = Dp - Do e = Do - Di Dr = Diámetro rolado. Do = Diámetro exterior. Dp = Diámetro del palacio. Di = Diámetro interior del tubo X = el porcentaje de acuerdo al material de fabricación de los tubos Acero al carbono = 7 % Acero inoxidable = 5 % Admiralty = 8 % Cupro - níquel = 10 %

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La siguiente figura nos indica la secuencia para el armado del núcleo Espejo Fijo

Placa de choque

Tensores

separadores bafles

Dirección de colocación de las piezas Tubería

Espejo flotante

Secuencia del Armado del Núcleo ( con espejo flotante)

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En caso de que el núcleo solo haya sido programado para limpieza, de acuerdo a la inspección de campo, se procede a llevar a cabo la limpieza del núcleo de acuerdo a lo mencionado con respecto al lavado y sopleteado a presión, o en caso de tener en el taller el proceso de turbuladores, se llevará a cabo preferentemente con este último proceso. Una vez realizado ya sea el mantenimiento, reparación y/o reposición de partes y armado del núcleo, o tan solo el lavado del núcleo se lleva éste a la planta donde se va a instalar en su debida carcaza.

COLOCACIÓN DEL NÚCLEO EN SU CARCAZA SITUADA EN LAS PLANTAS DE PROCESO Antes de introducir el haz en su carcaza, es necesario colocar la junta núcleocarcaza, manteniéndola en posición mediante algún compuesto sellante. El primer paso para colocar el haz en su carcaza es cargarlo con una grúa mediante una eslinga en el centro de gravedad del núcleo y previa prueba hidrostática hecha por personal del taller. La grúa deberá estar en posición tal que pueda girar su pluma para introducir el haz en la carcaza, hasta que la eslinga esté a punto de tocar la tubería superior que conecta con el carrete o con la brida frontal de la carcaza según sea el caso. Se colocará un soporte que reciba el espejo frontal y que permita a la grúa soportarlo, se coloca la eslinga a una nueva posición lo más cercano posible al espejo frontal. Con la grúa nuevamente cargando al núcleo en su nueva posición, el haz ahora deberá ser empujado con la defensa posterior de un camión grúa colocando un madero entre defensa y núcleo, hasta que el espejo toque con la carcaza apretando la junta. Durante esta maniobra deberá cuidarse de que la junta no se desprenda de su posición, una sola persona deberá dirigir esta maniobra. Si el espejo frontal no queda nivelado, hay que proceder a girar el haz dentro de la carcaza, lo cual se logra colocando en el espejo el riel de extracción que MGC 47



deberá llevar grilletes en los extremos para que sean usados como brazos de palanca, la grúa tira a través de un estrobo del extremo necesario según la dirección de giro. En este paso deberá comprobarse la nivelación del espejo con un nivel de gota aplicado a alguna ranura de dicho espejo. En los cambiadores elevados, para la introducción del haz en la carcaza, se usa un sistema de poleas para jalar la parte posterior del haz, también puede utilizarse un gato hidráulico. Una vez colocado el núcleo, se procede a adherir la junta carrete-núcleo del lado del carrete de distribución y se procede a la colocación del carrete mediante unos estrobos suficientemente largos para librar la tubería que sale de la boquilla superior. Colocación de la tapa posterior.- Esta actividad se lleva a cabo mediante una grúa y generalmente dos personas que son las que se encargan de la colocación de la junta y el amarre de bridas llevando un apriete uniforme para todas las uniones, como se aprecia en la figura siguiente. 11 5

8

1 9 3

4 7

2

FORMA DIAMETRAL

10

DE APRETAR LOS ESPÁRRAGOS

6 12

PRUEBAS DE HERMETICIDAD Una vez concluido lo anterior se procede a realizar las pruebas de hermeticidad correspondientes, para que el inspector determine la recepción del equipo.

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PRUEBA HIDROSTÁTICA Los componentes de un Cambiador de Calor se unen para formarlo mediante: 1. Soldadura. 2. Bridas con sus empaques y espárragos respectivos. 3. Rolado de tubería. Por tal motivo, una vez fabricado el equipo, es preciso probar estas unidades con el objeto de verificar que no existan orificios, poros o grietas por donde puedan existir fugas de los fluidos de trabajo. El código ASME VIII, División 1, en su párrafo UG - 99 establece que todo recipiente cuya fabricación ha sido finalizada, deberá ser sometido a una prueba hidrostática, con excepción de los siguientes casos, donde se hace necesaria una prueba neumática:  Los recipientes que desde su diseño hayan sido destinados a prueba neumática.  Aquellos donde sus apoyos no presentan seguridad para resistirlos llenos de agua.  Los equipos que ofrezcan problemas para eliminar la humedad que pueda ser nociva para las condiciones de servicio, sin embargo, las partes que lo constituyen deben haber sido previamente probados, dentro de lo posible a la presión requerida. PRESIÓN MÍNIMA DE PRUEBA (PMP) La prueba hidrostática se llevará a cabo a una presión mínima de 1.5 veces la presión máxima permisible de trabajo (PMPT), señalada en el equipo, multiplicada por el cociente del vapor del esfuerzo permisible a la temperatura de prueba entre aquel que corresponda a la temperatura de diseño. La presión máxima permisible de trabajo, es la presión manométrica máxima permisible en la parte crítica de un recipiente terminado, en posición de operar. MGC 49



Esta presión se determina de la manera siguiente: Calcular la más alta presión permisible de cada elemento del equipo, a partir de sus espesores nominales sin incluir a la corrosión y haciendo uso de los esfuerzos permisibles a la temperatura de prueba, proporcionados por la subsección “C” del Código. Tomar el valor calculado más pequeño. A este se le llama también “Base para la presión de prueba calculada” (PB). PMPT = PB Cuando no se calcule la “PMPT”, esta puede considerarse igual que la presión de diseño. Presión de prueba calculada (Pp). Si el fabricante y el comprador del equipo están de acuerdo, puede llevarse a cabo la prueba hidrostática mediante la presión de prueba calculada (PB), la cual se determina multiplicando la presión máxima permisible de trabajo por 1.5 y reduciendo este valor en una cantidad igual a la presión de columna del fluido que actúa sobre el elemento considerado para la “PMPT”. Pp = 1.5 PMPT - H donde: H = Altura de la columna líquida.  = Peso específico del fluido. PRESIÓN MÁXIMA DE PRUEBA Cualquier presión de prueba mayor a la mínima puede ser empleada, pero debe tenerse mucho cuidado, ya que la sección VIII DIVISIÓN 1, párrafo UG - 99 del Código, no especifica un límite superior, sin embargo recurriendo al uso de una válvula de alivio que funciona a 1 1/3 veces la presión mínima de prueba. MGC 50



PRESIÓN HIDROSTÁTICA EN EQUIPOS DE CONSTRUCCIÓN ESPECIAL En los equipos que constan de dos ó más comportamientos y están sometidos a diferentes presiones, como son los cambiadores de calor, la prueba hidrostática se hará por uno de los métodos siguientes: 1. Los equipos cuyos comportamientos han sido diseñados para operar independientemente se probarán como recipientes distintos, es decir no se verán afectados por la presión de compartimiento adyacente. 2. Los equipos diseñados para vacío total o parcial serán sujetos a una prueba hidrostática interna o cuando no sea posible, a una prueba neumática. La prueba se llevará a cabo con una presión igual o mayor a 1.5 veces la diferencia entre la presión atmosférica normal y la mínima presión absoluta interna de diseño. APLICACIÓN DE LA PRUEBA HIDROSTÁTICA A LOS CAMBIADORES DE CALOR La prueba hidrostática de los Cambiadores de Calor, cae dentro de los servicios de construcción especial, ya que la carcaza y el canal han sido diseñados bajo su presión correspondiente. Por lo tanto, se hace una prueba por el lado canal y otra por la carcaza. La forma de realizar la prueba depende del tipo de equipo, sobre todo si es con espejos fijos o de haz removible. La presión debe ser aplicada gradualmente hasta la mitad de la Presión de Prueba, de ahí en adelante se aplicarán incrementos de aproximadamente la décima parte de la presión de prueba, dichos incrementos de presión, serán dados en intervalos de tiempo suficientes para que la nueva presión aplicada se haga uniforme sobre todas las paredes del equipo. Cuando se alcanza la Presión de Prueba, ésta se mantiene un tiempo suficiente (30 minutos como mínimo), para llevar a cabo la inspección de las juntas y conexiones. La forma de realizar la prueba en los Cambiadores de Calor, depende de su tipo, pueden considerarse dos tipos, que son: 1. De haz removible. (S, T, P y W). 2. De espejos fijos, donde el cabezal de retorno pueden ser: “L”, “M”, o “N”. MGC 51



Los Cambiadores del tipo en “U”, pueden ser de haz removible (cuando el carrete frontal es del tipo “A” o “B”) y de espejo fijo (carrete tipo “C”). PRUEBA NEUMÁTICA La prueba neumática puede ser usada en lugar de la prueba hidrostática, cuando se presenten los siguientes casos: 1. Para Cambiadores en donde sus apoyos no presentan seguridad para resistirlos llenos de agua. 2. Para equipos que ofrecen problemas para eliminar humedad que puede ser nociva para las condiciones de servicio, sin embargo las partes constituyentes deben haber sido previamente probadas dentro de lo posible a lo requerido. La presión de prueba neumática debe ser al menos igual a 1.25 veces la presión de trabajo máxima permisible del recipiente. La presión en el recipiente deberá ser incrementada gradualmente, pero no más de la mitad que la presión de prueba. De ahí en adelante, la presión de prueba será incrementada en etapas aproximadamente de un décimo de la presión de prueba, hasta que la presión de prueba ha sido alcanzada. Entonces la presión será reducida a un valor de 4/5 de la presión de prueba y sostenida un tiempo suficiente para permitir la inspección. La inspección visual del recipiente a 4/5 de la presión de prueba requerida puede ser desechada a condición de que: 1. Una prueba de fuga de gas adecuada será aplicada. 2. Sustitución de la prueba de fuga de gas, de acuerdo entre el fabricante y el inspector del comprador. 3. Todas las costuras ocultas por el ensamble, deberán ser examinadas visualmente por el trabajador antes del ensamble. 4. El recipiente no debe contener substanciales letales.

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E-mail: [email protected] CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS D. E. 3/4 3/4 3/4 3/4 3/4 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 1 1 1 1 1 1 1/4 1 1/4 1 1/4 1 1/4 1 1/4 1 1/2 1 1/2 1 1/2 1 1/2 2 2

BWG 10 12 14 16 18 10 12 14 16 18 8 10 12 14 16 8 10 12 14 16 10 12 14 16 11 13

esp. 0.134 0.109 0.083 0.065 0.049 0.134 0.109 0.083 0.065 0.049 0.165 0.134 0.109 0.083 0.065 0.165 0.134 0.109 0.083 0.065 0.134 0.109 0.083 0.065 0.120 0.095

Ai 0.1825 0.2223 0.2679 0.3019 0.3339 0.2892 0.3390 0.3948 0.4359 0.4742 0.3526 0.4208 0.4803 0.5463 0.5945 0.6648 0.7574 0.8375 0.9229 0.9852 1.1920 1.2910 1.398 1.474 2.433 2.573

Se 0.1963 0.1963 0.1963 0.1963 0.1963 0.2291 0.2291 0.2291 0.2291 0.2291 0.2618 0.2618 0.2618 0.2618 0.2618 0.3272 0.3272 0.3272 0.3272 0.3272 0.3927 0.3927 0.3927 0.3927 0.5236 0.5236

Si 0.1262 0.1393 0.1529 0.1625 0.1707 0.1589 0.1720 0.1856 0.1950 0.2034 0.1754 0.1916 0.2047 0.2183 0.2278 0.2409 0.2571 0.2702 0.2838 0.2932 0.3225 0.3356 0.3492 0.3587 0.4608 0.4739

Peso 0.884 0.748 0.592 0.476 0.367 1.061 0.891 0.704 0.561 0.432 1.462 1.237 1.037 0.813 0.649 1.921 1.598 1.329 1.033 0.823 1.995 1.618 1.258 0.996 2.410 1.934

D. I. 0.482 0.532 0.584 0.620 0.652 0.607 0.657 0.709 0.745 0.777 0.670 0.732 0.782 0.834 0.870 0.920 0.982 1.032 1.084 1.120 1.232 1.282 1.334 1.370 1.760 1.810

I 0.0129 0.0116 0.0098 0.0083 0.0067 0.0221 0.0196 0.0164 0.0137 0.0109 0.0392 0.0350 0.0307 0.0253 0.0210 0.0847 0.0741 0.0642 0.0521 0.0426 0.1354 0.1159 0.0931 0.0756 0.3144 0.2586

M. S. 0.0344 0.0309 0.0262 0.0221 0.0178 0.0505 0.0449 0.0374 0.0312 0.0249 0.0784 0.0700 0.0615 0.0507 0.0419 0.1355 0.1186 0.1027 0.0833 0.0682 0.1806 0.1546 0.1241 0.1008 0.3144 0.2586

R 0.2229 0.2229 0.2376 0.2433 0.2484 0.2662 0.2736 0.2815 0.2873 0.2925 0.3009 0.3098 0.3174 0.3255 0.3314 0.3880 0.3974 0.4052 0.4136 0.4196 0.4853 0.4933 0.5018 0.5079 0.6660 0.6744

C 285 347 418 471 521 451 529 616 680 740 550 656 749 852 927 1037 1182 1305 1440 1537 1860 2014 2181 2299 3795 4014

DE/DI 1.556 1.410 1.284 1.210 1.150 1.441 1.332 1.234 1.174 1.126 1.493 1.366 1.279 1.199 1.149 1.359 1.273 1.211 1.153 1.116 1.218 1.170 1.124 1.095 1.136 1.105

Stm 0.260 0.220 0.174 0.140 0.108 0.312 0.262 0.207 0.155 0.127 0.430 0.364 0.305 0.239 0.191 0.565 0.470 0.391 0.304 0.242 0.575 0.476 0.370 0.293 0.709 0.569

En donde: Literales D. E. BWG esp Ai Se Si peso D. I. I M. S. R DE/DI Stm

Significado Diámetro exterior del tubo. Calibre Espesor de pared del tubo Área interna Superficie externa por pié de longitud Superficie interna por pié de longitud peso por pié de longitud (acero al carbono) Diámetro interior Momento de Inercia Módulo de Sección Radio de giro Relación de diámetros Área transversal

Tabla No. 1

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Unidades in in in2 pie2 pie2 lbs in in4 in in in2



DIÁMETROS Y CALIBRES DE TUBERÍA LISA ESTÁNDAR

D. E. in

3/4

1

1 1/4

1 1/2 2

Cobre y Aleaciones de Cobre

Acero al Carbono Aluminio y Aleaciones de Aluminio BWG Espesor Mínimo in 16 0.065 14 0.083 12 0.109 14 0.083 12 0.109 10 0.134

BWG Mínimo 18 16 14 16 14 12

Espesor in 0.049 0.065 0.083 0.065 0.083 0.109

14 12 10

0.083 0.109 0.134

14 12 10

0.083 0.109 0.134

14 12 14 12

0.083 0.109 0.083 0.109

12 10 12 10

0.109 0.134 0.109 0.134

Otras Aleaciones BWG Mínimo 18 16 14 18 16 14 12 16 14 12 10 14 12 14 12

Espesor in 0.049 0.065 0.083 0.049 0.065 0.083 0.109 0.065 0.083 0.109 0.134 0.083 0.109 0.083 0.109

Notas: 1. Los diámetros y calibres remarcados son los recomendados. 2. Se puede utilizar un BWG promedio en lugar del mínimo recomendado. 3. Las características de la tubería se muestra en la Tabla No. 1. Tabla No. 2 Diámetro interno nominal de la envolvente en Tolerancia pulgadas (Ds - Db) en pulgadas 08 - 13 0.100 14 - 17 0.125 18 - 23 0.150 24 - 39 0.175 40 - 54 0.225 55 y > 0.300 Tabla No. 3 Tolerancia entre el diámetro de la envolvente (Ds) y el diámetro del bafle (Db)

MGC 54



Diámetro interno nominal (pulgadas) 08 - 14 15 - 28 29 - 38 39 - >

12 y < 1/8 3/16 1/4 1/4

Distancia entre placas segmentadas y Espesores de placas (pulgadas) 13 - 18 19 - 24 25 - 30 3/16 1/4 3/8 1/4 3/8 3/8 5/16 3/8 1/2 3/8 1/2 5/8

31 - > 3/8 1/2 5/8 5/8

Tabla No. 4 Espesores de Mamparas.

Diámetro externo del tubo (pulgadas) 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2

Longitud máxima sin soportar (pulgadas) Material de tubos y límites de temperatura en ºF Acero al carbono y aleaciones (750) Aluminio y aleaciones de aluminio. Aleaciones bajas (850) Cobre y aleaciones de cobre. Níquel Cobre (600) a temperaturas máximas Níquel (850) permitidas Ni. - Cr. - Fe (1000) por él. 60 52 74 64 88 76 100 87 125 110 Tabla No. 5 Máxima separación entre mamparas.

MGC 55



Figura No. 2.1 Serpentín de Calentamiento.

MGC 56



Entrada Vapor

Pared del tanque

( Crudo )

Salida Vapor

Succión. Figura No. 2.2 Calentador de Succión

Entrada Vapor Pared del Tanque

( Crudo )

Salida Vapor

Figura No. 2.3 Calentador de tanque

MGC 57



Prensa estopa

Salida de la Envolvente

Entrada al tubo Interior Salida del tubo Interior Cabezal de Retorno Entrada a la Envolvente Figura No. 2.4 Cambiador de Calor del Tipo Doble Tubo (Horquillas)

Figura No. 2.5 Aleta Transversal

Figura No. 2.6 Aleta Longitudinal Externa

Figura No. 2.7 Aleta Longitudinal Interna

MGC 58



Vapor

Vapor

Agua Vapor

Vapor

Figura No. 2.9 Cambiador de Calor del Tipo Bayoneta

Soloaire

Tiro Inducido Figura No. 2.10

Aire hacia el Ventilador

Soloaire

Tiro Forzado Figura No. 2.11

Aire hacia el Equipo

MGC 59



Figura No. 3.1

Vapor

Nivel

Condensado Figura No. 3.2

MGC 60



Ey C. E

S’

S 4

2

3

1

E’

E

C

E’ - E: Entradas del Fluido Refrigerante. S’ - S: Salidas del Flujo Refrigerante. C. E.: Condensadores Estacionarios. Ey: Eyector. C: Condensado. A: A la Atmósfera.

Condensador de Eyector Figura No. 3.4

MGC 61


E-mail: [email protected] Arreglos de Tubos en los Cambiadores de Calor

Triangular

Triangular Rotado a 30º

Cuadrado

Cuadrado Rotado a 45º

Figura No. 4.3

Tubo Rolado al Espejo Figura No. 4.4

Tubo Soldado al Espejo Figura No. 4.5

Unión de Espejos Dobles. Figura No. 4.6

MGC 62



Cinturón de Vapor.

Figura No. 4.7 Cinturón de Vapor Ayuda a distribuir uniformemente el Vapor a la entrada del Haz de Tubos y ayuda a Reducir la Erosión de los Tubos

Junta de Expansión.

Figura No. 4.8 Junta de Expansión en la Envolvente. Se deben colocar en Unidades con Espejos Integrados al Cuerpo y cuando se tengan Diferenciales de Temperatura Altos.

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Manual de Cambiadores de Calor

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