INTERCAMBIADORES DE CALOR

Definiciones

El Intercambiador de calor (IC), tambin llamado recuperador, utiliza calor sensible. El Condensador, que puede ser total o parcial, utiliza calor sensible y latente. El Reboiler, caldern, caldereta, vaporizador o re-hervidor, utiliza parte del calor latente y del calor sensible.

Corrientes del proceso: intervienen en el balance de masa (alimentacin, vapor de calderas, etc.) Corrientes de servicio: sirven para realizar un calentamiento o enfriamiento, pero no intervienen en

el balance de materia, pero si intervienen en el balance de energa (vapor de calefaccin, agua de enfriamiento)

Calor: energa que cruza los lmites de un sistema debido a una diferencia de temperaturas. Calor sensible: energa transferida entre dos cuerpos a diferentes temperaturas o energas

presentes en un cuerpo debido a su temperatura. (es el calor que se produce o absorbe sin que se produzca un cambio de fase).

Calor Latente: es el calor absorbido o desprendido por una sustancia durante un cambio de fase; son muy altos. (energa asociada con los cambios de fase: fusin, vaporizacin, etc.)

Entalpa: energa microscpica de un fluido en movimiento. H = E + PV E: energa interna (energa microscpica de un fluido estacionario)

PV: trabajo de flujo

Transferencia de calor (velocidad de transferencia de calor): es el calor transferido en la unidad de tiempo (J/s W). equivale a decir Carga Trmica.

Flujo de calor: es la velocidad de transferencia de calor por unidad de rea (W/m2). Equivale a decir transferencia de energa trmica.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Un IC es un dispositivo cuyo propsito primario es la transferencia de energa (calor sensible) entre dos fluidos.

Se utilizan para recuperar calor y de paso para ahorrar costos por servicio de calefaccin y/o enfriamiento.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseado para transferir calor entre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin de energa y procesamiento qumico

Aplicaciones: prevenir el sobrecalentamiento del motor del auto e incremento de su eficiencia; utilizados en aires acondicionados y hornos, y en la industria para la transferencia de calor; etc.

Clasificacin de los IC

1- De acuerdo al proceso de transferencia: 1.1 Tipo de Contacto Indirecto: los fluidos que intercambian calor no se mezclan, lo hacen a travs de una superficie cao, pared que separa los fluidos 1.1.1 Tipo transferencia Directa: flujo contino de calor desde un fluido a otro, llamados Recuperadores. Pueden ser de Fase simple o Multifase. 1.1.2 Tipo Almacenamiento: tambin llamados regenerativos, ya que calienta en un lugar y enfra en el otro. Hay una transferencia de calor pulsante. En un tubo la corriente caliente que sale calienta el bloque, ste gira y entra al tubo fro y cede calor al aire que entra, luego el bloque enfriado regresa al caliente. 1.1.3 Tipo Lecho Fluidizado: caliento material slido, por ejemplo bolitas chicas de vidrio, y luego las paso por la zona fra. 1.2 Tipo Contacto Directo: se usa para pocas aplicaciones ya que implica separacin. 1.2.1 Fluidos inmiscibles: agua y aceite; enfro el aceite con el agua, y luego lo decanto. 1.2.2 Gas-Lquido: por ej. Torre de vapor hmedo, una lluvia de agua pasa por una corriente de aire. 1.2.3 Lquido-Vapor: ej. Condensar el vapor con una corriente de aire 2- De acuerdo al nmero de fluidos: (no es prctica) 2.1 Dos fluidos 2.2 Tres fluidos 2.3 N Fluidos (N>3) 3 - De acuerdo a la compactacin de la superficie: 3.1 Compacto: densidad del rea mayor a 700 m2/m3. Se usan frecuentemente. Gran rea de transferencia de calor en poco espacio. 3.2 No Compacto: densidad del rea menor a 700 m2/m3. 4- De acuerdo al mecanismo de transferencia de calor: (no es prctica) 4.1 Conveccin de fases simples a ambos lados (los dos fluidos no cambian de fase. L/L) 4.2 Conveccin de una fase de un lado y de dos fases del otro (ej. Agua en un lado y gas que se evapora o condensa del otro. L-G/L)

4.3 Conveccin de dos fases a ambos lados (uno se evapora y otro condensa. L-G/G-L) 4.4 Conveccin y Radiacin combinadas (problemtico el clculo. L/G) 5- De acuerdo a la construccin: es la ms usada, se basa en la geometra. 5.1 Tubular 5.1.1 Doble tubo: formado por dos tubos concntricos. 5.1.2 Carcasa y tubo: Equipo de tamao importante. Es una carcasa (tubo grande) con bocas para la entrada y salida de fluidos. En su interior existen tubos de dimetro menor (ej, 1) y tienen hasta 6 m de largo (no ms, por problemas de pandeo); la cantidad de tubos depende del diseo. Si un tubo se pincha, se llena la carcasa con agua, se le da presin externa y luego se ve cual de los tubos esta mojado adentro. (Restricciones, cada de presin) 5.1.3 Tubo espiralado (serpentn) 5.2 Tipo Placa 5.2.1 Placa Plana: tiene una placa fija y una mvil, que se aprietan y quedan muy cerca. Por placa de por medio circula liquido, intercalado con refrigerante. Se utiliza en la industria alimentaria, lechera, ya que al ser modulares pueden ser desarmados todos los das para su limpieza, se pueden quitar o aumentar el nmero de placas aumentando o disminuyendo la superficie de transferencia. Son del tipo compacto. Pueden usarse distintas partes del equipo para distintas aplicaciones. Generalmente para L-L. 5.2.2 Placas en espiral: poseen flujo en contracorriente. Un fluido entra por el medio y circula hacia afuera, y el otro entra por afuera y circula hacia adentro. Se utilizan para intercambio entre fluidos que no cambian de fase (L-L, G-L, G-G). Son compactos y no se usan para solidas cristalinos ni abrasivos. 5.2.3 Lamella: es muy particular y caro. Son tubos planos y chatos para formar un cilindro. Son una modificacin del IC de carcasa y tubo de cabezal flotante. Son muy eficientes porque hay mucha rea de transferencia. Sirven para expansin diferencial. No se ensucian fcilmente y el fluido que ensucia debe pasar por el lado de la carcasa. Son de aceros especiales para poder darle la forma. 5.2.4 Serpentn Plano (por ejemplo, el de las heladeras). 5.3 Superficie extendida: Se utilizan para la transferencia de calor aumentando el rea de transferencia. Se usan para fluidos de bajos coeficientes peliculares y gases de baja densidad. 5.3.1 Placa aletada: se utiliza cuando el fluido externo es un gas. Por ejemplo, los radiadores de un auto. 5.3.2 Tubo aletado: tubos que tienen aletas en forma transversal o longitudinal. Las aletas mejoran la transferencia de calor pero disminuyen la eficiencia. Ayudan a la disipacin, pero el tubo sin aletas es ms eficiente ya que la transferencia se hace por menos superficie. Se utilizan aletas para fluidos de bajo coeficiente pelicular ya que mejoran la turbulencia y disminuyen la capa lmite. 5.4 Regenerativos: tienen una masa que, alternativamente, se coloca en el paso de la corriente caliente y luego en la corriente fra, cediendo calor. Es decir, son igual a los IC del tipo de almacenamiento. 6- De acuerdo al arreglo de flujos: 6.1 De simple Paso: 6.1.1 Flujo en contracorriente 6.1.2 Flujo en Paralelo 6.1.3 Flujo Cruzado 6.1.4 Flujo Partido 6.1.5 Flujo Dividido 6.2 Multipaso (superficie extendida) 6.2.1 Flujo cruzado contracorriente 6.2.2 Flujo Cruzado en Paralelo 6.2.3 Flujo Compuesto 6.3 Carcasa y tubo 6.3.1 Flujo paralelo-contracorriente (M pasos en carcasa y N en tubos) 6.3.2 Flujo Partido 6.3.3 Flujo Dividido 6.4- Placas: N placas paralelas. Pueden ser en paralelo, en contracorriente, en paralelo-contracorriente, en flujo cruzado. De un solo paso o mltiples pasos.

Mecanismos de transferencia de calor

1 CONDUCCIN de calor a travs de un material fijo como una pared estacionaria. El flujo de calor es proporcional al cambio de temperaturas a travs de la pared y el rea de la misma. La cantidad de transferencia de calor es proporcional al rea y a la diferencia de temperatura que impulsa el calor a travs de una pared de espesor dX.

dQ = -K A dT/dX K: Conductividad trmica. Tiene signo negativo ya que indica el sentido del flujo de calor, de mayor a menor temperatura.

2 CENVECCIN: transferencia de calor por desplazamiento o movimiento entre partes relativamente fras y calientes de fluidos y gases. La transferencia de calor del lquido caliente del fondo del recipiente al resto se llama Conveccin natural o libre. El proceso es de Conveccin Forzada cuando hay un agitador en el medio que lo facilite la constante de proporcionalidad h es un trmino sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la forma de agitacin se llama Coeficiente de transferencia de calor.

dQ = -h A dT

3 RADIACIN: transferencia de energa radiante por ondas electromagnticas sin estar en contacto los cuerpos. Cuando la radiacin se emite desde una fuente a un recibidor, parte de la energa es absorbida en el recibido y parte es reflejada.

dQ = dA T4 : Constante adimensional : Emisividad (factor de radiacin)

Ecuaciones Bsicas

Las ecuaciones bsicas usadas con las de conservacin de energa que relacionan la velocidad de tranferencia de calor q, el rea de transferencia A, las temperaturas terminales de los fluidos y los caudales en un intercambiador de calor.

U: coeficiente global de transferencia de calor. Depende de las condiciones hidrodinmicas, espesor de la capa lmite. Da una idea de la eficiencia trmica.

Ro: resistencia trmica global. Compuesta por la suma de las resistencias que se pueden encontrar a ambos lados de la superficie incluyendo la propia pared del plano o tubo:

1 Resistencia del lquido quieto: es una capa estacionaria lquida que no se mueve, cuya velocidad es cero, y opone resistencia a la transferencia de calor. Mientras mayor sea la velocidad del fluido, mayor turbulencia, menor la capa del liquido quieto. 2 Capa de ensuciamiento incrustado: produce aislacin, cada del flujo de calor. El ensuciamiento se puede mejorar con la velocidad, ya que aumentando sta se pueden despegar las incrustaciones. 3 Pared del material que separa fluidos: es poco importante la resistencia que genera ya que lo equipos se construyen de materiales conductores.

UiAi basado en el rea interna. U0A0 basado en el rea externa.

El U puede calcularse basado en el rea externa del tubo. Para un tubo liso, quedara:

Si se utiliza una superficie extendida o ampliada, se debe considerar la eficiencia de la superficie para el clculo de U.

Af: rea de la aleta

f : eficiencia de la aleta

El tubo liso es ms eficiente porque no tiene que transferir a travs del rea de la aleta. Se utilizan cuando el fluido es gas o tiene bajo coeficiente pelicular h.

El objetivo bsico del diseo es lograr el mayor valor de U posible que sean compatibles con las restricciones impuestas por el proceso.

Como Kw generalmente es grande el trmino medio se desprecia. U se aproxima al valor de h menor. Si ho es el valor mas chico, por ej, U = ho Kw: conductividad trmica : espesor

Suposiciones que se hicieron para la derivacin de las ecuaciones bsicas:

1. Existe condicin de estado estacionario; 2. No hay fuentes de calor en el intercambiador; 3. No hay perdida de calor a los alrededores (bien aislado); 4. La temperatura de cada fluido es uniforme en toda la seccin de flujo.

En IC de flujo en paralelo y en contracorriente la temperatura de cada fluido es uniforme sobre toda la seccin de flujo. En IC de flujo cruzado, cada fluido es considerado mezclado o no mezclado en cada seccin. Para IC de mltiples pasos las afirmaciones anteriores se aplican a cada paso dependiendo del arreglo bsico de flujos.

5. No hay cambio de fase, y si la hay ocurre en forma lineal. No hay cambio de fase (condensacin, evaporacin) en las corrientes de fluido en el intercambiado, o los cambios ocurren bajo alguna de las siguientes formas: a) Ocurre a una temperatura constante para un fluido de un solo componente, presin constante, el calor especfico efectivo para el fluido que est cambiando de fase es infinito y por lo tanto Cmax * Si Ch > Cc , entonces Ch es mximo y Cc es mnimo. * Si Ch < Cc , entonces Ch es mnimo y Cc es mximo. b) La temperatura del fluido que est cambiando de fase vara linealmente con la transferencia de calor. En este caso, el calor especfico efectivo es constante y finito (dentro de un rango de temperatura) para el fluido que est cambiando de fase.

6. El Cp de los fluidos se mantiene constante a lo largo del intercambiador. El calor especfico de cada fluido es constante en todas las regiones del IC, tal que la velocidad de capacidad de calor sobre cada lado es constante.

7. La velocidad y temperatura de cada fluido a la entrada son uniformes. 8. Si el intercambiador es de superficie extendida, la eficiencia (la efectividad global trmica) de la

superficie extendida es constante (y uniforme). 9. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.

No siempre es cierto. U puede cambiar bastante en el paso por el IC dependiendo de las condiciones. Por ejemplo, si se tiene un aceite frio y se calienta en un IC, disminuye su densidad y de esta manera fluye ms fcilmente, por lo que se tiene un U de entrada que es diferente al U de salida (debido al cambio de fluidez).

10. El rea de trasferencia de calor est distribuida uniformemente sobre cada lado del fluido. En un equipo de paso mltiple, el rea de la superficie de transferencia de calor es igual en cada paso.

U1

1hio

kw

1ho

Ch = (W*Cp)h

Cc = (W*Cp)c

No siempre se cumple ya que en un paso se puede tener menor cantidad de tubos que la de los otros pasos. Por ej., en el primer paso se puede tener menos cantidad de tubos ya que se coloc una proteccin para evitar que el flujo al ingreso rompa los tubos, por lo que se redujo el espacio.

11. Para un IC de carcasa y tubo con bafles, el cambio de temperatura por paso de bafle es pequeo comparado al cambio global de temperatura a lo largo del IC si el numero de bafles es grande.

12. La velocidad de flujo de fluido esta uniformemente distribuida en todo el IC sobre cada lado del fluido y en cada paso. En ninguna corriente ocurre estratificacin, derivaciones o prdidas de flujo. La condicin de flujo est caracterizada por la velocidad media en cualquier seccin.

13. La conduccin de calor longitudinal en el fluido o en la pared es despreciable.

Las idealizaciones 1, 2, 3 y 4 son necesarias para el anlisis de un IC en estado estacionario. La idealizacin 5 restringe el anlisis a un flujo de una sola fase a ambos lados. Si la idealizacin 6 no existe, se debe dividir al IC en pequeas secciones en las cuales el Cp sea cte. Las idealizaciones 7 y 8 son muy importantes para IC compactos Las idealizaciones 9 a la 13, son muy ideales y pueden no cumplirse, pero hay modos de solucionar

los problemas que ocasionan.

Grados de Libertad de un IC

Para un IC como el de la figura, podemos decir que existen trece variables fundamentales (M):

1) K: Tipo de IC 2) Q: Calor trasferido 3) A: rea de intercambio 4) U: Coeficiente global de transferencia de calor 5) 6) 7) 8): w1, w2, w3 y w4: caudales msico de los fluidos 9) 10) 11) 12) T1, T2, T3 y T4: temperatura de los fluos 13) Tml

El nmero de relaciones de diseo entre ella son siete (N):

Por lo tanto, los Grados Totales de Libertad: F = M N = 13 7 = 6.

Si N > M, hay una contradiccin. La formulacin matemtica, la naturaleza fsica del problema o ambas son sospechosas. Si N < M no existe ninguna libertad en la seleccin de los valores de las variables. Solo ciertos valores definidos de las variables satisfacen las relaciones de diseo. En ninguno de los dos casos hay posibilidades de optimizacin.

Para un determinado diseo hay variables especificadas por procesos colindantes (proporcionados por otros equipos) que restan grados de libertad y quedan algunos que pueden manejarse por el diseador para la optimizacin, llamados Grados Econmicos de Libertad. stos pueden tomar diversos valores y ofrecen una gama de condiciones de operacin posibles.

Prdida de carga

Definiciones:

- Presin de Operacin: presin en condiciones normales de funcionamiento, fijadas por el proceso; - Presin de Diseo: mxima presin en condiciones de operacin estable pero extraordinaria

(arranques, fluctuaciones del sistema, etc.). Se usa para calibrar los elementos de seguridad, fijadas por el diseador;

- Presin de Prueba Hidrulica: segn el cdigo ASME debe ser 1.5 veces la presin de diseo. Se usa para probar la resistencia del equipo.

Prdida de carga o Cada de presin:

En una tubera o canal, es la prdida de energa dinmica del fluido debido a la friccin de las partculas del fluido entre si y contra la paredes de las tuberas que las contienen (y tambin debido a la friccin entre partculas). Puede ser continua a lo largo de conductos regulares o accidental o localizada debido a las circunstancias particulares como un estrechamiento, cambio de direccin, presencia de una vlvula o dispositivo, etc. Cualquier obstculo que se coloca en una tubera genera cada de presin. La temperatura influye sobre las propiedades del fluido por lo que tienen gran influencia en la cada de presin. La cada de presin es superior con gases que con lquidos. Depende de: dimetro de la tubera, velocidad del fluido, y de las propiedades del fluido que a su vez so funcin de la temperatura.

Cada de presin de un IC

Representa la energa potencial que puede ser utilizada (gastada) para transportar el fluido a travs del IC, comenzando en la tobera de entrada y terminando en la tobera de salida.

Es un factor de restriccin en la optimizacin del equipo. Es influido fuertemente por la velocidad del fluido que es la que mejora la transferencia de calor (es directamente proporcional).

En el primer caso, en donde se coloca una vlvula, hay mayor cada de presin porque se produce una alteracin del patrn de flujo.

La cada de presin admisible para el IC es la mxima cada de presin que podemos permitir en el IC para que el fluido llegue con la presin requerida. Es la mxima presin esttica que debe disiparse para mover el fluido a travs del IC. Hasta donde se puede llegar con la prdida de carga dentro del IC. Normalmente se acepta una prdida de carga de 0.7 kg/cm2 por IC. Aprovechar al mximo la perdida de carga admisible reduce los costos, porque el equipo se hace ms chico.

La cada de presin calculada no puede ser mayor que la admisible a lo sumo debe ser igual

Pcalculada P admsible ; si se supera, debo colocar unas bombas para que llegue al fin del proceso con la presin requerida (colocndola del lado frio, despus del IC). La diferencia entre la calculada y la admisible no debe ser tan grande, un buen diseado trabaja al 80% de la admisible.

El mejor uso para la presin disponible, para aprovechar ms la cada de presin, es aumentar la velocidad de la masa lo cual hace que aumente h, los equipos se reducen (menor tamao, menor rea, menor costo). La cada de presin va ligada con la transferencia de calor. Si aumentamos el numero de bafles y al hacerlos ms largos, mejoramos la transferencia de calor. Si disminuye el dimetro de los agujeros se aumenta la transferencia de calor pero tambin aumente la cada de presin.

A mayor P, mayor U, mayor velocidad de flujo, menor rea, menor costo

Diseo/Calculo de IC

- Diseo Trmico: Se ocupa de aquellos aspectos de transferencia de calor e hidrulicos asociados con la provisin de un rea adecuada y un correcto manejo de los flujos para asegurar que el IC cumpla con el servicio trmico requerido como una aceptable potencia de bombeo.

Dentro del diseo trmico podemos distinguir:

VERIFICACIN (o Rating): es la determinacin de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia de temperaturas especificadas. Es decir, el IC se encuentra disponible en la planta (fuera de uso, por ejemplo) y se quiere ver que se pueda usar para alguna otra actividad.

Datos A Calcular Caudales, Temperaturas de entrada, Tamao del IC (rea), Geometra de la superficie (caos, placas, etc.), Cada de presin permitida.

Velocidad de transferencia de calor, Temperaturas de salida, Cada de presin.

DIMENSIONAMIENTO (o Sizing): es la determinacin del tamao de un sistema en orden a transferir calor a una velocidad especificada para una diferencia de temperaturas especificada. Esto se puede realizar experimentalmente o analticamente.

Datos A Calcular Caudales, Temperaturas de entrada, Una temperatura de salida, Geometra de la superficie (caos, placas, etc.), Cada de presin permitida, Propiedades de las corrientes y de los

materiales

rea de intercambio de calor, Dimensiones del IC, Cada de presin.

- Diseo Hidrulico: Determinacin de la velocidad, caudal, rgimen de flujo, prdida de carga, secciones de flujo, etc.

- Diseo Mecnico: Se ocupa de todos los aspectos necesarios para asegurar la integridad y la durabilidad del IC que es considerado como un recipiente con presin. Analizo las normas que rigen la construccin del equipo.

- Diseo econmico.

Es decir, el DISEO implica decidir las caractersticas constructivas del equipo [superficie del IC necesaria, tipo de IC (tubo, placas, etc.), caractersticas del IC (longitud, dimetro, arreglo de tubos, pasos, etc.), tipo y espaciado de bafles, ubicacin de los fluidos en el equipo, numero de cuerpos o mdulos, etc.] y el rgimen de flujo, velocidades (existen velocidades recomendadas para evitar la erosin), cada de presin, etc. Existen restricciones para el diseo de equipo, las cuales pueden ser:

- Impuestas por el proceso (caudal del fluido del proceso, temperatura/s, cada de presin, etc.) - Impuestas por el diseador (tipo y caudal del fluido del servicio, cada de presin, tipo de IC, etc.)

Como se ve, la cada de presin puede ser impuesta por el proceso o por el diseador, no es tan absoluto como las dems caractersticas ya que existen casos en los cuales debe decidirse. A su vez, las caractersticas pueden clasificarse en variables independientes o dependientes. Esta clasificacin es muy relativa, dependiendo del problema que tenga. Los cambios en una o ms de las variables independientes generarn cambios en una o ms de las variables dependientes.

Variable independiente (fijado por el proceso o por el diseador)

Variable Dependiente

Velocidad de transferencia de calor (dependiendo del caso)

Temperatura del fluido de proceso Caudal del fluido de proceso Largo, dimetro, espesor de los tubos, etc. Coeficientes peliculares Etc.

Velocidad de transferencia de calor (dependiendo del caso)

Perdida de carga rea de intercambio de calor Coeficiente global Temperatura de salida del fluido auxiliar, Etc.

La secuencia para el diseo de un IC se presenta a continuacin:

1. Disear el Flow-Sheet del proceso 2. Especificar los requerimientos para el IC 3. Seleccionar el mejor tipo de IC para el uso que se lo necesita 4. Diseo trmico 5. Diseo mecnico

Generalmente 1, 2, 3 y 4 estn a cargo del usuario (lo ideal) y 3, 4 y 5 estn a cargo del fabricante. Debe tenerse en cuenta que en cualquier momento puede reiniciarse el ciclo, debido a alguna falla.

Para la seleccin del IC, para tener una idea de que IC es ms conveniente para el proceso, se deben tener en cuenta dos consideraciones (realizar dos filtraciones):

- Filtro Grueso: se deben rechazar aquellos IC que no seran aceptables basndose en las temperaturas y presiones de operacin, compatibilidad del/los material/es con el/los fluido/os y la capacidad del manejo en condiciones extremas.

- Filtro Fino: estimar el costo de aquello que pueden ser adecuados. El costo total se conforma de: costo de capital, costo de instalacin, costo de operacin. Normalmente se estima solamente el costo de capital, pero no hay que subestimar los otros. En algunos casos el costo de instalacin puede ser tan alto como el costo de capital.

Un IC debe satisfacer:

- Los requerimientos de transferencia de calor (carga trmica) - La cada de presin admisible (que tiene que ver principalmente con los costos de bombeo).

Es importante remarcar que aun un IC bien diseado raramente operar tal como fue especificado debido a:

1. Las imprecisiones propias de las ecuaciones de clculo de la transferencia de calor y de la perdida de carga; 2. La superficie adicional que es agregada para contrarrestas el ensuciamiento:

- Si el IC ha sido sobredimensionado el problema es solucionable de distintas maneras aunque sera un problema si el equipo estuviese al comienzo de un grupo de IC;

- En un equipo sub-dimensionado no hay mucho que se pueda hacer. Indeseado 3. La tendencia de los diseadores a agregar superficie extra por seguridad. (pens agregar para

solucionar el ensuciamiento, pero el problema es inverso porque el fluido fluye mas lentamente).

Flujos en Intercambiadores

La temperatura de salida del fluido fro no puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. Consecuencia de la segunda ley de la termodinmica.

La velocidad de transferencia de calor depende del tipo de IC y el modo particular de la disposicin de flujo de fludo de cada corriente.

- Flujo en Contracorriente: da la mayor eficiencia. Ft=1. EL Ft depende del nmero de pasos en tubo, carcasa y de las temperaturas de entrada y salida. Ft es un factor de correccin.

- Flujo en Paralelo: Ft

Flujos en paralelo, contracorriente y mixtos en IC de carcasa y tubo.

Carcasa E 1-2: de un solo paso por carcasa y dos pasos por tubos (uno en contracorriente y uno en paralelo) Carcasa F 2-2: permite operar en contracorriente puro Carcasa J 1-1: aunque salgan dos corrientes, pasa una sola vez por el IC

Flujo Cruzado en IC de carcasa y tubo (Carcasa X): los dos fluidos que entran estn en su mximo y mnimos de temperatura. Me permite ver que sucede si separo con chapas y canalizo el fluido. El fluido que va por carcasa pasa a travs de canales, luego se junta y sale con una temperatura promedio (Se generan diferencias de temperatura por sectores). En la columna 1 tenemos el mayor T, pero el T en 1B es menor ya que el fluido al pasar por el tubo 1A se enfra un poco. Lo mismo ocurre para la derecha. En la seccin 2, el T va a ser mas chico que el T1 porque el fluido se calent un poco al pasar por la seccin 1. T1 > T2 > T3 > T4 (debido a que el fluido del tubo se calienta)

TA > TB > TC > TD > TE

TA1 < TA2 < TA3 < TA4

Dependiendo del diseo y de lo bafles, el fluido puede ser mezclado o no mezclado. En este caso el flujo de los tubos es No Mezclado y el flujo de la carcasa es Mezclado. El flujo, al pasar por las cuatro filas de tubo sale mezclado y se denomina Flujo Mezclado (Ft aproximadamente igual a 0.8). Si hay una sola fila de tubos el flujo es Flujo Sin Mezclar. CONSIDERACIONES:

- Por los tubos se considera que el flujo es No Mezclado. - Por la carcasa se puede considerar segn el tipo de bafle: se hay bafles el flujo es No Mezclado, si no

hay bafles el flujo es Mezclado.

Es menos eficiente cuando los flujos son mezclados que si son sin mezclar. El T para flujo sin mezclar es mejor que el mezclado. Si el fluido es mezclado, la temperatura ser media en todo el equipo, mientras que si es no mezclado al temperatura de cada seccin ser igual por lo que se tendr mayor energa para transferir calor dando as saltos trmicos menores (T1 > T2 > T3 > T4).

Flujo no mezclado por ambos lados. Flujo mezclado de un lado y del otro no. Flujo mezclado

Flujo Cruzado-Contracorriente

Distintos tipos de intercambiadores

1. Intercambiador tipo paila o tanque agitado

Es calentado por vapor, y para mejorar la transferencia de calor es agitado. Es un proceso batch y trabaja en estado no estacionario.

Se idealiza o supone que la temperatura interna es uniforme, igual en todo el tanque, debido a mezclado perfecto.

Se utilizan en varios tipos de industrias, como en la alimentica (para la fabricacion mermeladas, dulces, etc.). Algunas poseen tapas y otras no para hacer que se evapore el liquido.

No es fcil determinar el U porque los productos que se calientan son de naturaleza compleja, ensucian mucho, son viscosos.

El vapor es suministrado al interior de la camisa calefactor.

Las gotas de agua (en el producto) no son un problema, porque el producto se calienta indirectamente usando el intercambiador de calor (la camisa calefactora).

Tras haber cedido el calor latente al producto, el va vapor se condensa y se descarga, pasano previamente por una trampa de vapor para eliminar las trazas de vapor.

2. Intercambiador de Doble Tubo

Caractersticas:

- rea de intercambio: 0.25 a 200 m2 - Dimetro carcasa: 50 mm (2) a 800 mm (30) - Presin mxima: 300 bar (abs) (4.500 psia) en carcasa 1400 bar (abs) (21.000 psi) en tubo - Rango de temperatura: -100 hasta 600C (posiblemente mayores con materiales especiales) - Limitaciones de fluidos: pocas, porque se pueden construir de diversos materiales - Mnimo T (salto trmico): 5C

Ventajas:

- Facilidad para la obtencin de flujo en contracorriente - Pueden manejar altas presiones (porque se trabaja con tubos chicos) - Tienen construccin modular - Fciles de mantener - Muchos proveedores

Desventajas:

- Es caro para grandes cargas trmicas (ms de 1mW) - Tienen pequea superficie de transferencia de calor (2 a 45 m2 en una horquilla simple) - Requieren gran espacio - El tiempo y el gasto requerido para desarmarlos por limpieza es mayor comparado con otros

equipos.

a) Intercambiador tipo Horquilla (hair pin)

Son modulares, es decir, se pueden agregar o quitar horquillas, ampliando el rea de intercambio. Se utilizan para altas presiones, para bajos costos, y sobre todo si el caudal es chico.

Pueden ubicarse uno arriba del otro, trabajar en contracorriente, y existe un cruce de temperaturas que se da en IC de mltiples pasos. Solo los tubos exteriores se pueden cambiar.

Desventajas: los codos producen grandes prdidas de carga; difcil de limpiar mecnicamente.

Ventajas: pueden desarmarse, no ocupan lugar en el piso, se pueden colgar en paredes. Lo tubos pueden dilatarse libremente. Tienen un cabezal que se puede sacar y limpiar, y un soporte que no est unido a los caos que le permite la dilatacin. Se pueden instalar deflectores.

Existen tres tipos: - De simple tubo - De tubo aletado - Horquilla de 7 tubos: es cuando los 7 tubos continan en el codo y pasan al otro tubo.

Tienen perdidas de carga elevadas por las curvas y porque el dimetro de los tubos es muy chico.

Usos: - Cuando las presiones son muy altas. A medida que se reducen los dimetros de los tubos, aguantan

mas presiones. - Fluidos en contracorriente, hay buena transferencia de calor - Para grandes superficies de transferencia con caudales pequeos - Cuando se necesita algo rpido y barato. Es fcil de desarmar y se puede usar una parte del IC - Para fluidos viscosos y altos ensuciamientos - Cuando la superficie de transferencia es pequea (< 100-200 ft2)

Para disminuir la perdida de carga y que no se supere el valor admisible, es conveniente conectar el IC en serie y paralelo, de esta forma las corrientes se mantienen una en serie y la otra en paralelo.

Se utiliza cuando los fluidos son muy viscosos y cuando la prdida de carga es muy grande. Para disminuir la misma, una alternativa es el arreglo en serie y paralelo. Dividimos el caudal original en dos, y al ir sacando curvas y longitudes de cao disminuye la cada de presin (las perdidas por friccin)

El arreglo en serie se emplea para lquidos muy viscosos.

b) Intercambiador de superficie Rascada o raspada (VOTATOR) (de tubos modificado)

Es un IC de doble tubo agitado; tiene en su interior un sistema con paletas que van moviendo el fluido que se mueve en su interior.

El dimetro interno es grueso y posee paletas. Uno de los fluidos va por el tubo interno y el fluido problemtico por el tubo externo. Las paletas giran y desprenden el material que se deposita sobre las paredes. Pueden funcionar de manera vertical u horizontal.

Poseen buena aislacin, pero son caros. Son equipos de acero inoxidable, cromo-nquel. No son fciles de construir.

Se usan cuando los fluidos tienen altas viscosidades, tienen slidos en suspensin o se producen cambios de fase. Se usan, por ejemplo, para hacer pur, helado, ya que son lquidos pesados que no fluyen fcilmente.

Como pueden utilizarse para calentar, enfriar, congelar, como reactor, etc., debern tenerse en cuenta los distintos aportes en cada caso (calor sensible, calor latente, calor de reaccin, calor de friccin).

3. Intercambiador de Carcasa y tubo

Caractersticas:

- Tamao por unidad: lo normal es entre 10 y 100 m2 - Fcil de construir - Se hace de acero al carbono siempre que sea posible - Presin mxima: 300 bar (abs) (4500 psia) por carcasa 1400 bar (abs) (21000 psia) por tubos. El de

mayor presin por tubo. - Rango de temperatura: -100 a 600C posiblemente ms amplio con materiales especiales - Limitaciones de fluidos: pocas pues pueden construirse de diversos materiales. - Mnimo T: 5K (para que exista una transferencia de calor, debe existir al menos una diferencia de

5K entre el fluido de los tubos y el fluido de la carcasa)

Ventajas:

- Diseo extremadamente flexible y robusto - Fcil para mantener y reparar - Pueden disearse para ser desmantelados para limpieza - Hay muchos proveedores en el mundo

Desventajas:

- Requiere gran cantidad de rea de piso para montaje (a menudo puede requerir espacio extra para remover el paquete de tubos)

- Los IC de placa pueden ser mas baratos para presiones por debajo de las 16 bar (240 psia) y temperaturas menores de 200C.

Mximos tpicos:

Cabezal Flotante Placas Fijas y Tubos en U Dimetro 1524 mm 2000 mm Longitud 9 m 12 m

rea 1270 m2 4310 m2 Recordar que para retirar el paquete de tubos se necesita como mnimo un espacio equivalente al largo del paquete.

El DISEO MECNICO de este tipo de IC est regido por alguna de las siguientes normas:

- Norma TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) - Norma API 600 (Asociacin Internacional del Petrleo) para IC de carcasa y tubos para servicios

generales de refinera - Normas del HEI (Heat Exchanger Institute, inc.):

Normas para intercambiadores de calor para Plantas de Potencia (de energa trmica) Norma para condensadores de vapor Normas para calentadores de agua cerrada

- Cdigo ASME para Calderas y Recipientes a Presin (los IC son considerados como recipientes con presin) Seccin I: Calderas de Potencia Seccin VIII: Divisin 1: recipientes con presin (normales). Divisin 2: para unidades que trabajan a muy altas presiones

- Actualmente tambin existen Normas ISO para IC y calderetas.

a) Norma TEMA

Se aplican a IC de carcasa y tubos que cumplan con las siguientes condiciones: - Para dimetros interiores no mayores a 60 (152 cm) : Di < 60 - Cuyo producto del dimetro interior en pulgadas por la presin de diseo en psi (lb/pulg2) sea

menor de 60.000: Di/P < 60.000 lb/pulg2 - Una mxima presin de diseo de 3.000 psi (aproximadamente 211 kgf/cm2 de diseo)

Se definen tres clases de IC para aplicaciones de proceso en plantas de procesos qumicos, ellos son:

- Clase R: para industria petrolera y afines - Clase C: para requerimientos moderados y aplicaciones comerciales y generales de proceso - Clase B: satisface los requerimientos para servicios de procesos qumicos y generales

En todos los casos se considera que no se usan en calentamiento con fuego.

Tipos de IC de carcasa y tubo segn TEMA:

Tipo de Cabezales Frontales

Cabezal A: Canal y cubierta desmontables. Tienen tapa desmontable para permitir un fcil acceso a los tubos sin distorsionar los caos. Tubos fijos en ambos casos.

Cabezal B: Bonete y cubiertas integradas, canal desmontable. Se atornillan en una brida. Tienen menos juntas pero requiere que se rompan las juntas de los caos para limpiar o inspeccionar tubos. Para intercambiadores de placas fijas.

Para cabezales A y B: - Los tubos se limpian en el interior mecnica o qumicamente. - Se utilizan cuando el fluido por carcasa no ensucia. - No produce perdidas (est bien sellado) elimina juntas. - Producen dilatacin diferencial - Tubos de material caro porque el lquido corrosivo va por los tubos. - Carcasa chica ya que el paquete de tubos no se saca - Es ms econmico porque todo est soldado

Cabezal C: Canal integrado y cubierta desmontable, de haz de tubos desmontables. Paquete soldado al cabezal. Tubos fijos. Paquete de tubos removibles. Placa donde estn calvados los bulones. Carcasa con bulones. Cabezal N: Canal integrado y cubierta desmontable. Todo soldado. Lmina de cierre fijo. Tubos fijos. Paquete de tubos removibles. La carcasa y el cabezal estn fijos.

Para los cabezales C y N:

- Se utilizan cuando se puede sacar los paquetes de tubo - Se pone y se saca el cabezal con el conjunto de tubos porque estn incluidos en el mismo. - Se pueden limpiar los tubos y la carcasa - Lo uso cuando el fluido es toxico, o aumenta la presin ya que no tengo tantas juntas, por lo que

disminuye la posibilidad de perdidas.

Cabezal D: Cierre especial de alta presin. Estructura y tapa muy fuertes. La placa y el cabezal son forjadas en una sola pieza.

Tipo de Carcasas

Carcasa E: de un solo paso. Paso simple por carcasa. Puede ser en flujo paralelo o contracorriente. Es econmica y posee el mayor Ft (arreglo trmico ms eficiente). Carcasa F: De dos pasos con bafle longitudinal Paso doble por carcasa. Tiene un bafle divisorio al medio, para multi-pasos en tubo y se pueden producir prdidas trmicas y de fluidos. Es muy efectivo y se usa cuando necesito flujo en contracorriente. Presenta el inconveniente para poner y sacar los tubos. Se usa cuando el Ft es tan chico como para requerir dos (o ms) carcasas E en serie.

Carcasa G: de flujo partido. El bafle o disco soporte divide el flujo en dos y tambin soporta los tubos evitando vibraciones. Se usa si la cada de presin de la carcasa F es limitante. Frecuentemente usada como reboiler termosifn horizontal. El disco previene el flash, y aumenta el mezclado. Cuando la cada de presin de F es limitante, sacrifico Ft. Carcasa H: flujo partido doble Se usa como termosifn horizontal, en el cual los flujos son grandes y la cada de presin debe ser baja. Se usa si la carcasa es muy larga. Hay mucho espacio de tubo sin soportar. (2 entradas 2 salidas). Cuando la cada de presin de F es limitante, sacrifico Ft. Carcasa J: de flujo dividido. Se usa si la cada de presin del lado de la carcasa es limitante, in embargo hay algunas perdidas trmicas (

Cabezal P: cabezal flotante exterior. Sellos y anillos de goma para que no se pierda el liquido de la carcasa. No se usa para lquidos inflamables, limitados por presin y temperatura. Cabezal S: cabezal flotante con dispositivo de apoyo Permite construccin de placa de tubos con dimetros prcticamente iguales al dimetro de la carcasa. Es una tapa de tubos que a su vez est dentro de otra tapa que permite la dilatacin.

Cabezal T: cabezal flotador extrable. No tiene problemas de esfuerzos de tensin. Presenta corrientes de by pass. Cabezal W: lamina de cierre tubular de flotador con anillo de cierre hidrulico. Tubos flotantes con anillo interno. Placa tubular de mayor espesor que puede desplazarse axialmente. Carcasa y placa de igual dimetro.

Cabezales P, S, T y W:

- En un punto los tubos estn fijos y en el otro flotando - Se dilatan y tienen la capacidad de moverse en el interior - Se desarma, se saca el cabezal para luego quitar el paquete de tubos (no puede salir todo junto) - Los tubos son individualmente reemplazables - Limpieza qumica y mecnica. Para arreglo en tringulo se realiza limpieza qumica, para arreglo en

cuadrado limpiezas qumicas y mecnicas. Cabezal U: haz de tubos en U. Elimina un cabezal. Es una forma de resolver el problema de dilatacin diferencial. No requiere juntas de expansin. Hay un solo cabezal junto a los tubos, haz de tubos extrables. Se puede

trabajar a mayor presin. Limitado a simple paso. Es ms barato. Solo se puede limpiar qumicamente, y la limpieza es mala debido a las curvas de los tubos. No se puede cambiar un solo tubo. Denominacin de los IC segn las normas TEMA: la identificacin se realiza mediante dos nmeros y tres letras. El primer nmero corresponde al dimetro nominal interior de la carcasa (en plg.) y el segundo al largo nominal de los tubos. La primera letra corresponde al cabezal frontal, la segunda a la carcasa y la tercera al cabezal posterior.

Por ejemplo, un intercambiador 33-96 tipo AFM. - 33 es el dimetro nominal interno de la carcasa en pulgadas (redondeado al entero mas prximo).

Tambin pueden usarse unidades mtricas, generalmente milmetros. - 96 es el largo nominal de los tubos en pulgadas. para tubos rectos es el largo real. Para tubos en U

es la longitud desde el extremo hasta la tangente al codo o al bafle tangente al tubo exterior. - A representa al cabezal frontal, tipo canal y cubierta desmontable. - F es el tipo de carcasa - M es el cabezal posterior, para hojas de tubo fija

Para reboiler tipo Kettle, el nmero de tamao esta dado por el tamao de la puerta por donde se inserta el paquete de tubos (ID) mas los otros nmeros: ID/ID-L. [ ID = entrada ; ID = parte grande ; L = largo ].

Los intercambiadores pueden clasificarse a grandes rasgos en:

Intercambiadores de paquete de tubos removibles - IC de tubos en U: Son de construccin simple y econmica. Pueden usarse si se tiene

presiones muy elevadas de un lado. Es el ms barato debido a que se ahorra el cabezal posterior. A si mismo, esto ltimo es muy relativo ya que si se tienen 6 tubos conviene ponerlos rectos y no con forma de U ya que el dimetro va a ser menor. Solo es adecuado para servicios limpios ya que es difcil de limpiar los codos por medio mecnico. Es difcil retirar un tubo, solo los mas externos. El paso de tubos esta limitado a nmeros pare. Si el dimetro es pequeo conviene uno de placas fijas.

- IC de cabezal flotante: se usan cuando hay mantenimientos porque son mas sofisticados. Son de tubo recto con placas en ambos extremos. Los dos tipos que hay son: de cabezal flotante empacado y de cabezal flotante con ornigns (sellos de goma). Los tubos removibles se pueden retirar para limpiarlos o repararlos. Son adecuados para cuando hay problemas de dilatacin o ensuciamiento. El fluido que ensucia se pone por carcasa ya que puedo sacar y limpiar los tubos por fuera. La principal desventaja son los costos.

Intercambiadores de paquete de tubos no removibles Son del tipo mas comn. Las placas estn soldadas a la carcasa. Son del tipo TEMA AEL, BEM, NEN, con carcasa E de un paso. Ventajas: mxima proteccin contra prdidas del fluido de la carcasa ya que estn soldadas. Mnimo dimetro comparado con otros tipos. Relativamente barato. Ahorran espacio. Desventajas: lado externo de los tubos no disponible para limpieza mecnica. Por ello se usan limpiadores qumicos que no son corrosivos para los metales y las juntas. Se requieren juntas de expansin para aliviar tensiones por dilatacin trmica. Puede ser necesario construirlos con doble placa por razones de seguridad. Se utilizan cuando la mezcla de fluidos es incompatible y podran producir una explosin si se llegaran a mezclar, o si la fuga de lquido ocasionara daos por corrosin. Se minimiza la posibilidad de mezcla y cualquier fluido que se escape tiene salida a la atmosfera.

Las partes de un IC de carcasa y tubo son:

1. cabezal estacionario, canal 21. cubierta del cabezal flotador, exterior 2. cabezal estacionario, casquete 22. faldn de lmina de cierre tubular del flotador

3. pestaa de cabezal estacionario, canal o casquete 23. brida del prensaestopas 4. cubierta de canal 24. empaque

5. tobera de cabezal estacionario 25. anillo seguidor de empaque 6. lmina estacionaria de tubo 26. anillo de cierre hidrulico

7. tubos 27. bielas y espaciadores 8. casco 28. desviadores transversales o placas de apoyo

9. cubierta del casco 29. desviador de choque 10. brida del caso, extremo del cabezal estacionario 30. desviador longitudinal 11. brida del casco, extremo del cabezal posterior 31. separacin de paso

12. tobera del caso 32. conexin de ventila 13. brida de la cubierta del casco 33. conexin de drenaje

14. junta de expansin 34. conexin de instrumentos 15. lmina de cierre tubular del flotador 35. albardilla de soporte

16. cubierta del cabezal flotador 36. taln elevador 17. brida del cabezal flotador 37. mnsula de soporte

18. dispositivo de apoyo del cabezal flotador 38. vertedero 19. anillo de cizalla dividida 39. conexin de nivel de liquido 20. brida de apoyo dividida

Los intercambiadores pueden ser:

Intercambiador de cabezal flotante interno (Tipo AES)

Es el modelo ms comn, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus caractersticas son:

1. Permite la expansin trmica de los tubos respecto al casco. 2. Permite el desmontaje 3. En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos. 4. Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separacin modifican la velocidad en

el casco y su prdida de carga. 5. El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.

Intercambiador de lmina y tubo fijo (Tipo BEM)

1.- Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisin de calor. 2.- Tiene junta de expansin en casco. 3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco.

Intercambiador de cabezal flotante externo (Tipo AEP)

Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar ms mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

Intercambiador de cabezal y tubos integrados (Tipo CFU) (IC de tubos en U)

Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fcil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo daado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

Reboiler de caldera (tipo AKT)

Este intercambiador se caracteriza por la configuracin del casco. El conjunto de tubos puede ser tambin A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el lquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el lquido caliente sale por la tobera inferior.

Condensador de flujo dividido (Tipo AJW)

Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la prdida de carga (en un factor de 8). Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a travs de los tubos para enfriarse.

a) Norma HEI

Diferencia con las normas TEMA: En las normas TEMA los fluidos entran en forma radial y en las normas HEI hay un cabezal. Clasificacin de la capa posterior de los tubos. Cabezal reductor de canal.

Cabezales Anteriores V: C: canal de cubierta desmontable (A) B: canal de cubierta integral (B) R: canal reducto (el fluido entra en direccin axial y tiene menor perdida de carga).

Forma en la que el cabezal anterior se liga a la carcasa (W) 1: empaquetado a ambos lados (juntos) 2: tubos pegados a la carcasa 3: cabezal fijo. Los tubos estn unidos a las placas, lo que se saca es la tapa. 4: carcasa y cabezal soldados en la placa

Carcasa (S-S1) E: 1 paso F: 2 pasos J: flujo dividido G: flujo partido K: Kettle

Como va tomado el cabezal en la parte trasera (Y) 3: empaquetado del lado de los tubos e integral del lado de la carcasa 4: integral a ambos lados 5F: cabezal flotante extrable (T) 6F: cabezal flotante con anillo de apoyo (S) 7C: empaquetadura exterior cabezal flotante (P) 8B-8C: paquete flotante, tubos con anillo interno (W)

Cabezal posterior (Z)

C: canal de cubierta desmontable B: canal de cubierta integral bonete R: canal reductor U: tubos en U

Para nombrar un IC con normas HEI no se hace referencia al tamao. Nomenclatura: V W S Y Z Ejemplos: R 4 5 3 R - C 1 Sd 5 F

Conductividad trmica de Materiales Mecanismos de conduccin.

Gases: por colisiones moleculares y difusin molecular. La conductividad trmica depende de la temperatura y del peso molecular, no as de la presin. Lquido: por colisiones moleculares y difusin molecular. Las molculas pequeas son mas conductoras. La excepcin es el agua por eso se utiliza vapor como medio calefactor. Slidos: por vibracin de la red atmica y flujo de electrones. Forman una red cristalina con canales por los cuales hay flujos de electrones y por efecto de la temperatura, la red vibra.

Cuando menor conductividad, mas aislantes. Las conductividades ms altas las tienen los materiales mas ordenados. El grafito tiene una buena conductividad trmica debido a su estructura altamente ordenada. Se desordena la estructura y tiene a bajar K. La conductividad trmica de una aleacin es generalmente mucho menor que la de sus componentes puros. Las aleaciones son muy tiles por la forma de trabajar, soldarse, mayor resistencia a la corrosin y mayor tensin admisible. Las conductividades no son aditivas. K.Fe= 83 W/mC , K.Cr= 95 W/mC y la conductividad de un acero con un 1% de cromo es de 62 W/mC. Difuividad trmica: Representa cuan rpido se difunde el calor por un material (capacidad de almacenamiento o acumular calor) y se define como:

Para obtener un material con una difusividad trmica deseada se juega con la conductividad (k) y el Cp de los componentes. La mayor difusividad trmica se obtiene con materiales de muy alto valor de k y con bajos Cp y bajas densidades.

La difusividad trmica da una idea de cun rpido el calor puede pasar o ser retenido. A mayor , mayor velocidad de propagacin de calor en el medio. El calor, mas que almacenado, es conducido. Cp* es la capacidad calorfica (que tan rpido puede pasar el calor por el material).

Partes de un intercambiador de carcasa y tubos

1. Tubos 2. Placas 3. Carcasa 4. Cabezales 5. Bafles 6. Platos o Varillas de choque 7. Fajas laterales 8. Tubos ciegos 9. Soportes

1. Tubos: a pesar de que en la bibliografa se hable de tubos, en nuestro pas se habla de caos ya que stos son los elementos adecuados para la conduccin de fluidos. Dimetros comunes: 3/4 mnimo para tubos rectos. 1 mnimo para tubos en U y cuando hay ensuciamiento. 1 1/5 y 2 . Espesor: regido por la norma BWG (Birminghan Wire Gage), los espesores mas comunes 18 (0.049) a 10 (0.134). Mientras mas grande el numero BWG mas chico es el espesor. Longitudes: los mas comunes son 8, 10, 12, 16 y 20 pies (este ltimo es el ms comn: 6m). No hacerlos mayores a 6m ya que los tubos comienzan a pandear, se tocan, y se pinchan. Tubos Vs. Caos

Tubos de Acero Caos de Acero Usos estructurales y mecnicos Usos para conduccin de fluidos Norma MERCOSUR 02-517 Norma IRAM-IAS U 500-2592 Norma ASTM A 5183

Norma ISO 65 Norma Mercosur 20-207 Norma IRAM-IAS U 500-2613 (fija la cdula) Norma IRAM-IAS U 500-2505 Norma ASTM A 53 Norma API 5L

Se dimensionan por sus medidas exteriores reales (ej. 3 = 76.2 mm).

Se dimensionan por su dimetro nominal (ej. 3 = 88.9 mm).

Para cada medida no tienen espesores fijos. Se usa cualquier relacin dimetro/espesor siempre que sea compatible y factible de fabricar.

El espesor est normalizados (serie o Schedule).

Frecuentemente se usa la norma BWG P: presin del fluido conducido S: tensin admisible del acero

Pueden ser de seccin circular, cuadrada, rectangular, ovalada, triangular, hexagonal, octogonal, etc.

La seccin es siempre circular.

Se venden por kilo. Se piden por el dimetro exterior.

Se venden por metro. Se piden por el dimetro nominal.

El dimetro exterior de los caos obedece a medidas que fijan las dimensiones de las roscas: Norma IRAM 5063 (argentinas), NPT y API (americanas).

IRAM: Instituto Argentino de Normalizacin IAS: Instituto Argentino de Siderurgia ASTM: American Standards for Testing and Materials API: American Petroleum Institute

Arreglo de Tubos: un arreglo de tubos queda definido por su tipo, por el dimetro de tubos y por su paso.

P: distancia de centro a centro entre dos tubos.

a) Cuadrado:

Hay mucha rea libre entre para circular ya que hay un espacio grande entre tubos. Se usan cuando hay ensuciamiento del lado de la carcasa; se pueden cepillar los tubos del lado de afuera o limpiar mecnicamente (chorro de arena).

Se usan para diseos que estn al lmite de la prdida de carga. Dejan pasar el fluido sin mayor resistencia.

b) Cuadrado Rotado:

Disminuye el espacio para el paso del fluido, por lo que aumenta la turbulencia, aumenta h, pero tambin aumenta la prdida de carga. (Si el fluido es laminar se coloca del lado de la carcasa para aumentar la turbulencia)

Se usa cuando hay ensuciamiento del lado de la carcasa.

c) Triangular:

Se pueden meter mas tubos con este arreglo que con uno cuadrado, permitiendo que se reduzca el dimetro de la carcasa. Se usan cuando no se espera ensuciamiento de la carcasa, ya que no quedan espacios para limpieza (no se pueden limpiar mecnicamente). Producen mayor turbulencia, mayores h, tienen mayor trasferencia de calor, pero tambin tienen mayores prdidas de carga.

d) Triangular Rotado:

El fluido siempre encuentra tubos en su camino, a diferencia de los cuadrados. Se prefiere ste arreglo frente al cuadrado rotado ya que tiene mayor performance trmica.

Nmero de pasos por los tubos: Generalmente se calculan como el nmero de tubos/nmero de pasos. Si hay platos de choque, estos producen distribuciones aritmticas. El nmero de pasos en cada lado es determinado por:

I. Servicio II. Carga trmica

III. Temperaturas terminales IV. Sentido o direccin de la transferencia de calor (si el fluido calienta o enfra) V. Caudales

VI. Rango de velocidades admitidos (sobre todo en tubos) VII. Proteccin anti-choque y anti-vibracin del lado de la carcasa. Me obliga a sacar una fila de tubos

VIII. Cadas de presiones admisibles. Cuanto mas vueltas tenga el fluido, mayor perdida de carga IX. Arreglo de tubos X. Requerimientos de espacio. En algunos casos se prefieren mas pasos y menores carcasas

XI. Restriccin de temperatura paso a paso. En cada paso en el intercambiador el fluido aumenta o baja su temperatura. Si los gradientes trmicos son importantes se pueden generar tensiones indeseadas sobre la placa de los tubos; se aconseja particionar a los cabezales de tal modo que en dos sectores contiguos la diferencia de temperatura del fluido no supere lo 28K.

XII. Requerimientos de drenaje y venteo El lmite prctico de pasos es de 16 (por complicaciones en el diseo del cabezal y en mantenimiento). Generalmente son nmero pares de pasos porque as las condiciones de entrada y salida se encuentran en el mismo extremo facilitando el tendido de caeras. 2. Placas: donde se incrustan los tubos. Generalmente son del mismo material que los tubos para que resistan lo mismo, pero cuando se usan materiales caros para los tubos, las placas suelen hacerse de un material barato (acero al carbono, por ej.) y luego se recubren con la aleacin de los tubos. La fijacin de los tubos a las placas puede ser por expansin de los tubos o por unin por soldadura. 3. Carcasa: generalmente de aceros al carbono, pero tambin suelen hacerse de materiales caros. Se pueden reducir costos mediante recubrimientos. Para dimetros hasta 24 se hacen caos estndares, para dimetros mayores se hacen con chapas. Cuando el material de los tubos (material caro) y de la carcasa (material econmico) son distintos, se colocan juntas de expansin para absorber las distintas dilataciones. Si el producto es corrosivo se puede realizar una pintura epoxi, de vidrio, etc. Clculo del espesor de la carcasa:

t = espesor de la carcasa p = presin gauge en la carcasa = tensin admisible del material El espesor aumenta cuando se incrementa el dimetro, dando mayores costos. Aumenta la presin, aumenta el espesor, aumenta el costo.

4. Cabezales: se usa el mismo criterio que para las placas (interesa el recubrimiento). Particin de los cabezales: Recorrido del fluido dentro de los tubos (4 pasos por tubos).

5. Bafles: discos que se colocan perpendiculares a los tubos y soportan a los mismos, previniendo la vibracin. Orientan el movimiento del fluido en direccin perpendicular al eje de los tubos. Se pueden colocar de forma vertical, horizontal o rotada.

De forma vertical producen un serpentn. De forma horizontal producen un sube-baja del fluido, una buena turbulencia y no permite acumulacin y estatificacin. Se usa para fluidos de una sola fase.

Las formas verticales y rotadas se usan para fluidos de dos fases, que se evaporan o condensan del lado de la carcasa. Por ejemplo, si se condensa el lquido, el vapor al pasar puede arrastrar gotas de lquido al entrar en contacto con l. Se usan este tipo de bafles ya que la corriente hace un zigzag y no levanta lquido del fondo. La funcin de los bafles es hacer que el lquido haga un camino sinuoso y cruce el paquete de tubos en forma cruzada. Tanto el corte como el espaciado de bafles tienen esa finalidad. Generalmente son del mimo material que la carcasa y las normas dan la cantidad, el dimetro, el corte, etc. a utilizar. Puede utilizarse IC sin bafles, aunque el coeficiente de transferencia de calor sea pequeo debido a que el fluido pasa muy rpido. Tipos de bafles:

a) Segmentado Simple: tiene una alta prdida de carga por el cambio de direccin. b) Segmentado Doble: tiene menos prdida de carga que la anterior y una buena desviacin. Puede usarse vertical u horizontal. c) Segmentado Triple: tiene menos prdida de carga que el anterior. Cuando ms brusco es el cambio de direccin, mayor es la perdida de carga (la cada de presin depende del corte del bafle). d) Bafle Segmentado sin tubos en la ventana: el espacio entre bafles asegura que no vibren los tubos. No quedan muchos espacios sin soportar. Se unas cuando hay gases o fluidos que van a gran velocidad. e) De Disco y Corona: se colocan alternados para reducir la perdida de carga. Eliminan corriente de bypass entre el paquete y la carcasa.

f) Bafle Tipo Orificio: el fluido pasa por el espacio entre el tubo y el bafle, lo que implica una alta perdida de carga. No permiten flujo cruzado. No se usan mucho, se usa cuando se trabaja con gases para que los tubos no vibren g) Bafles en Espiral: genera un flujo en tirabuzn.

Ventajas: Aumenta la turbulencia. Disminuye el ensuciamiento. Aumenta el tiempo de funcionamiento del equipo. Disminuye las prdidas de carga (con gases se puede reducir hasta un 50%). Evita las corrientes C y E de los equipos con bafles segmentados. Hacen ms efectivo el equipo y le disminuyen el tamao (puede ocurrir que en vez de dos equipos necesitamos solamente uno). No deja zonas muertas. Desventaja: costo elevado de armado, que se compensa con la elevada eficiencia.

V H R

La grfica muestra el tiempo de corrido del equipo (hasta que pierde su eficiencia para el uso) con bafles en espiral, en comparacin con segmentados. Se ve que un bafle convencional tiene mucho menos tiempo de uso que uno en espiral; el tiempo de funcionamiento puede incrementarse un 50% empleando bafles en espiral. El tiempo de uso se relaciona directamente con el ensuciamiento. Si consideramos que el bafle en espiral genera mayores turbulencias, genera menor ensuciamiento en comparacin con los segmentados. h) Otros tipos:

- Corte vertical con oreja: utilizados para condensadores y flujos de dos fases. Tambin son llamados bafles de represa.

- Bafle tipo varilla: son dos discos con varillas de hierro intercalados. De esta forma se evita la vibracin de los tubos.

- Otros: bafles que presentan una mueca para evitar que el liquido se acumule cuando hay condensado. No siempre el bafle esta unido a la carcasa. Cuando tengo tubos removibles la distancia entre el bafle y la carcasa es mayor.

Se debe tener en cuenta que la cada de presin no solo depende del tipo de bafle, sino tambin de la velocidad y de las propiedades del fluido. Corte del bafle: Se expresa como la relacin entre la altura del segmento libre sobre el dimetro interior de la carcasa. Regula la velocidad del fluido y es importante para la prdida de carga y transferencia de calor. Se pretende que la velocidad de fluido sea lo ms uniforme posible, se mantenga constante.

Los cortes del bafle varan entre el 15% y el 45%. Si el corte es muy pequeo (15%) estrangula, se produce una aceleracin grande, la energa se gasta

en la ventana, el fluido se expande, quedan muchos remolinos y luego se vuelve a contraer. Si el corte es grande, quedan zonas muertas donde se acumula lquido y partculas en suspensin. No tiene gran prdida de carga, hay grandes reas de baja velocidad. El corte ptimo se da entre el 20-30%. Da el mejor rendimiento, una circulacin ordenada y se minimizan las zonas muertas. Separacin de los bafles: Determina la velocidad efectiva del fluido que va por la carcasa, y por lo tanto tiene la mayor influencia sobre la perdida de carga por la carcasa. Es crtico en cuanto a la perdida de carga y como se distribuyen las corrientes. Lo ideal sera que sean todos los espaciados iguales al central, pero a veces no se puede. Mientras estn ms juntos los bafles, aumento la transferencia de calor pero tambin la prdida de carga. Los bafles segmentados no deben esta a menor distancia que 1/5 del dimetro de la carcasa o 50.8 mm (lo que sea mayor). El mximo espaciado se calcula como: B=74 d00.75, siendo do el dimetro exterior del cao usado.

Efecto del corte y del espaciado de los bafles:

a) Pequeo corte de bafle b) Corte de bafle grande c) Pequeo espaciado de bafle d) Espaciado de bafle grande e) Corte y espaciados ideales

Los remolinos representan corrientes parsitos, es decir, corrientes que quedan en el lugar, que no se mezclan ni se van. a), b), c) y d) aumentan la cada de presin y disminuyen la transferencia de calor. En la e) se ve el corte y espaciado ideal. Es necesario que no haya demasiada diferencia con el rea de flujo entre la ventana y el rea de flujo entre el tubo.

Se observa que si se reduce el espaciado de bafles, P aumenta mucho mas rpido que h. Aumenta V, aumenta turbulencia, aumenta h, aumenta P. El espaciado ptimo de bafles est:

Velocidades del flujo cruzado y del flujo en la ventana del bafle: Debe ser lo mas parecido posible, preferiblemente dentro del 20%. Si difieren mas de eso, las repetidas aceleraciones y desaceleraciones a lo largo del equipo resultan en una deficiente conversin de la P en transferencia de calor. Efecto del nmero de bafles

Se observa que el fluido golpea al bafle y cambia de direccin, por lo tanto el espaciado de la carcasa detrs del bafle no es efectivamente usado para flujo cruzado como se marca en los crculos. Las zonas de recirculacin aparecen en esas regiones como se observan en la figura de abajo. A medida que aumentan, mejoro en intercambio.

6. Platos o varillas de choque: se utilizan para que el fluido no pegue directamente con el cao. Se colocan cerca de la boca de entrada, entre las placas y el primer bafle. Se usan si el fluido tiene arena, burbujas, catalizadores o flujo muy fuerte ya que pueden provocar desgaste de los tubos. Tambin se los utiliza para que no vibren los tubos. 7. Fajas laterales: se colocan entre el paquete de tubos y la carcasa, para que el fluido que se desva del empaque vuelva al centro. Cortan la corriente que circula fuera de los tubos. Se pueden colocar tantos como uno quiera. Sirven para mejorar la eficiencia del equipo. 8. Tubos ciegos: para completar espacios vacios y que el fluido no se desve. 9. Soporte

Vista interna del IC con bafles, soportes y fajas longitudinales.

Ubicacin de los fluidos Se refiere a los criterios a tener en cuenta para colocar los fluidos en el intercambiador. Par establecerlos, no solo se tienen en cuenta los factores econmicos sino tambin la operatibilidad. Los factores a tener en cuenta son:

1. VISCOSIDAD: es mejor la transferencia de calor si el fluido viscoso va por la carcasa. Por la carcasa se logra un flujo turbulento con mayor facilidad. (Nre entre 100 y 200)

2. FLUIDOS TOXICOS: deben ir por los tubos, incluso pueden emplearse dispositivos de doble placa para que si se picha el tubo no caiga el fluido al piso. Hay mayor seguridad.

3. CAUDAL: poniendo el fluido con menor caudal del lado de la carcasa generalmente se da un diseo ms econmico. Tambin puede evitar el uso de mltiples pasos. Si el de bajo caudal va por los tubos, puede llenar solo una parte de los mismos y como no hay turbulencia puede generar ensuciamiento.

4. CORROSIN: se necesita menos material costoso si el fluido corrosivo va por los tubos. Si el corrosivo va por la carcasa hay que reforzarla (tambin los tubos, las varillas, los bafles, etc.) con materiales caros para hacerlos mas resistentes. Si va por los tubos solo se refuerzan tubos, placas y cabezales.

5. ENSUCIAMIENTO: el fluido q ensucia debe ir por los tubos ya que al tener mayor velocidad se minimiza la deposicin. Si no hay turbulencia hay mas ensuciamiento (mas factible la deposicin). Podra pasarlo por carcasa si se emplea limpieza qumica, pero estos productos podran causar corrosin.

6. TEMPERATURA: las altas temperaturas requieren materiales caros y se ahorra mas poniendo el fluido caliente del lado de los tubos.

7. PRESION: a menor dimetro hay una mayor resistencia a la presin, por lo que si el fluido de alta presin fuese por la carcasa esta debera ser de un espesor excesivo; por lo tanto, el fluido a presin debe ir por los tubos. Adems, los tubos aguantan mucho mas la presin interna que la presin externa; si tuviesen presin externa (del fluido de la carcasa) puede colapsar hacia adentro.

8. CAIDA DE PRESION: si un fluido tiene una cada de presin admisible baja debe ir por los tubos, y con mas razn si la estimacin precisa de P es importante, ya que si fuese por carcasa al haber tantas cosas aumenta la prdida de carga.

Generalmente, un fluido que ensucia es viscoso, por lo que debo llegar al compromiso. Finalmente, se deben realizar diseos diferentes y hacer la comparacin de costo.

Ensuciamiento (FOULING) Es uno de los parmetros mas importantes para el diseo trmico y mecnico. Si hay ensuciamiento, adems de aumentar la resistencia trmica, aumenta la perdida de carga, la potencia de bombeo requerida y disminuye la capacidad de trabajo del IC. Por esto que, si se espera ensuciamiento, se calcula el IC mas grande (con un cierto margen). El ensuciamiento puede provocarse por:

- POR PRECIPITACIN (incrustaciones): sales que se van depositando. Reducen el rea del cao (seccin del tubo) formando una capa muy dura que se puede atacar con cidos. Si se utiliza agua de pozo hay que tratarlas antes si se aumenta la temperatura o utilizarlas a menos de 50C, para que no se forme sarro, y la velocidad no debe bajar los 3 m/s para que no se depositen.

- POR DEPOSICIN DE PARTCULAS EN SUSPENCIN: se depositan en el cao reduciendo la seccin. Aumentando la velocidad del flujo se puede remover, pero si se endurece no.

- POR REACCION QUIMICA: entre los componentes del material con el fluido. Es decir, el fluido reacciona y el material del IC funciona como catalizador

- POR CORROSIN: si se pica el cao, los restos de los mismos pueden ir a depositarse a otro lado. La superficie queda irregular. (Se produce el deterioro en un lado, y el slido que se levanta se deposita en otro lado)

- POR CONGELACION: por ejemplo, grasas o algunos componentes de alto punto de fusin que cristalizan y depositan.

- POR DEGRADACION TERMICA: por ejemplo, cuando se calienta leche, se degradan protenas y se ensucian las paredes.

Proceso de ensuciamiento: El ensuciamiento consta de cinco etapas fundamentales:

1. INICIACIN O INDUCCIN: depende de la temperatura de la superficie, tipo de fluido, material y presencia de recubrimientos (que eviten el pegado, vidrio, teflonado). Preparacin del terreno para ver si estn dadas las condiciones de ensuciamiento.

2. TRANSPORTE: de sustancias desde el seno del fluido hasta la superficie de transferencia de calor (paredes). Se puede dar por difusin, sedimentacin y termofresis. Este ltimo es el movimiento de pequeas partculas en una corriente de fluido cuando hay un gradiente de temperatura. Las paredes calientes repelen las partculas coloidales y las fras las atraen. Es importante para partculas de menos de 5 m de dimetro y se hace dominante alrededor de los 0.1 m.

3. FIJACIN: parte del material transportado se fija a la superficie. Factores importantes: fuerzas sobre partculas y propiedades del material (densidad o tamao) y condiciones de la superficie. No todo queda fijado, depende del tipo de material; si es grande, se da por sedimentacin, si es chico, por termofresis.

4. REMOCIN: algo de material depositado es removido inmediatamente (casi sin llegar a depositarse) y otro es removido mas tarde. Las fuerzas cortantes en la interfaz entre el liquido y la capa de ensuciamiento son las responsables de la remocin y dependen de los gradientes de velocidad, de la viscosidad de los fluidos y de la rugosidad de la superficie. Los mecanismos propuestos para la remocin son:

- Disolucin: cuando se disuelve, el material pasa a forma inica (cambio de temperatura, pH) - Erosin: el material esta en forma particulada y es afectado por la velocidad del fluido, el

tamao de partcula, la rugosidad del material y adherencia del material. - Cuarteado: el material existe como una gran masa y es afectado por estrs trmico. El

material se deposita en la superficie y se hace una sola capa que se cocina y endurece. La capa de sarro ofrece resistencia al paso de calor. Al bajar el rendimiento, se aumenta la temperatura y la capa se cuartea y hace una grieta. Como hay una temperatura muy alta en la pared, el agua que entra por la grieta toca la superficie y se vaporiza violentamente. Si se trata de una caldera, puede explotar.

5. ENVEJECIMIENTO: empieza luego del depositado. Hay cambios en la estructura cristalina del depsito. Por ejemplo, el envenenamiento lento de los microorganismos debido a la corrosin puede debilitar la capa de ensuciamiento. Tambin puede ocurrir que una reaccin qumica modifique la resistencia mecnica de la capa. Otro ejemplo seria una capa de microorganismos, los

que estn abajo, pegados a la superficie, quedan sin oxgeno y mueren. Esto puede producir la remocin de la capa de ensuciamiento.

Los IC se pueden limpiar qumica o mecnicamente. El primero con productos qumicos, pero sin que produzcan erosin, avero de juntas, etc. El segundo a travs de chorros de arena, cepillado. Por ejemplo, si usamos vapor condensante, esto no va a ensuciar y se puede poner un IC de placas fijas. Si tenemos un fluido que ensucia debemos usar paquetes de tubos removibles y arreglo de tubos en cuadrado o cuadrado rotado. Prediccin del ensuciamiento: La variacin del ensuciamiento con el tiempo puede expresarse como la diferencia entre una velocidad de deposicin d y una velocidad de remocin r.

Rf = tolerancia de ensuciamiento dRf/dt = velocidad de crecimiento de la resistencia

Grfica de la evolucin del ensuciamiento en funcin del tiempo. CURVA A: Lineal. Ensuciamiento acumulativo, permanente. d es constante y r es despreciable. CURVA B: Velocidad decreciente. Alcanza un determinado valor y luego la capa de ensuciamiento comienza a soltarse. CURVA C: Asinttica. d y r alcanzan un equilibrio. Cuando se

ensucia, el dimetro del tubo disminuye, aumenta la velocidad y esto genera el desprendimiento de la capa, no la deja crecer y se mantiene constante en el tiempo. (Como disminuye la seccin de paso del fluido, aumenta la velocidad y arrastra la ltima capa formada, por lo que el espesor se mantiene constante). CURVA D: Condiciones de operacin variables. El punto desde donde arrancan todas las curvas se denomina TIEMPO DE INDUCCIN y es el tiempo necesario para que comience a formarse la capa. Costos del ensuciamiento: El ensuciamiento causa prdidas econmicas porque impacta en el costo inicial (al tener menos dimetro, hay que disear el equipo sobredimensionado, con mayor rea), en el costo de operacin (paradas, limpiezas, bombeos), en el rendimiento trmico y en la eficiencia. Los IC deben pararse, no porque dejen de cumplir los requerimientos trmicos, sino por la excesiva perdida de carga. Entonces, el ensuciamiento introduce un costo adicional. Estos son: (1) mayor inversin del capital inicial, se requiere mas rea. La ecuacin q = U*A*T incluye Rf, dando un U mas chico. (2) mayor costo de mantenimiento, para limpiarlo hay que desarmar, cepillar. Se puede usar chorros de arena o productos qumicos. Normalmente se calcula el equipo para que funcione un ao antes de que deba ser limpiado. (3) menor produccin, debido a las paradas del equipo. (4) prdidas de energa, se necesita bombear con mas fuerza. (5) prdida de eficiencia, no se llega a la temperatura deseada. Factores operacionales que influyen sobre el ensuciamiento: TEMPERATURA: a mayor temperatura, mayor ensuciamiento CAUDAL: a mayor caudal, menor ensuciamiento TIPO DE SUPERFICIE: debe ser plana, sin rugosidades ni poros para que no se adhieran las partculas. Recubrimiento electroltico. PH: influye en el grado de precipitacin.

Dispositivos mecnicos para minimizar el ensuciamiento -Bafles helicoidales -Tubos retorcidos:

-Dispositivo para generar turbulencia: Materiales Cuando se espera ensuciamiento, los materiales a utilizar son:

Material Anticorrosin (resistente a fluidos de proceso y/o de limpieza) Materia Anti-erosin (resistente al desgaste por la velocidad del fluido):

- Titanio, - Acero Inoxidable, - Aleacin Cobre-Nquel (83:17:0.4 Cr) (Alloy C72200 diseada especialmente para

anticorrosin y anti-erosin) Materiales para prevenir o evitar ensuciamiento biolgico

- Aleaciones con mas del 70% de cobre - Aleacin Cobre-Nquel 90:10 (Alloy C70600) - Aleacin Cobre-Nquel 70:30 (UNS 71500)

Lmites de Erosin Mxima velocidad Las velocidades mximas que puede tener un flujo de AGUA, sin causar erosin, en tuberas de diversos materiales son:

- Acero de bajo carbono: 3 m/s - Acero inoxidable: 4.6 m/s - Aluminio: 1.8 m/s - Cobre: 1.8 m/s - Cobre-Nquel 90:10: 3 m/s - Cobre-Nquel 70:30: 4.6 m/s - Titanio: > 15 m/s

Para el clculo de la mxima velocidad permitida, de otros lquidos o gases, se considera:

Vibracin de los tubos Los tubos son inducidos a vibrar por el flujo, por induccin hidrulicamente acoplada y por induccin mecnicamente acoplada. La causa mas frecuente de vibracin es el fluido que va por carcasa (principalmente con gases). El fluido que va por los tubos no produce vibraciones y con lquidos no hay muchos problemas. Los tubos de un IC estn soportados en sus extremos por las placas tubulares y en posiciones intermedias por bafles. Los tubos cerca de la entrada son los que mas vibran, y para protegerlos se suele utilizar platos ciegos. En el punto donde los tubos vibran, se tocan y comienzan a desgastarse hasta que se logra un agujero. Los tubos que estn abajo y arriba estn desfavorecidos comparados con los que estn soportados. Mientras mas grande sea el espaciado de bafles, los tubos quedan menos soportados y vibran mas fcilmente. Las vibraciones dependen de: caudal, materiales de tubos y bafles, tamao y espacios de tubos no soportados, disposiciones de los tubos, dimetro de la carcasa y configuraciones de entra/salida. La frecuencia natural de vibracin de un tubo, esta dada por:

BP: espaciado de bafles E: mdulo elstico del material del tubo I: momento de inercia de las secciones transversales del tubo m: masa por unidad de longitud del tubo C1: cte. que vale 1.57 entre bafles y 2.45 entre bafle y placa (extremo rgido)

Si la frecuencia de excitacin (W) se acerca a la frecuencia natural de vibracin (Wo) del tubo se produce RESONANCIA y la amplificacin de la oscilacin se hace muy pronunciada. Lo ptimo es que Wo sea alta y que W/Wo sea menor que 0.75. Si se coloca una distancia grande entre bafles (aumenta BP), Wo disminuye y como no nos conviene llegar cerca de este, debemos achicar BP. TURBULENCIA DE VON KARMAN: son remolinos que se generan aguas abajo, luego de pasar fluido por un objeto sumergido. Producen zonas de baja presin que a su vez producen fuerzas sobre el tubo del tipo cclicas y de igual frecuencia que la formacin de remolinos. La frecuencia depende de la velocidad del fluido y de la geometra del haz de tubos, y es inversamente proporcional al espaciado de bafles. W = f (velocidad, arreglo de tubos y BP). INDUCCIN HIDRULICAMENTE ACOPLADA: es causada por:

- Vibraciones en la bomba o compresor (cuando la bomba funciona mal, todo se transmite al fluido) - Cachetazos del rotor - Flujos pulsantes (cuando no son bombas centrfugas) - Oscilaciones de la vlvula de control (las vlvulas que abren y cierran producen vibraciones, ondas)

INDUCCIN MECNICAMENTE ACOPLADA: es causada por la energa que entra a travs de soportes y caeras, similar a la energa que produce la vibracin de un edificio cuando pasa un camin. El equipo no est suelto, est en el suelo y las vibraciones de este llegan al equipo. Efecto de las vibraciones Las vibraciones pueden producir pinchaduras de dos caos vecinos por contacto debido a las vibraciones, desgaste del tubo por rozamiento con el bafle, roturas de los tubos en la unin con las placas, rotura de la soldadura tubo-placa, ruidos desagradables, aumento excesivo de la perdida de carga. Se gasta mucha energa en la vibracin.

Soluciones posibles para las vibraciones

- Reducir la velocidad del fluido que entra a la carcasa, como as tambin dentro del paquete de tubos. (disminuye la prdida de carga. Esto se logra colocando bafles).

- Cambiar la disposicin de los tubos y el espaciado de los bafles. Es conveniente arreglo cuadrado o cuadrado rotado, no el triangular. Disminuir espaciado de bafles.

- Cambiar el tipo de bafle o agregar bafles que eliminen vibraciones - Reducir la longitud no soportada - Disear sin tubos elementales - Usar diseos especiales como IC con varillas y bafles. En estos casos usamos bafles tipo varilla

alternados. El tubo queda aprisionado (encerrado) para evitar la vibracin. Tambin se pueden usar bafles que no tienen tubos en la ventana, reduciendo as la longitud no soportada. Los balfes tipo varilla, adems de funcionar como soporte para los tubos, generan un flujo mas turbulento y mejor mezclado.

Relacin entre transferencia de calor y potencia de bombeo requerida La potencia de bombeo es proporcional a la prdida de carga del fluido a travs del IC, y la potencia de bombeo por unidad de rea de transferencia [W/m2] es:

P: potencia p: potencia de la bomba A: rea : densidad k: conductividad trmica : viscosidad del fluido h: coeficiente pelicular Dh: dimetro hidrulico C: 1.2465x104

Como puede verse, la potencia de bombeo depende fuertemente de las propiedades del fluido, como asi tambin del dimetro hidrulico del conducto.

Conclusiones:

- Con fluidos de alta densidad (lquidos) se puede operar el IC con grandes valores de h si excesivos requerimientos de bombeo

- Un gas, debido a su baja densidad, requiere altas potencias de bombeo para valores muy moderados del coeficiente de transferencia de calor. Los gases tienen bajos h y para mejorarlos se usas superficies extendidas.

- Un gran valor de viscosidad causa que la friccin sea grande, an si la densidad es elevada. Por ello, los IC que traten aceites deben disearse para valores bajos de h para poder mantener los requerimientos de bombeo dentro de un rango aceptable.

- Los metales lquidos con valores muy altos de conductividad trmica requieren bajas potencia de bombeo

- Pequeos valores de dimetro hidrulico (Dh) tienden a minimizar las potencias de bombeo

Tcnicas para aumentar la transferencia de calor Pueden clasificarse como:

METODOS PASIVOS: son los que no requieren la aplicacin directa de una fuente externa de potencia

METODO ACTIVOS: son los que requieren potencia externa

La efectividad depende del modo de transferencia de calor, que puede caer entre conveccin libre de una sola fase hasta ebullicin compleja.

METODOS PASIVOS METODOS ACTIVOS

- Superficies tratadas - Superficies rugosas - Superficies extendidas - Dispositivos de mejora por desplazamiento - Dispositivos de remolino - Dispositivo para tensin superficial - Aditivo para lquidos - Aditivos para gases

- Ayudas mecnicas - Vibracin de la superficie - Vibracin del fluido - Campos electrostticos (CC CA) (pueden

combinarse un campo elctrico con un campo magntico)

- Inyeccin - Succin

Cualquiera de estas tcnicas puede usarse simultneamente con otra, con efectos aditivos (aumentacin compuesta).

El criterio de seleccin es muy difcil ya que numerosos factores influencian la ltima decisin.

La mayora de los factores son econmicos: costo inicial, costo de operacin, costo de mantenimiento, etc. adems de confiabilidad y seguridad.

USO DE MLTIPLES CARCASAS

Las carcasas pueden ser utilizadas de las siguientes formas:

1. MULTIPLES CARCASAS EN PARALELO

Se usan cuando el rea necesaria para la transferencia de calor es demasiado grande para ser acomodado en una sola carcasa (esto solo se aplica a cabezales flotantes o tubos en U ya que es muy complicado el manipuleo de los paquetes de tubos).

En grandes refineras y plantas petroqumicas, los paquetes de tubos se limitan a 10 toneladas, lo que equivale decir 450 500m2 de rea. Algunas plantas grandes permiten paquetes de tubos de hasta 15 o 20 toneladas.

Con los IC de placas fijas no hay limitaciones de peso y se pueden poner hasta 2000 m2 o ms de rea de transferencia de calor en una sola carcasa.

Tambin se pueden usar carcasas en paralelo para mejorar el control, por ejemplo cuando los caudales varan mucho se pueden anular algunos IC si el caudal disminuye.

2. MULTIPLES CARCASAS EN SERIE

Para el uso de mltiples carcasas en serie se deben considerar dos aspectos muy importantes:

- Condiciones de cruce de temperatura: se define como cruce de temperaturas el hecho de que la temperatura de salida de la corriente fra sea mayor que la temperatura de salida de la corriente caliente. Si hay un cruce de temperaturas se deben usar varias carcasas en serie. El nmero de carcasas en serie depender del tamao del cruce de temperaturas. Cuando mayor sea el cruce, mayor ser el nmero de carcasas requeridas. Grficamente sera:

T2 = temperatura de salida del fluido caliente. t2 = temperatura de salida del fluido caliente Notar que en cada carcasas T2 = t2. Aqu T nunca es menor que t. no hay cruce, por lo tanto la transferencia de calor puede hacerse en una sola carcasa.

- Utilizacin de la cada de presin: hay ocasiones en que el caudal del fluido que va por la carcasa es tan

bajo que con una sola carcasa y aun con bafles puestos tan cerca como sea posible (25-30% del dimetro interno de la carcasa) la cada de presin es excesivamente baja y por lo tanto tambin lo ser el coeficiente de transferencia de calor. En estos casos, puede ser conveniente usar dos (o ms) carcasas en serie ya que esto puede resultar en un diseo ms barato ya que se alcanza un mayor coeficiente de transferencia de calor en la carcasa.

3. MULTIPLES CARCASAS EN SERIE/PARALELO

A veces no se puede ni en paralelo ni en serie y se tiene como nica opcin un arreglo serie/paralelo. Por ejemplo: el enfriado de un fluido por la carcasa.

Los problemas pueden ser de varios tipos, por ejemplo: aumenta mucho su viscosidad. Esto hace que las corrientes de perdida (especialmente la E) tengan mucho importancia bajando el coeficiente de transferencia de calor. La cada de presin se puede manejar bien con dos carcasas, pero la de los tubos no. Peor an, no se puede reducir el caudal del agua de enfriamiento.

T2 = t2

T2 = t2

T2 > t2

T2 = t2