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8/18/2019 Intercambiador de Calor de Carcasa y Tubos
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Intercambiador de calor de carcasa y tubos
Partes de un intercambiador de calor de carcasa y
tubos[editar ]
Esquema intercambiador de calor
Los componentes básicos de este intercambiador son: El haz de
tubos (o banco de tubos),carcasa, cabezal fijo, cabezal removible
(o trasero), deflectores, la placa tubular!
Configuración
"e usa una amplia variedad de confi#uraciones en los
intercambiadores de calor de carcasa
tubos, dependiendo del desempe$o deseado de transferencia de
calor, ca%da de presi&n los
m'todos empleados para reducir los esfuerzos t'rmicos, prevenir
fu#as, fácil mantenimiento,
soportar las presiones temperaturas de operaci&n, la
corrosi&n! Estos intercambiadores se
construen de acuerdo a las normas de la sociaci&n de
abricantes de *ntercambiadores de
+alor ubulares (E-. ), con al#unas modificaciones,
dependiendo del pa%s!
E- ha desarrollado una nomenclatura para desi#nar los tipos
básicos de intercambiadores
de calor de carcasa tubos! En este sistema, cada intercambiador
se desi#na con tres letras,
la primera indicando el cabezal delantero, la se#unda el tipo de
carcasa, la tercera el
cabezal posterior!
https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos&action=edit§ion=1https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-1https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-1https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos&action=edit§ion=1
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+onfi#uraci&n de intercambiadores E-
E- tambi'n ha conformado una serie de normas mecánicas para la
construcci&n,
fabricaci&n, materiales constructivos de tres tipos de
intercambiadores de calor tubulares: /,
+, 0! Los intercambiadores clase / son los usados en condiciones
de operaci&n severas, en
procesos petroleros afines! La +lase + desi#na a los
intercambiadores usados en
aplicaciones comerciales procesos #enerales bajo condiciones
moderadas! La clase 0
desi#na a los intercambiadores de calor de carcasa tubos usados
en procesos qu%micos!
1eneralmente, en estos 2ltimos, los materiales constructivos son
no3ferrosos, mientras que en
los +lase + +lase /, se usan materiales ferrosos!
Los tipos más frecuente de intercambiador son: E", E4, +5, 6,
78! unque pueden
e9istir diferentes confi#uraciones a las mencionadas, estas no
pueden ser identificadas por la
nomenclatura E-!
Tubos
Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la
superficie de transferencia
de calor entre el fluido que circula por el interior de los
tubos, la carcasa! Los tubos pueden
ser completos o soldados #eneralmente están hechos de cobre o
aleaciones de acero! tras
aleaciones de n%quel, titanio o aluminio pueden ser requeridas
para aplicaciones espec%ficas!
Los tubos pueden ser desnudos o aletados! Las superficies
e9tendidas se usan cuando uno
de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor
mucho menor que el otro fluido!
Los tubos doblemente aletados pueden mejorar a2n más la
eficiencia! Las aletas proveen de
dos a cuatro veces el área de transferencia de calor que
proporcionar%a el tubo desnudo! La
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cantidad de pasos por los tubos por la carcasa dependen de la
ca%da de presi&n disponible!
maores velocidades, aumentan los coeficientes de
transferencia de calor, pero tambi'n las
p'rdidas por fricci&n la erosi&n en los materiales! 4or
tanto, si la p'rdida de presi&n es
aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero
de maor lon#itud en un
área reducida! Generalmente los pasos por los tubos oscilan
entre 1 y 8 ! Los dise$osestándares tienen uno, dos o cuatro
pasos por los tubos! En m2ltiples dise$os se usan
n2meros pares de pasos! Los n2meros de pasos impares no son
comunes, resultan en
problemas t'rmicos mecánicos en la fabricaci&n en la
operaci&n!
La selecci&n del espaciamiento entre tubos es un equilibrio
entre una distancia corta para
incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de
la carcasa, el espacio
requerido para la limpieza! En la maor%a de los
intercambiadores, la relación entre el
espaciamiento entre tubos y el diámetro exterior del tubo varía
entre 1,25 y 2 ! El valor
m%nimo se restrin#e a .!;< porque para valores inferiores, la
uni&n entre el tubo la placa
tubular se hace mu d'bil, puede causar filtraciones en las
juntas! 4ara los mismos
espaciamiento entre tubos caudal, los arre#los en orden
decrecientes de coeficiente de
transferencia de calor ca%da de presi&n son: =>?,@
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Deflectores
Ceflectores
Da dos tipos de deflectores, transversales lon#itudinales! El
prop&sito de los deflectores
lon#itudinales es controlar la direcci&n #eneral del flujo
del lado de la carcasa! 4or ejemplo, las
carcasas tipo , 1 D tienen deflectores lon#itudinales! Los
deflectores transversales tienen
dos funciones, la más importante es la de mantener a los tubos
en la posici&n adecuada
durante la operaci&n evita la vibraci&n producida por
los v&rtices inducidos por el flujo! En
se#undo lu#ar ellos #u%an al fluido del lado de la carcasa para
acercarse en lo posible a las
caracter%sticas del flujo cruzado! ambi'n tienen la funci&n
de hace que el fluido que circula
por la carcasa lo ha#a con maor tubulencia para que aumente el
coeficiente convectivo (o
coeficiente de pel%cula) e9terior de los tubos, es decir, para
que aumente la cantidad de calor
transferido!
El tipo de deflector más com2n es el simple se#mentado! El
se#mento cortado debe ser
inferior a la mitad del diámetro para ase#urar que deflectores
adacentes se solapen en al
menos una fila completa de tubos! 4ara flujos de l%quidos en el
lado de la carcasa el corte del
deflector #eneralmente es del ;> a ;< por ciento para
flujos de #as a baja presi&n de @> a @<
por ciento, con el objetivo de minimizar la ca%da de
presi&n!
Carcasa y boquillas del lado de la carcasa
La carcasa es la envolvente del se#undo fluido, las boquillas
son los puertos de entrada salida! La carcasa #eneralmente es de
secci&n circular esta hecha de una placa de acero
conformado en forma cil%ndrica soldado lon#itudinalmente!
+arcasas de peque$os diámetros
(hasta ;@ pul#adas) pueden ser hechas cortando un tubo del
diámetro deseado con la lon#itud
correcta (pipe shells)! La forma esf'rica de la casaca es
importante al determinar el diámetro
de los reflectores que pueden ser insertados el efecto de fu#a
entre el deflector la casaca!
Las carcasas de tubo suelen se más redondas que las carcasa
roladas!
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En intercambiadores #randes la carcasa esta hecha de acero de
bajo carbono siempre que
sea posible por razones de econom%a aunque tambi'n pueden usarse
otras aleaciones
cuando la corrosi&n o las altas temperaturas as% lo
requieran!
La boquilla de entrada suele tener una placa justo debajo de
ella para evitar que la corriente
choque directamente a alta velocidad en el tope del haz de
tubos! Ese impacto puede causar
erosi&n, cavitaci&n, vibraciones! +on el objetivo de
colocar esta laca dejar suficiente
espacio libre entre este la carcasa para que la ca%da de
presi&n no sea e9cesiva puede ser
necesario omitir al#unos tubos del patr&n circular
completo!
Canales del lado de los tubos y boquillas
Los canales las boquillas simplemente diri#en el flujo del
fluido del lado de los tubos hacia el
interior o e9terior de los tubos del intercambiador! +omo el
fluido del lado de los tubos es
#eneralmente el más corrosivo, estos canales boquillas suelen
ser hechos de materiales
aleados (compatibles con la placa tubular)! Ceben ser revestidos
en lu#ar de aleaciones
s&lidas!
Cubiertas de canal
Las cubiertas de canal son placas redondas que están
atornilladas a los bordes del canal
pueden ser removidos para inspeccionar los tubos sin perturbar
el arre#lo de los tubos! En
peque$os intercambiadores suelen ser usados cabezales con
boquillas laterales en lu#ar de
canales cubiertas de canales!
Diseño de intercambiadores de calor
El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible
inicialmente, esto es, definir
para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas,
propiedades f%sicas, foulin#, p'rdidas
de presi&n admisibles, etc! Lue#o se procede a seleccionar
valores tentativos para los
parámetros más importantes de dise$o, tales como lon#itud
diámetro de los tubos (teniendo
en cuenta las p'rdidas de presi&n las vibraciones que se
producirán), el arre#lo del banco de
tubos, el espaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos
cantidad de carcasas en
serie! +on estas dimensiones, se tiene el valor de un área
inicial supuesta!
+on estos valores se efect2a la evaluaci&n t'rmica del
intercambiador, dando como resultado
un valor del coeficiente #lobal de transferencia de calor! Este
puede obtenerse mediante la
combinaci&n de correlaciones que dependen de los parámetros
seleccionados! +on este valor,
se procede a calcular un nuevo valor de área requerida! El
procedimiento es más preciso en la
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medida que lo es el cálculo del coeficiente #lobal de
transferencia de calor! Este es un valor
que depende del coeficiente de transferencia de calor por
convecci&n en el interior e9terior
de los tubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos! "i
bien la definici&n de dichos
coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las
correlaciones actuales, no lo
es tanto para el lado de la carcasa!
En #eneral, puede enumerarse una serie de pasos, como
si#ue:;
• .!3 +omprobar el 0LF+E CE EFE/1G, se deben de conocer las
condiciones del
procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades
f%sicas de los fluidos!
• ;!3 si#nar las corrientes al tubo carcasa!
• =!3 Cibujar los dia#ramas t'rmicos!
• @!3 Ceterminar el n2mero de intercambiadores en serie!
•
• A!3 "eleccionar el diámetro, espesor, material, lon#itud
confi#uraci&n de los tubos!
• H!3 Estimar los coeficientes de pel%cula de suciedad! +alcular
los coeficientes
#lobales de transmisi&n de +alor
• I!3 +alcular la superficie de intercambio estimada!
• B!3 "eleccionar el tama$o del casco (utilizando dos pasos en
tubo)!
• .>!3 +alcular las p'rdidas de presi&n en el lado del
tubo recalcular el n2mero de
pasos para cumplir con las p'rdidas de presi&n
admisibles!
• ..!3 sumir la separaci&n entre desviadores el área de paso
para conse#uir la
p'rdida de presi&n en casco admisible!
• .;!3 /ecalcular los coeficientes de pel%cula en el lado del
tubo del casco utilizando
las velocidades másicas disponibles!
• .=!3 /ecalcular los coeficientes #lobales de transmisi&n
de calor comprobar si
tenemos suficiente superficie de intercambio!
https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-2https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-2
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• .@!3 "i la superficie de intercambio es mu #rande o mu peque$a
revisar los
estimados de tama$o de carcasa repetir las etapas B3.=!
Métodos Integrales
La dificultad para inte#rar en las correlaciones obtenidas en
los bancos de tubos el flujo#enerado en la carcasa de un
intercambiador con deflectores impuls& el desarrollo de
Jm'todos inte#ralesJ para el cálculo de la transferencia de
calor p'rdida de car#a en el lado
carcasa!=
El método Donoue !1"#"$
El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba
por primera vez en el área de
flujo disponible que se calculaba como una media #eom'trica
entre el área m%nima de paso
entre deflectores (área transversal) el área de paso disponible
en el deflector (área
lon#itudinal)! "in embar#o, no ten%a en cuenta el efecto de las
diferentes confi#uraciones de
los tubos! 4ara el cálculo de la p'rdida de car#a se propon%a la
utilizaci&n de las curvas de
factor de fricci&n obtenidas por +olburn con un factor de
se#uridad elevado! 4or primera vez
se consider& el efecto de la ventana del deflector,
considerando esta ventana como un orificio
con un coeficiente de descar#a de >!H! Este m'todo, aunque mu
simple de utilizar,
proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente a
que las correlaciones se
obtuvieron con intercambiadores peque$os con #eometr%as nada
estándares!
%étodo &in'er
l final de los a$os @>, al mismo tiempo que aparec%an
los m'todos inte#rales, se hac%a
evidente que el flujo que se establec%a en carcasa era complejo
con una #ran dependencia
de la #eometr%a de construcci&n del intercambiador! ello
contribueron las primeras
visualizaciones del flujo que se obtuvieron a finales de los
a$os @> principios de los ! "e
observ& que solo una parte del fluido se#u%a el camino
JcorrectoJ a trav's del haz de tubos, el
resto pasaba a trav's de áreas de fu#a (entre tubo deflector,
entre deflector carcasa
entre el haz de tubos la carcasa)! Estas áreas de flujo son
inevitables en la construcci&n
montaje del intercambiador determinan los flujos que se
establecen en carcasa!
5n m'todo basado en correlaciones de flujo a trav's de un banco
de tubos ideal o un m'todo
inte#ral dif%cilmente puede incorporar toda la informaci&n
de los diferentes flujos que se
establecen en carcasa como consecuencia de ello, dependiendo del
tipo de construcci&n,
los errores al aplicar los m'todos pueden variar
considerablemente!
https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-3https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos#cite_note-3
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El m'todo anal%tico recibe este nombre porque en cada
intercambiador se lleva a cabo un
análisis del flujo establecido en la carcasa! El primer análisis
del flujo establecido en la
carcasa fue realizado por inKer (.B, con la posibilidad de
utilizar computadores
personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el
potencial del m'tododesarrollado por inKer!
El método (ern !1"5)$
Este m'todo ha sido adoptado como un estándar por la industria
durante muchos a$os! Las
correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor la
p'rdida de car#a se obtuvieron
de intercambiadores estándar con un corte de deflector del ;<
(una decisi&n acertada
porque en la maor%a de los casos es el mejor dise$o)!
La predicci&n de la transferencia de calor var%a entre
li#eramente inse#ura (valor superior alreal) mu se#ura (valor
inferior al real)! -ientras que las predicciones de la p'rdida de
car#a
se sit2an en el lado de se#uridad con errores superiores al
.>> ! En r'#imen laminar los
errores todav%a son #randes debido a la poca informaci&n
disponible en el momento que se
elabor& el m'todo!
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"i bien los resultados obtenidos por el m'todo 6ern no
presentaron una #ran mejora respecto
a las correlaciones e9istentes, el m'rito del '9ito obtenido se
encuentra en el hecho de haber
presentado un m'todo #lobal de dise$o, presentando además varios
ejemplos de cálculo! Es
evidente que no puede ser utilizado como un m'todo de dise$o
porque la sobrestimaci&n de la
p'rdida de car#a puede llevar a dise$os conservadores, con una
#ran separaci&n dedeflectores o con diámetros de carcasa
superiores, por consi#uiente con coeficientes de
transferencia de calor bajos! "in embar#o, todav%a se si#ue
utilizando en la industria para
comprobar el funcionamiento t'rmico de los intercambiadores!
%étodo de *ell+Delaare
El m'todo 0ell3CelaMare propone calcular el coeficiente de
transferencia de calor del lado
carcasa utilizando las correlaciones obtenidas para flujo en un
banco de tubos considerando
que todo el caudal que circula por la carcasa atraviesa el banco
de tubos! 4osteriormente este
coeficiente ideal de flujo cruzado se corri#e por una serie de
factores para tener en cuenta las
fu#as que se producen!
La p'rdida de car#a en el lado carcasa se calcula como suma de
las p'rdidas de car#a para
flujo cruzado ideal de la p'rdida de car#a en la zona de la
ventana! Los errores de este
m'todo pueden ser del @> en p'rdida de car#a normalmente
predicen p'rdidas de car#a
maores a las reales! El error en el coeficiente de transferencia
de calor es alrededor del ;
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pro#ramaci&n del m'todo, por otro lado el proceso de
iteraci&n no presenta nin#una
dificultad si se utiliza un pro#rama de cálculo!
El m'todo 6ern es recomendable solo para proporcionar un
estimado o valores de inicio para
una iteraci&n con otro m'todo, que pudiera ser el
0ell3CelaMare o el 8ills37ohnson el cual es
más preciso solo requiere poco cálculos adicionales! El uso del
softMare especializado
auda en #ran medida a mejorar los procesos de dise$o de los
intercambiadores de calor en
todas sus etapas, sobre todos cuando se necesita realizar
cálculos iterativos, proporcionando
además de maor precisi&n, un tiempo de cálculo en el proceso
de dise$o mucho más corto!
4aralelamente, estos m'todos de cálculo se van nutriendo de las
nuevas correlaciones
desarrolladas por los investi#adores, cuo trabajo a su vez es
facilitado por las ventajas
computacionales de la actualidad!
![Intercambiadores de calor.ppt [Modo de compatibilidad]personales.upv.es/vsoto/index_archivos/FTP/TC/Intercambiadores de... · SEGÚN EL DISEÑO A. INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBOS](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/5a700a4e7f8b9a9d538b93c6/intercambiadores-de-calorppt-modo-de-compatibilidadpersonalesupvesvsotoindexarchivosftptcintercambiadores.jpg)
