DESCRIPCION GENERAL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS.
Lechería, Noviembre 06 de 2002.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS.
Tutores: Gabriella La Rosa
Integrantes: Arreaza, Juan c. Domínguez, Javier. Gamarro, Leandro. Hidalgo, Alexander. Alexander. Parra, José. Pirela, Carlos.
Lechería, Noviembre de 2002
Índice 1.- Introducción..................... Introducción................................. ........................ ........................ ........................ ........................ ................... ....... 2.- Objetivos.. Objetivos...... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ .... 3°-Intercambiador de calor 3.1 Generalidade Generalidades.... s........ ........ ......... .......... ......... ......... .......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 4°-Partes de un Intercambiador de calor de Carcasa y Tubo 4.1 Generalidade Generalidades.... s........ ........ ......... .......... ......... ......... .......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 4.2 Carcasa... Carcasa....... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ...... 4.3 Desviadores Desviadores Transversa Transversales.. les...... ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 4.4 Planchas de Choque.... Choque........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 4.5 Tubos y Haz de Tubos.... Tubos........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... .. 4.6 Tapa del Cabezal Cabezal Flotante..... Flotante......... ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ....... 4.7 Bridas.... Bridas........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ....... .. 4.8 Conexiones....................... Conexiones................................... ........................ ........................ ........................ ......................... ............. 4.9 Empacaduras Empacaduras..... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ...... .. 4.10 Soportes... Soportes....... ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 5°-Operación de los Equipos Tubulares 5.1Flujo 5.1Flujo en los Intercambiador Intercambiadores... es....... ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ........ ... 6°-Rendimiento del Intercambiador de Calor 6.1 Coeficien Coeficientes tes Típicos Típicos de Traspaso Traspaso de Calor “U”..... “U”......... ........ ......... ......... ........ ....... ... 6.2 Diferenci Diferencias as de Temperatura Temperatura (Esquemátic (Esquemático)... o)....... ........ ........ ........ ........ ......... ......... ...... .. 7°-Tipos de Intercambiadores de Calor del tipo Carcasa y Tubo 7.1 Rehervidor....................... Rehervidor................................... ........................ ........................ ......................... ......................... .............. 7.2 Enfriadores. Enfriadores..... ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ...... 7.3 Condensadore Condensadores... s........ ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 7.4 Intercambi Intercambiadores adores de Doble Tubo.... Tubo......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ .... 7.5 Sobrecalent Sobrecalentadores adores..... ......... ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ...... 7.6 Calentadore Calentadores.... s......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 7.6.1 7.6.1 Tipos de Calentadores... Calentadores....... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... ..
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Introducción
La temperatura de un cuerpo que esta más caliente que su entorno tiende a decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía. energía. Esta pérdida de energía energía por parte del cuerpo se puede producir mediante mediante los los meca mecani nism smos os de cond conduc ucci ción ón y de conv convec ecci ción ón,, en los los que que la magn magnit itud ud del del interc intercamb ambio io energé energétic tico o es propor proporcio cional nal a la diferen diferencia cia de temper temperatu atura ra entre entre el cuerpo y el entorno.
La tran transf sfer eren enci cia a de calo calorr es de
gran gran impo import rtan anci cia a en los los proc proces esos os
industriales. A veces, tratamos de acelerar la transferencia de calor. En otros casos, tratamos de reducirla al mínimo. Las leyes fundamentales de la transferencia de calor son igualmente aplicables en ambos casos.
El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación. La conducción del calor involucra la transferencia de energía de una molécula a otra. La convección del calor, es la transferencia que ocurre cuando el fluido se mueve sobre una superficie recibiendo o entregando calor. La radiación es un fenómeno que involucra la energía térmica irradiada por un cuerpo.
Este proyecto es de gran importancia porque permite una gran comprensión sobre sobre el funcio funcionam namien iento to de uno de los equipos equipos más utilizado utilizados s en la indust industria ria petrolera para los procesos de transferencia de calor, como es el intercambiador de calor de carcasa y tubo.
En este proyecto sé busca desarrollar conocimientos indispensables sobre los intercambiadores de calor con el fin de prestar un servicio óptimo en la empresa petrol petrolera, era, buscan buscando do siempr siempre e actua actuarr con seguri seguridad dad en la ejecuc ejecución ión de labore labores s cotidianas en el área de trabajo.
Objetivo El objetivo general de este proyecto es describir conceptos específicos sobre intercambiadores de calor, igualmente dar a conocer sus usos y funcionamientos, los cuales son de gran importancia en la industria petrolera en los diversos procesos que requieren un intercambio de energía calorífica.
Apoyándose en los siguientes objetivos específicos: 1. Identifica Identificarr Aplicacion Aplicaciones es de los Interc Intercambia ambiadores dores de Calor Calor de Carcas Carcasa a y Tubo. 2. Cono Conoce cerr las las part partes es que conf confor orma man n el Interc Intercam ambi biad ador or de Calo Calorr de Carcasa y Tubo. 3. Establ Establece ecerr el Princi Principio pio de
Funcio Funcionam namien iento to del Inte Interca rcambi mbiado adorr de
Calor de Carcasa y Tubo.
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Generalidades Los intercambiadores de calor son equipos que se encargan de realizar transferencia de calor de un fluido a otro sin llegar a mezclarse ni perder ninguna parte del calor transferido.
El tipo más sencillo de intercambiador de calor es aquel donde se ponen en contacto directamente una corriente de fluido caliente y otra fría. En tal sistema ambos fluidos alcanzan la misma temperatura final, y la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energía perdida por el fluido más caliente con la energía absorbida por el fluido más frío.
Existen diversos tipos de intercambiadores, el más común es el de doble tubo concéntrico concéntrico donde los fluidos fluidos están separados por una pared o una división a través de la cual fluye el calor. Debido a que las corrientes de ambos líquidos fluyen por el intercambio de una sola vez, el proceso de transferencia de calor se llama intercambio de un solo paso. Si ambos fluidos se desplazan en la misma dirección, el intercambiador es del tipo “flujo paralelo”. Si los fluidos fluyen en direcciones opuestas el intercambiador es del tipo “contra flujo” o “contra corriente”. Cuando los fluidos que recorren la superficie que transfiere el calor se mueve en ángulo recto entre sí, el intercambiador de calor es de tipo “flujo cruzado transversal”.
Un interc intercamb ambiad iador or o permut permutado adorr de calor calor es cualqu cualquier ier dispos dispositi itivo vo que posibilite la transferencia de calor de un líquido a otro por una pared de contención. Por Por medi medio o de la cond conduc ucci ción ón se tran transf sfie iere re el calo calorr por por la supe superf rfic icie ie del del meta metal, l, mientras que la convección lo transfiere por el líquido que fluye.
En la industria industria petrolera petrolera la mayoría mayoría de los equipos equipos para la transferencia transferencia del calor es del tipo carcasa y tubo. Un interc intercamb ambiad iador or de carcas carcasa a y tubo tubo consis consiste te en un numero numero de tubos tubos paralelos contenidos en un casco cilíndrico.
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Al fluido que pasa por los tubos se le llama fluido del tubo. El otro fluido que pasa por fuera de los tubos se le denomina fluido del casco. Todas las clases de intercambiadores de calor del tipo carcasa y tubo consisten de las mismas piezas básicas. básicas. La única diferencia diferencia es que algunas piezas están arregladas arregladas en diferentes diferentes formas para producir los resultados deseados. Es posible lograr variaciones de este diseño con el uso de diferentes clases de tubos, diferentes tipos de desviaciones y con la provisión de diferentes arreglos de las particiones en las tapas, para obtener diversas trayectorias de los flujos. Los Los Tubo Tubos s rect rectos os y liso lisos s son son los los más más comu comune nes, s, pero pero para para algu alguna nas s aplicaciones los otros tipos son más ventajosos. Los Tubos en “U” son usados para permitir la expansión y contracción libre de los tubos y de la carcasa sin el uso de una cabeza flotante. De este modo se previene la contaminación del producto por una posible filtración de la empacadura en el extremo flotante. Estos tubos no se pueden usar cuando él líquido en el tubo tiene suciedades que forman incrustaciones incrustaciones,, porque sería muy difícil difícil limpiar la parte curva del tubo. Los tubos con aletas, son usados para aumentar la superficie para el traspaso de calor y mejorar la eficiencia del traspaso de calor.
Partes del intercambiador de calor de carcasa y tubo El diseño y fabricación de casi todos los intercambiadores de calor está sujeto a los requerimientos del código ASME para calderas y recipientes a presión, sin embargo el código no cubre todos los detalles del diseño y lista solamente un numero limitado de sugerencias no obligatorias para el diseño práctico. El tamaño de los intercambiadores está está usualmente limitado limitado a un diámetro de 8 pies, un largo de los tubos de 20 pies y un peso de 11 toneladas; para facilitar su manten mantenimi imient ento. o. Las unidad unidades es que exceda excedan n estos estos límite límites, s, usualm usualment ente e están están divididas en dos o más conchas, se debe usar una chapa de desvío longitudinal. Estos diseños diseños deben estar limitados limitados a chapas tubulares tubulares de desvío desvío longitudinales longitudinales fijas, con chapas tubulares ranuradas para confinar la empacadura entre la chapa
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tubular y la chapa de desvío. Las chapas de desvío no son aceptables cuando el factor de ensuciamiento es alto.
Las Las filt filtra raci cion ones es en el lado lado de la conc concha ha redu reduce cen n la efec efecti tivi vida dad d de los los intercambiadores considerablemente. Para evitar pérdidas de transferencia de calor, se instalan sellos periféricos.
Carcasa: La carcasa es simplemente el recipiente para el fluido externo. Es de sección transv transvers ersal al circul circular, ar, general generalmen mente te de acero acero de bajo bajo carbon carbono o aunque aunque pueden pueden constr construir uirse se de otras otras aleaci aleacione ones, s, especi especialm alment ente, e, cuando cuando se debe debe cumpli cumplirr con requerimientos de altas temperaturas o corrosión.
La carcasa posee unas boquillas que constituyen las vías de entrada y salida del fluido. La boquilla de entrada por lo general tiene una placa de impacto para impedir que el flujo pegue directamente y a altas velocidades en la hilera superior de los tubos, ya que este impacto impacto podría causar erosión, cavitación cavitación y/o vibración.
Desviadores transversales: La disposición disposición y caracterís características ticas mecánicas mecánicas de los desviadores desviadores son factores factores importantes importantes en el diseño diseño de los intercambiador intercambiadores. es. En general hay dos tipos tipos de desviadores: transversal y longitudinal. Se usan para aumentar la velocidad de los fluidos en el casco y mejorar la transferencia de calor, aumentando la turbulencia del fluido. Aunque Aunque los desvia desviador dores es aument aumentan an el costo costo del enfria enfriador dor y dificu dificulta ltan n la limpieza, son accesorios necesarios del intercambiador. Para ser efectivos deben ser instalados de tal forma que el fluido sea desviado totalmente.
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Reduciendo al mínimo el espacio libre entre el desviador y el casco, se produce el efecto deseado; pero se debe dejar bastante espacio libre para que se pueda remover con facilidad el haz de tubo. Probablemente el más común de los desviadores transversales es el tipo segmental. Este tipo de desviador causa que el fluido en el caso fluya hacia arriba y hacia abajo a través del haz de tubos. Es adecuado para líquidos con suciedades que forman incrustaciones y para flujos cuantiosos.
Los desviadores longitudinales consisten en placas planas extendiéndose a través través del casco. casco. Estos desviado desviadores res se pueden pueden usar usar para para obtene obtenerr un flujo flujo en contracorri contracorriente ente entre los fluidos fluidos del casco y de los tubos, también también se usan estos desviadores en condensadores para distribuir el flujo de vapor a lo largo del haz de tubos cuando el cachimbo de la entrada de vapor está localizado en el centro del casco. Se evita el uso de este tipo de desviador en secciones de una planta cuando este desviador hace muy difícil la limpieza del casco.
Planchas de Choque: Las planchas de choque son usadas con mucha frecuencia para evitar la erosió erosión n causad causada a por el choque choque del fluido fluido contra contra los tubos. tubos. Estas Estas planch planchas as son montadas encima de los tubos y al frente de la entrada del fluido del casco. Sirven también para evitar vibración excesiva y para ayudar a distribuir el flujo.
Tubos y Haz de Tubos: El haz haz de tubo tubos s es norm normal alme ment nte e remo removi vibl ble e cons consta ta de las las chap chapas as tubulares, los tubos incluyendo los desviadores transversales, las placas de soporte, tirantes, espaciadores, sellos de desvío y planchas desviadores. Comúnmente, los desvia desviador dores es segmen segmentad tados os son usados usados para para cambia cambiarr la direcc dirección ión del flujo. flujo. Los
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desv desvia iado dore res s segm segmen enta tado dos s dobl dobles es pued pueden en que que teng tengan an que que ser ser usad usados os a un esparcimiento máximo si la caída de presión a través de los segmentos es excesiva. Los tirantes y distanciadores posicionan y soportan las chapas tubulares durante el ensamble del haz de tubos. La economía en el diseño de intercambiadores de calor requiere que el área de transferencia transferencia de calor por volumen volumen de intercambiador intercambiador se maximice. maximice. Un número de tubos y área de transferencia se consiguen reduciendo el arreglo de tubos, usando un arreglo triangular y tubos de menor tamaño. Sin embargo, consideraciones prácticas como limpieza de los tubos, tamaño del pasaje de flujo (caída de presión), uso de tubos, etc., restringen la disposición de los tubos a un standard universalmente adoptado de arreglo triangulares (30 ó 60 grados), cuadrados (90 grados), a cuadrado rotado (45 grados).
Cuadrado a 90°
Triangular 30°
Rotada Cuadrado a 45°
Rotada triangular 60°
Figura N°1. Diferentes arreglos para tubos de intercambiadores de calor.
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Los intercambiad intercambiadores ores se diseñan diseñan para velocidades velocidades altas y mayor mayor caída de presión a fin de reducir el ensuciamiento en el lado de la concha. Estas velocidades son respon responsab sables les de que muchos muchos interc intercamb ambiad iadore ores s experi experimen menten ten daños daños por vibración de los tubos. Los daños por vibración pueden clasificarse en daños tipo “deflector” y daño tipo “colisión”. Genera Generalme lmente nte los tubos tubos oscila oscilarán rán entre entre soport soportes es de tubos tubos o planta plantas s de partición que actúan como nodos. En los daños por vibración vibración del tipo “deflector” “deflector” la oscilación oscilación llega a un punto en que los tubos rozarán contra las planchas de soporte y finalmente fallarán por fatiga. Si la vibración aumenta, la amplitud de la oscilación aumentará hasta un punto donde los tubos chocarán entre sí o contra la carcasa. En estos casos los tubos se desgastarán por abrasión y ocurrirá la ruptura. Otro tipo de daño frecuentemente frecuentemente encontrado encontrado es la de los tubos rotos cerca del cabezal de la carcasa y a la salida de las boquillas. Estos casos ocurren por ignorancia o negligencia al no dejar suficiente área de entrada y salida. Ocurren entonces altas velocidades que causan rotura de los tubos o dobleces cerca de las boquillas. Los daños daños potenc potencial iales es por vibrac vibración ión en interc intercamb ambiad iadore ores s pueden pueden ser anticipados anticipados usando el método método de máxima máxima velocidad. velocidad. Este método fue desarrollado desarrollado analizando las fuerzas que se alternan en los tubos y que resultan de la resonancia entre la frecuenci frecuencia a del vórtice vórtice del flujo estable estable del fluido y la frecuenci frecuencia a natural fundamental del tubo.
Tapa del cabezal flotante: Los cabezales flotantes son dispositivos dispositivos de refuerzo, normalmente se usan en intercambiadores de cabezal flotante de más de un paso en el lado de los tubos. El diseño del anillo de refuerzo permite que el haz quepa en una concha más pequeña reduciendo costos y espacios, favoreciendo la transferencia de calor. Los cabezales flotan flotantes tes son constr construid uidos os de chapas chapas moldea moldeadas das con rodill rodillo, o, discos discos forjad forjados, os,
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torneados o fundidos. La construcción debe permitir el desmantelamiento o remover los pernos con la cubierta de la carcasa. En diseños de un solo paso se pueden usar cabezales flotantes con un anillo de empaque. Alternativamente el anillo de empaque puede ser reemplazado por juntas de expansión. El código no permite que al calcular los espesores del cabezal se tome en cuenta las chapas de partición que están integralmente soldadas al cabezal.
Bridas: La mayoría son del tipo cubo standard de cuello soldado, sin embargo también se usan otros tipos incluyendo las bridas deslizantes. Es importante verificar las conexiones bridadas por las fuerzas que ocurren durante el asentamiento de las empacaduras y las que ocurren a condiciones de diseño. Las fuerzas que deben tomarse en cuenta para determinar las cargas de diseño son:
La fuerza requerida para sentar la empacadura y deformarla plásticamente para que selle las irregularidades en las caras de las bridas.
La fuerza que debe ser ejercida en la empacadura para obtener un sello efectivo bajo condiciones de diseño.
La fuer fuerza za que que se requ requie iere re para para opon oponer erse se a la pres presió ión n inte intern rna a bajo bajo condiciones de diseño.
Fuerza hidrostática en el interior de la brida. Para las bridas con cubos se considera considera que esta fuerza actúa en el medio entre el diámetro diámetro inferior de la brida y el punto de intersección del cubo y la parte trasera trasera de la brida.
La fuerza ejercida en la empacadura, la cual es la fuerza de diseño del perno de la brida menos la fuerza hidrostática total. Se considera que esta fuerza actúa en el centro de la empacadura.
La fuerza que resulta de la diferencia entre la fuerza hidrostática total y la fuerza hidrostática en el área interior de la brida.
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Conexiones: Por norma las boquillas del intercambiador deberán instalarse radialmente. Sin embargo las boquillas en las cámaras o en los intercambiadores de múltiples pasos pueden tener una desviación respecto a la línea-centro del intercambiador. En caso extremo tales boquillas podrían estar en posición tangencial. En lo posible este tipo de boquillas no debería usarse. Las grandes aberturas en la concha requieren normalmente de chapas de refuerzo y lo mismo las aberturas que están muy juntas. La penetración en cámaras y cabezales más gruesos si es posible. Generalmente, se especificará boquillas con resalte; sin embargo, también se pueden especificar, las las brid bridas as de anil anillo lo,, leng lengüe üeta ta o hend hendid idur ura a depe depend ndie iend ndo o del del serv servic icio io del del Intercambiador. Las conexione conexiones s para venteos venteos y drenajes drenajes se colocará colocarán n en los puntos puntos altos altos y bajos de manera que no produzcan la ventilación o el drenaje a través de las boquillas de entrada o salida. Debe Debe dest destac acar arse se que que la tapa tapa de la conc concha ha de los los inte interc rcam ambi biad ador ores es de cabezales cabezales flotantes requieren requieren conexiones conexiones de venteo venteo y drenajes drenajes porque el diámetro diámetro interno es mayor que el de la concha. Se requieren venteos y drenajes adicionales en la cámara si ésta es de más de dos pasos de tubos. Los medidores de presión y las conexiones para termopozos se colocarán en las boquillas de entrada y salida cuando se especifique. Si los intercambiad intercambiadores ores necesitan necesitan limpieza limpieza química, química, deberán deberán considerars considerarse e conexiones de limpieza en las boquillas de entrada y salida del intercambiador. Se colocarán también boquillas para la prueba hidrostática del intercambiador. En la fabric fabricaci ación ón de los interc intercamb ambiad iadore ores s deberá deberá presta prestarse rse especi especial al atenci atención ón a las uniones de las boquillas, particularmente a las grandes boquillas en la concha del intercambiador.
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EMPACADURAS: Las empacaduras deberán sellar a fin de contener los fluidos y evitar fugas. En Servicios severos del mejorador todas las empacaduras serán de tipo continuo, se usarán usarán depend dependien iendo do del servic servicio io que vayan a presta prestarr y de las condicio condiciones nes de diseño.
SOPORTES: Los soportes de los intercambiadores deben permitir la expansión térmica de la concha evitando excesivas deflexiones y tensiones en la misma y los soportes, manteniendo las reacciones de las tuberías al mínimo.
Para la expansión térmica, solamente se permite que quede fijo uno de los soportes del intercambiador. El otro soporte deberá poder deslizar sobre una chapa. Para minimizar las reacciones de las tuberías, el soporte extremo de la cámara se selecciona fijo. Las excesivas deflexiones y tensiones en la junta del soporte con la concha, se evitarán seleccionando un material de soporte conveniente y eligiendo la localización apropiada. La localización de los soportes para intercambiadores de calor horizontales será determinada en la misma forma que se determinan para recipi recipient entes es horizo horizonta ntales les.. Los interc intercamb ambiad iadore ores s vertic verticale ales s deberá deberán n soport soportars arse e también en dos puntos como mínimo. Estos soportes deberán permitir la expansión radial de la unidad.
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Operación de los Equipos Tubulares Flujo en intercambiadores intercambiadores: Real Realme ment nte e la dete determ rmin inac ació ión n del del lado lado en que que un flui fluido do pasa pasa
por por el
intercambiador es un problema complejo e interesante. No existen reglas fijas para determinar el lado del intercambiador por el cual se debe pasar un fluido. Cada caso es diferente y las condiciones particulares asociadas con el caso determinan su selección las consideraciones importantes con respecto a este problema son: la caída de presión presión permisible permisible,, rata de transferenc transferencias ias de calor, calor, diferencia diferencia de presión, presión, limpieza, tendencia a la corrosión, volumen del fluido y viscosidad.
Con Con tant tantos os fact factor ores es a cons consid ider erar ar,, es fáci fácill imag imagin inar ar que que a vece veces s hay hay bastan bastantes tes dudas dudas sobre sobre el factor factor más import important ante e que se usará usará para para determ determina inarr porque lado del intercambiador se pasará el fluido. La decisión final es a veces tan dif difíci ícil que que exi existe ste much mucha a duda duda sobre obre si es la corr correc ecta ta.. La oper operac aciión del del intercambiador dictará si es necesario el cambio de la ruta del fluido de un lado a otro. Los Los sigu siguie ient ntes es brev breves es come coment ntar ario ios s serv servir irán án como como una una guía guía en la determinación del lado del flujo de un fluido en un intercambiador de calor:
Fluidos a altas presiones altas se deben pasar por dentro de los tubos, porq porque ue los los tubo tubos s con con diám diámet etro ro meno menorr invo involu lucr cran an rela relati tiva vame ment nte e alta altas s presiones para sostener la misma presión en un tubo con diámetro pequeño, este este nece necesi sita ta una una pare pared d de meno menos s espe espeso sorr que que un tubo tubo con con diám diámet etro ro grande. Si la presión del fluido en el casco excede 125 a 150 Lbs/pulg 2 se requiere un casco especial, resultando mucho más caro.
Fluido Fluidos s sucios sucios deben fluir por los tubos, tubos, si el depósi depósito to formad formado o por las suci sucied edad ades es harí haría a nece necesa sari ria a la limp limpie ieza za de los los tubo tubos s (con (con tal tal que que el intercambiador tenga tubos que sean fáciles de limpiar). Es más fácil limpiar
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un tubo que un casco si el depósito de suciedad es adherente y duro. Cuando Cuando el fluido fluido contie contiene ne grande grandes s cantid cantidade ades s de carbón carbón o sedime sedimento ntos s pesado pesados, s, es mejor mejor pasarl pasarlos os a través través del casco casco para para que halla halla espaci espacio o adecua adecuado do para para la acumul acumulaci ación ón de escomb escombros ros.. La constr construcc ucción ión de este este intercambiador debe permitir el acceso fácil al lado del casco para limpiarlo. En el caso de que el intercambiador tenga tubos que no sean fáciles de limpiar, como un haz de tubo tipo “U” es, necesario pasar el fluido sucio por el lado del casco.
Fluidos Corrosivos se deben pasar por los tubos, porque normalmente los tubo tubos s son son más más fáci fácile les s de limp limpia iar. r. Es más más bara barato to reem reempl plaz azar ar un tubo tubo resistente a la corrosión que un casco con resistencia a la misma.
Debido a que el agua es un fluido que forma incrustaciones, se pasa por los tubos.
Fluidos con volúmenes grandes, como vapores se pasan por el casco para que que la velo veloci cida dad d y pérd pérdid ida a de pres presió ión n no sean sean exce excesi siva vas. s. En algu alguna nas s ocasiones fluidos con volúmenes pequeños, como líquidos son pasados por el casco casco cuando cuando el uso de desvia desviadore dores s en el interc intercamb ambiad iador or se puede puede produc producir ir una alta alta rata rata de transf transfere erenci ncia a de calor calor sin producir producir pérdid pérdida a de presión excesiva.
Si se requiere una pérdida de presión pequeña a través del intercambiador, se debe pasar éste fluido por el lado del casco. El casco tiene una superficie transversal libre más grande para el paso de fluido. En los intercambiadores de tubos con aletas, los fluidos con coeficiente de transferencia de calor bajos se pasan por el casco, en donde la mayor superficie de las aletas mejora la transferencia de calor.
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Fluidos Corrosivos, con suciedades a alta presión en equipos con tubos de aletas, se pasan por los tubos para tomar ventajas de la resistencia de los tubos a presiones alta. Es más fácil limpiar el interior del tubo porque el interior tiene las aletas. Los tubos son menos costosos para reemplazar.
Para una mejor recuperación de calor, se debe pasar el fluido más caliente por los tubos para disminuir la pérdida de calor al ambiente. Esto no se aplica para los equipos con aislamiento adecuado.
Vapores conteniendo gases incondensables se deben pasar por los tubos para evitar la acumulación de los gases en áreas estancadas del equipo, resultando en bajas ratas de transferencia de calor.
RENDIMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR En el diseño del equipo para el traspaso de calor, tiene que haber modos para evaluar el rendimiento de cada equipo. En el trabajo de traspaso de calor, el factor para evaluación del rendimiento se llama “coeficiente total de traspaso de calor”. calor”. Este indica indica la cantid cantidad ad de calor calor que un interc intercamb ambiad iador or transf transfier iere e durante un periodo de tiempo a través de la superficie para el traspaso de calor y con cierta diferencia de temperatura entre el fluido frío. Este factor se designa como “U” y la unidad de medidas es la caloría por hora por centímetro cuadrado de superficie, por la diferencia de temperatura en grado centígrado (cal/hor/cm2 /°c).
En la siguiente tabla se indican ejemplo de algunos valores de “U” en el trabajo de refinería.
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Tabla N°- 1 Coeficiente típicos de traspaso de calor “U” en K.cal/m 2.H.°C Lado del Tubo Fluido Velocidad
Servicio Enfriador de gas oil Agua Enfriador de Aceite Agua Condensador de Gasolina Agua Vapo Vaporr de de Gas Gasol olin ina a a Crud Crudo o Crud Crudo o Asfalto a Crudo Crudo Enfriador de Fuel Agua Enfriador de Gasolina Agua
1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec
1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec
Lado del Casco Fluido Velocidad Gasoil Gasoil Gasoil Gasoil Asfalto Fuel Gasolina
1 m/sec 1 m/sec
1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec 1 m/sec
Valor “U” 350 150 450 150 65 150 550
La diferencia de temperatura es un factor muy influyente en la transferencia de calor. En el diseño del equipo para el traspaso de calor, a esta diferencia se le
llam llama a dife difere renc ncia ia media media de temper temperat atur ura a y es calcul calculad ada a a part partir ir de las las
temp temper erat atur uras as de entr entrad ada a y sali salida da de los los flui fluido dos s que que inte interv rvie iene nen n en el intercambiador. Para hacer mayor uso de la diferencia de temperatura entre las dos corrientes en un intercambiador, se diseñan los intercambiadores de un modo modo que que las las corr corrie ient ntes es fluy fluyan an en dire direcc ccio ione nes s opue opuest stas as,, es deci decir, r, a contracorriente. Por ejemplo, en un enfriador de aceite, el agua fría entra al intercambiador por el mismo lado donde sale el aceite frío y el agua caliente sale del intercambiador por el mismo lado donde entra el aceite caliente. La figura N° 2 enseña un gráfico simplificado del enfriador mencionado.
Aceite 150 C
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Agua 30 C
Agua 50 C
Aceite 80 C 150 C Temperatura De Entrada.
50 C Temperatura De Salida
Aceite
Agua
80 C Temperatura De Salida. 30 C Temperatura De Entrada.
Figura N°-2
Los interc intercamb ambiad iadores ores de calor calor están están diseña diseñados dos para una carga carga calóri calórica ca determ determina inada da bajo bajo condic condicion iones es de diseño diseño especi especific fico o durant durante e la operac operación ión del intercambiador. El mal funcionamiento de un intercambiador resulta con temperatura muy bajas o muy altas o en excesivas caídas de presión. Estas insuficiencias se deben a varias causas: a) El estancamiento de gas o aire por falta de purga. b) La conexión incorrecta de la línea de entrada y salida con respecto a la dirección del flujo. c) Operación del intercambiador a presiones, temperaturas y flujos que no están de acuerdo con las condiciones del diseño térmico. d) Ensuciamiento excesivo de los tubos o el casco del intercambiador. e) Espacios libres excesivos entre los desviadores y el casco, debido a la corrosión. f) Filtraciones en los tubos o en las empacaduras internas. g) Desagües defectuosos del intercambiador.
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Cuando un intercambiador no realiza un buen trabajo, lo primero que debe obs observ ervar el oper operad ador or es la form forma a en que que está está conec onecttada ada la tuber ubería ía del del intercambiador para poder eliminar eliminar los puntos a, b, y g como causas.
Si la operación operación de la unidad unidad indica que el punto C no es la causa, entonces entonces es la condición física del intercambiador que origina el funcionamiento defectuoso. Una inspección del estado del intercambiador debe determinar si el punto F es la causa. Si el punto G no es responsable del defecto, las causas serán ensuciamiento o filtraciones. Son muy raras las veces en que las filtraciones causan la operación inef inefic icie ient nte e de un inte interc rcam ambi biad ador or.. En much muchos os caso casos, s, el prin princi cipa pall fact factor or es el ensuciamiento excesivo de la superficie para la transferencia de calor.
El ensuci ensuciami amient ento o de un interc intercamb ambiad iador or de calor calor puede puede ser causad causado o por incrustaciones, depósitos de catalizadores finos, o el alojamiento de partículas en el intercambiador. El
residuo
del
agua
puede
ensuciar
los
tubos
de
enfriadores
y
condensador condensadores. es. Las suciedades suciedades depositadas depositadas por corrientes corrientes de aceite, aceite, usualmente usualmente no se pueden remover fácilmente sino con el uso de la limpieza mecánica. mecánica. Cuando esta es necesaria, se tiene que remover el haz de tubo. El residuo consiste en basura (raíces, madera, peces, etc), lodo, sedimentos e incrustaciones (carbonato de calcio) . Si la sustancia sustancia ensuciante ensuciante consiste consiste en basura, el uso de conexiones conexiones para invertir el flujo flujo puede mejorar la eficiencia eficiencia de la operación.
El golpe de agua producido por la contramarcha momentánea del flujo, quita la basura de las puntas de los tubos y remueve parte del lodo y sedimentos sedimentos de las paredes de los tubos. Este arreglo hace posible recuperar una parte del rendimiento perdido sin parar la unidad.
Tipos de Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubo
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De acuerdo a la función que desempeña se pueden mencionar los siguientes:
Rehervidor: Tal como su nombre lo indica, un rehervidor es un intercambiador de calor diseñado para recalentar o revaporizar un material. Se utiliza cerca del fondo de un separador o de un tanque.
Salidas de Vapor Entrada de Liquido por los Tubos
Salida del líquido de Entrada de líquido por la los tubos Carcasa
Salidas de Líquido
Existen diversos tipos de rehervidores entre los más comunes se encuentran los siguientes:
Rehervidor de serpentín interior:
Es uno de los más económicos pero tiene el inconveniente de la limitación de superficie. Pueden existir puntos calientes, y si las espiras del serpentín están muy juntas, cualquier sólido presente puede obturar gradualmente los espacios entre las espiras.
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Rehervidor externo:
Es cuando el líquido circula desde el fondo de la columna hasta el fondo del intercambiador de calor y los vapores suben entrando en la columna. Este tipo se denomina generalmente de Caldereta. Si el intercambiador de calor externo está cone conect ctad ado o de tal tal modo modo que que los los vapo vapore res s y el líqu líquid ido o cale calent ntad ado o actú actúan an para para proporcionar la recirculación, y ambos vuelven a la columna, el revaporizador se denomina de Termosifón.
Enfriadores: Su función consiste en la extracción de calor del fluido caliente o sustancia de trabajo.
Este tipo de enfriador se utiliza para proceso de refrigeración de la sustancia de trabajo; su construcción y apariencia física son similares a un rehervidor, pero esta construido de un material resistente a bajas temperaturas. Principalmente se utilizan en proc proces eso o de extr extrac acci ción ón de gas gas licu licuad ado o de propa propano no (LPG (LPG), ), mant manten enie iend ndo o refrigerados los productos a temperaturas requerida por la sustancia.
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Enfriadores de tiro forzado o inducido (Fin-Fans)
Son equipos muy prácticos y económicos cuando se desea enfriar fluidos de proces procesos os ubicados ubicados en áreas áreas donde el agua escase escasea a tempera temperatur tura a requer requerida ida
y cuando la diferenci diferencia a de
no sea muy elevada elevada (50-60°F (50-60°F). ). El diseño diseño usual usual de un
enfriador por aire se basa en hacer pasar aire impulsado por un ventilador (Fan) sobre un haz de tubos provistos de aletas (Fin) que transportan un fluido caliente; la
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función de las aletas es facilitar la disipación de calor por un proceso combinado de conducción y convección.
Tubos Tubos
Enfriamiento Forzado
Enfriamiento Inducido
Condensadores La func funció ión n de este este inte interc rcam ambi biad ador or es extr extrae aerr calo calorr a los los vapo vapore res s de las las sustancias de trabajo hasta lograr el cambio a la fase líquida.
El conden condensad sador or puede puede montar montarse se vertic vertical al u horizo horizonta ntalme lmente nte,, pero pero el agua agua debe debe circular por los tubos y los gases por Vapor la carcasa. La razón primordial de ello, es que resulta mucho más fácil limpiar la incrustación interna en los tubos que la externa.
SalidaEsdeimportante que el agua entre por el fondo para que los tubos estén en todo Agua instante llenos de agua. Si se permite que el agua vaporice, los sólidos disueltos en él quedarán en el intercambiador en forma de deposito.
Salida de Agua
Refrigerante Refrigerante
Condensado 23
Intercambiadores Intercambiadores de Doble Tubo Un tipo de intercambiador muy barato se obtiene montando un tubo en el interior de otro. El material que debe ser calentado o enfriado se halla en el tubo interior y el otro en el espacio anular entre los dos tubos. El intercambiador de doble tubo posee un costo muy bajo pero su pérdida de carga es más bien elevada.
Sobrecalentadores Tienen Tienen como función agregarle agregarle mayor mayor cantidad cantidad de energía energía calórica calórica al fluido fluido de trabajo, con el fin de garantizar que no exista ningún vestigio de humedad en él. En los proces procesos os de centra centrales les de vapor, vapor, este interc intercamb ambiad iador or de calor calor se encuen encuentra tra situado a la salida de los gases de combustión que salen de la caldera. Los sobrecalentadores se pueden clasificar en:
Separadores.
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Convección
Integrales: Radiación
Calentadores. Este tipo de intercambiad intercambiador or de calor se caracteriza caracteriza por agregarle agregarle la suficiente suficiente energía calórica al fluido de trabajo, pero sin cambiar de fase. Se utilizan como fuente de calor para fluidos que no son del proceso, tales como vapor o aceite caliente. •
Tipos de calentadores. calentadores.
Dependiendo de sus funciones, estos pueden ser de tres tipos:
Los Economizadores de Aire : agregan calor al agua de alimentación de la caldera precalentandola a una temperatura; de tal forma que proteja a la caldera de los cambios bruscos de temperatura interna, precipitación de algunas impurezas tales como: agua, oxigeno y otros gases disueltos
Los Precalentadores de Aire:
agregan calor al aire en cualquier zona del
proc proces eso o dond donde e es nece necesa sari rio. o. En el caso caso de gene genera rado dore res s de vapo vapor, r, recalientan el aire necesario para la combustión de la llama en el hogar de la cald caldera era,, aume aument ntan ando do el rend rendim imie ient nto o de la reac reacci ción ón y gast gastan ando do poco poco combustible.
Evaporadores:
este tipo de intercambiador de calor se caracteriza por
cambiar de fase al liquido que entra en él.
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En planta de vapor, se utilizan para evaporar el agua bruta procedentes de ríos, lagos y otros. El agua tras la evaporación es conducida a un condensador o a un segundo evaporador en serie.
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