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INSTALACIONES TÉRMICAS, MECÁNICAS Y FRIGORÍFICAS

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Ing. Carlos Barrera - 2018

Ing. Carlos Barrera-2018

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Hoja 2

INSTALACIONES TÉRMICAS

MECANICAS Y FRIGORIFICAS

Intercambiador Tubo en Tubo


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Hoja 3



Ventajas Desventajas

Manejan altas presiones Mayor costo de fabricación

Disponibles en distintos tamaños

Mantenimiento sencillo

Cantidad de superficie útil de intercambio de calor es fácilmente modificable


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Hoja 4




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Hoja 5



Combinaciones para intercambiadores doble tubo


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Hoja 6



Calor a intercambiar por hora

q: Flujo calórico

Caudal másico fluido frío.

Calor especifico fluido frío correspondiente a su temperatura promedio.


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Hoja 7



Caudal másico del fluido calefactor

Caudal másico fluido caliente.

Calor especifico fluido caliente correspondiente a su temperatura promedio.


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Hoja 8



CALCULO DE LA MLDT


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Hoja 9



TEMPERATURAS CALORICAS

Si no hay fluido viscoso en ambas corrientes en el cabezal frio (viscosidad < 1 cp)y que el rango de temperatura no excede de 50º a 100º F, que corresponde a 10º a38º C, y la diferencia de temperatura en el cabezal frío es menor de 50 ºF.Bajo estas condiciones de funcionamiento las temperaturas calóricas del fluido fríoy del fluido caliente pueden tomarse como sus temperaturas promedios.


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Hoja 10



AREA DE FLUJO DEL TUBO INTERIORAdoptamos un tubo interior de diámetro nominal, el cual se selecciona de tablas.


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Hoja 11



AREA DE FLUJO DE LA SECCION ANULAR

Debemos adoptar un diámetro nominal comercial para el tubo exterior. Se sugiererespetar las siguientes relaciones de diámetros nominales entre el tubo exterior einterior

Diámetro nominal tubo exterior (inch)

Diámetro nominal tubo interior (inch)

2 1 ¼

2 ½ 1 ¼

3 2

4 3

Aa: Área de flujo de la sección anular

Ai: Área de flujo del tubo interior


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Hoja 12



DISPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS EN LOS TUBOS DEL INTERCAMBIADOR

Criterio técnico

Para iguales caídas de presión admisible en ambos fluidos, ladecisión de cómo se disponen los mismos en los tubosdepende de que en ellos se obtenga casi iguales velocidadesde masa

Se sugiere que la caída de presión admisible para cada fluido sea de 5 a 10lb/pulg2Se recomienda colocar la corriente de fluido que tenga mayor caudal másico en eltubo interior

Fluido caliente II

Fluido frio I


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Hoja 13



Diámetro equivalente de la sección anular

Velocidad de masa para el fluido caliente que circula por la sección anular

Velocidad de masa del fluido caliente

Caudal másico del fluido caliente

Área de flujo de la sección anular


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Hoja 14



Velocidad de masa para el fluido frio que circula por la sección circular del tubo interior

Viscosidad del fluido caliente que circula por la sección anular


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Hoja 15




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Hoja 16



VISCOSIDAD DEL FLUIDO FRIO QUE CIRCULA POR LA SECCION CIRCULAR DEL TUBO INTERIOR

De igual manera que la explicada para el fluido caliente

Número de Reynolds para el fluido caliente


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Hoja 17



FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL FLUIDO CALIENTE


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Hoja 18



FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL FLUIDO FRIO

De igual manera que para el fluido caliente.CALOR ESPECIFICO DEL FLUIDO CALIENTE


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Hoja 19



CALOR ESPECIFICO DEL FLUIDO FRIO

De igual manera que para el fluido caliente

COEFICIENTE DE CONDUCCION PARA EL FLUIDO CALIENTE


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Hoja 20



CONDUCTIVIDAD PARA EL FLUIDO FRIO


NUMERO DE PRANDTL PARA EL FLUIDO CALIENTE

NUMERO DE PRANDTL PARA EL FLUIDO FRIO



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Hoja 21



COEFICIENTE PELICULAR DEL FLUIDO CALIENTE

Despejando ho

COEFICIENTE PELICULAR DEL FLUIDO FRIO


CORRECCION COEFICIENTE PELICULAR

En un intercambiador tubo en tubo se usa la superficie exterior del tubo interior como superficie de referencia.


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Hoja 22



COEFICIENTE GLOBAL PARA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR LIMPIA

COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO

Cuando un intercambiador se encuentra en funcionamiento se producenincrustaciones en el interior y exterior de las tuberías, añadiendo resistenciatérmica.Las resistencias adicionales por ensuciamiento reducen el valor de Ul o seareducen la transmisión de calor entre los fluidos.Por esta razón se introduce una resistencia de incrustación. Rd


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Empíricamente se ha determinado:

Para lodos que se depositandentro del tubo anualmente

Para lodos que se depositan enel exterior del tubo anualmente


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Hoja 24



Se puede asignar una resistencia térmica de obstrucción


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Hoja 25



Superficie de intercambio de calor requerida

Longitud de tubo útil requerida

Ingresando en la tabla con el diámetro nominal del tubo interior, seleccionamos lasuperficie por pie lineal, exterior e interior


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Hoja 26




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Hoja 27



Número de horquillas

Se considera una longitud útil por cada brazo de una horquilla de 20 pies, con elobjeto de que no se pandee el tubo interior y toque el tubo exterior. Entonces lalongitud útil de cada horquilla será: 40 pies

SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR CORREGIDA

Lc: Nº horquillas*40 pies / horquilla


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Hoja 28



COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO CORREGIDO

RESISTENCIA TERMICA POR ENSUCIAMIENTO CORREGIDA


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Hoja 29



DIAMETRO EQUIVALENTE PARA CALCULAR LA CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO QUE CIRCULA POR LA SECCION ANULAR

: Diámetro exterior del tubo interior

: Diámetro interior del tubo exterior

Número de Reynolds en la sección anular


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Hoja 30



COEFICIENTE DE ROZAMIENTO EN LA SECCION ANULAR

CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO CALIENTE


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Hoja 32



CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO CALIENTE AL ENTRAR Y SALIR DE UNA SECCION ANULAR

CAIDA TOTAL DE PRESION


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COEFICIENTE DE ROZAMIENTO EN LA SECCION CIRCULAR

CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO FRIO


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Hoja 34



CAIDA TOTAL DE PRESION EN EL FLUIDO FRIO

Se debe comprobar que:


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Hoja 35



El intercambiador de calor de placasconsiste de placas en lugar de tubos paraseparar a los dos fluidos caliente y frío. Unintercambiador de placa es capaz detransferir mucho más calor con respecto aun intercambiador de carcasa y tubos convolumen semejante, esto es debido a quelas placas proporcionan una mayor áreaque la de los tubos

INTERCAMBIADOR DE PLACAS


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Hoja 36



Ventajas Desventajas

Generalmente desarrollados para la industria alimenticia

Limitado a temperaturas bajas y presiones bajas < 25 bar

Útil donde la corrosión, sedimentación, limpieza y esterilización son prioritarias

Fácil de desmantelar y limpiar

Gran superficie de intercambio en un espacio reducido


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Hoja 37



Se fabrican por estampa en frío de unachapa metálica de espesor homogéneo.Son corrugadas para promover laturbulencia y dar rigidez mecánica parasoportar la presión.Espesor de las placas: 0,5 –3 mmEspaciado entre las placas: 1,5 -5 mmÁrea de las placas: 0,03 –1,5 m2Relación ancho/largo: 2 –3Número efectivo de placas: Ntotal–2Materiales: Acero inoxidable AISI 304, 316,Titanio, Tinconel, Hastelloy, DiabonF100(grafito + fluoroplásticos)


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Hoja 38



•Planchas arrolladas formando dos canales espirales concéntricos•Bordes de los canales cerrados alternativamente

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL


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Hoja 39



Características•Los fluidos se mueven en contracorriente•Las mismas características para cada fluido•Se disminuye la tendencia al ensuciamiento•Permite gran aproximación entre las temperaturas•Es compacto, requiere menos espacio que un intercambiador de tubo y coraza deigual capacidad•Se fabrican en cualquier tipo de metal que pueda ser conformado en frío y soldado.Por ejemplo: acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones de níquel y titanio, etc.

Aplicaciones

•Tratamiento de lodos, líquidos con sólidos en suspensión, amplia gama de fluidosviscosos, etc.


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El espacio significa dinero en cualquierplanta industrial. El intercambiador deplacas ocupa un área cinco veces menorque la requerida por un intercambiador decoraza y tubos.


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•Las BASES deben ser lo suficientemente fuertes como para proporcionar apoyopermanente sin asentamiento y absorber cualquier vibración normal de causasexternas.

•El intercambiador debe ser instalado a nivel y a escuadra de modo que lasconexiones de tubería puedan hacerse sin forzarlas para reducir la posibilidad defugas durante la operación.•INSPECCIONE todas las aberturas del intercambiador antes de la instalación paradeterminar si hay materias extrañas. El sistema total debe ser limpiado antes decomenzar la operación.•No retire los tapones y cubiertas protectoras sino hasta momentos antes de lainstalación.

•Los principios operativos estándar son de vital importancia para evitar daños a launidad:1. En aplicaciones con vapor, nunca deje el vapor encendido con el lado del líquidoapagado. El vapor se debe apagar primero y encender último.2. En caso de sospecha de golpe de ariete, se debe diagnosticar y eliminar elproblema, de lo contrario es posible que se ocasionen daños.

ALGUNAS CONSIDERACIONES


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Hoja 43



•Debe proveerse Válvulas de Desvío en ambos circuitos de la unidad para permitir lainspección o reparación periódica sin interrupción del flujo del fluido.•Debe instalarse Conexiones de Prueba para introducir termómetros y manómetroscerca del intercambiador en las tuberías de entrada y salida cuando no sonintegrales con las boquillas del intercambiador.•Deben proveerse Salidas de Ventilación para evitar que el gas bloquee la superficiede transferencia de calor con la subsecuente reducción en capacidad térmica en lasunidades de condensación.

•Deben minimizarse las Pulsaciones de Fluido y Vibraciones Mecánicas a losintercambiadores de calor en todas las instalaciones.

Para el ajuste de los pernos de las bridas se proponen algunas recomendacionessegún el siguiente detalle:

3. Las válvulas deben estar configuradas para abrirse y cerrarse gradualmente. Si abre y cierra las válvulas de manera repentina, el intercambiador sufrirá un choque térmico y mecánico, que puede ocasionar la fatiga de los materiales.•El arranque y la parada de los equipos se deben realizar de modo que se minimice la expansión diferencial.


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1. Compruebe la limpieza del sistema para evitar el atascamiento de tubos y el pasajede residuos a través de las partes. Se recomienda poner mallas o cedazos protectoresen la tubería del intercambiador de calor.2. Las válvulas de ventilación deben ser abiertas antes de enviar el fluido alintercambiador de calor.3. Compruebe si todos los pernos de las bridas están apretados.4. Comience el flujo de fluidos gradualmente introduciendo primero el fluido mas frío.Cuando el sistema esté completamente lleno y todo el aire haya sido ventilado, cierrelas válvulas de ventilación.5. Cuando se alcancen las temperaturas de operación, debe volverse a apretar lospernos y juntas con empaquetaduras para evitar fugas y fallas de éstas.

PUESTA EN MARCHA


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6. El intercambiador de calor nunca debe ser operado a presiones, temperaturas yflujos en exceso a los especificados en la placa del fabricante y la hoja deespecificaciones del diseño.7. Para intercambiadores de calor usados en servicio de vapor, puede disponerse eldrenaje del condensado acumulado antes del arranque.

8. Debe tenerse sumo cuidado para evitar someter el intercambiador de calor aimpacto térmico, excesivas presiones y temperaturas. Estas condiciones puedenimponer esfuerzos que resulten en la falla prematura del intercambiador de calor asícomo de otros componentes del sistema.


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Hoja 47



Por lo general, el intercambiador de calor no actúa en forma eficiente de acuerdo a lasespecificaciones, por uno o más de los siguientes factores: (1) excesiva suciedad, (2)bloqueo de aire o gas resultante de la instalación incorrecta de tubería o falta desalidas de ventilación adecuadas, (3) condiciones de operación que difieren de lascondiciones del diseño, (4) mala distribución del flujo en la unidad y (5) problemas decorrosión.•La inspección del equipo a intervalos regulares, puede identificar problemaspotenciales antes que ocurra algún daño estructural. La inspección debe incluir unexamen tanto del interior como del exterior de la unidad.•No mantener todos los tubos limpios, puede resultar en restricciones severas del flujoa través de algunos tubos, lo cual podría causar esfuerzos térmicos dañinos resultandoen fugas en las juntas de los tubos o daño estructural a otros componentes.

MANTENIMIENTO

Las temperaturas y presiones del fluido que ingresa y sale del equipo deben sercontroladas regularmente para evaluar el funcionamiento de la unidad. Por ejemplo,un incremento en la caída de presión a través de la unidad con una correspondientereducción en el rango de temperatura puede indicar bloqueos de vapor o gas.


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Hoja 48



•Un ligero recubrimiento de lodo o escamas en el tubo reduce mucho la eficiencia de latransferencia de calor. Por lo tanto, los intercambiadores sujetos a lodos o escamasdeben ser limpiados periódicamente. Un incremento notable en la caída de presión y/oreducción en el desempeño, generalmente indica que la limpieza es necesaria. Launidad debe ser primero inspeccionada para confirmar si hay bolsones de aire o vapory que esto no sea la causa de la reducción de desempeño.•Desarme y remueva el atado de tubos para su inspección visual y limpieza según seanecesario. El atado debe ser inspeccionado para determinar que no haya excesivacorrosión.

•Debe tenerse cuidado cuando se maneja el material con sedimentos y el agente delimpieza. Siga las instrucciones de manipulación del producto químico y use todaclase de protección para la vista, respiración y corporal recomendadas


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Tramos de cables o cadenas pueden ser fijados a ojales enroscados en la lámina de tubos (Fig. A).

Pueden pasarse cables a través de varios tubos si lo permite el diámetro del tubo y tirar de ellos hacia afuera. El cable debe ser pasado sobre un bloque de madera en los extremos del tubo para proteger dichos extremos de daños (Fig. B).

La remoción del atado de tubos requiere que la junta sea abierta primero teniendocuidado de no dañar la superficie de la empaquetadura y luego girada o forzada haciafuera con una palanca.Para remover un atado de tubos rectos/láminas de tubo flotantes, puede usarse lossiguientes:

REMOCIÓN DE LOS TUBOS


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La limpieza de los intercambiadores de calor es importante para asegurar que elequipo sea eficiente. El equipo de transferencia de calor puede ser limpiado ya seapor métodos químicos o mecánicos. El método seleccionado debe ser elegido por eloperador de la planta y dependerá del tipo de depósito y de las facilidadesdisponibles en la planta. Estos son algunos métodos sugeridos:

Problema Solución

Depósitos solubles en agua Lavar con agua tibia

Depósitos blandos insolubles en agua

Haga circular aceite caliente odestilado liviano a través del tuboy blindaje a alta velocidad y luegoenjuague

Lodos Si ninguno de los métodosdescriptos anteriormenteproducen resultados, usarsoluciones químicas.

Escamas duras Si las escamas no ceden con lostratamientos mencionadosanteriormente, se debe hacer unanálisis químico


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•PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS: Realizar siempre pruebas de presión antes decomenzar a operar el equipo, siguiendo la normativa establecida y por un tiempomínimo de presión sostenida.Las pruebas de presión están reguladas por las normas T.E.M.A RCB-1.3 8VA.EDICION y no exceder la presión de operación.Se recomienda pintar el equipo posterior a las pruebas de presión y antes de laoperación con pinturas resistentes a la corrosión y al calor.Las tuberías del sistema en general, se recomienda protegerlas contra dañosexternos e instalar antivibradores en la succión y descarga.


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Hoja 55



Un ingeniero tiene una amplia variedad de intercambiadores.Por lo tanto, se deben tomar algunos criterios para una selección apropiada.Podemos mencionar:

TRANSFERENCIA DE CALOR

Es uno de los aspectos fundamentales para la selección de unintercambiador.Debemos lograr que el intercambiador sea capaz de transferir el calor paralograr el cambio deseado en la temperatura de un fluido

COSTO

Las limitaciones en el presupuesto suele desempeñar un factor importantepara la selección de un intercambiador. Un intercambiador que aparece encatalogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se hacen apedido.

SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR


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POTENCIA PARA EL BOMBEO

En un intercambiador los dos fluidos suelen circular por la acción de bombaso ventiladores.El costo anual de la electricidad asociada con la operación de las bombas yventiladores se puede determinar de:

Costo de operación= (Potencia de bombeo) * (Horas deoperación) * (Precio de la electricidad)

La potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los motores de las bombas y los ventiladores

Las velocidades de los fluidos que se encuentran en los intercambiadoresvarían entre 0,7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30 m/s para los gases.


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TAMAÑO Y PESO

Generalmente, entre más pequeño y liviano es el intercambiador, mejor es.

TIPO

El tipo de intercambiador que se selecciona depende principalmente deltipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de lapresencia de cualquier proceso de cambio de fase.

MATERIALES

Los materiales que se usen en la construcción del intercambiador puedeconstituir una consideración importante en la selección del mismo.Por ej. No es necesario considerar los efectos de los esfuerzos térmicos yestructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas inferiores a150ºC. Pero si es importante tener en cuenta estos efectos por arriba de 70atm y 500ºC


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BIBLIOGRAFIA

• Transferencia de Calor KERN

• Principios de transferencia De Calor KREITH

• Transmisión de calor INCROPERA

• Catálogos de fabricantes

Documents

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