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Intercambiadores de Calor
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1ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
AGOSTO 2014
INGENIERIA Y SIMULACION DE PROCESOS EN LAINDUSTRIA DE HIDROCARBUROS
2ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
CONTENIDO
1. Consideraciones Básicas de Transferencia de Calora. Mecanismos de transferencia de calorb. Ecuación Básicac. Resistenciasd. Coeficiente Global de Transferencia de Calore. Diferencia Media Efectiva de Temperatura
2. Clasificación de Intercambiadores de Calora. Por Serviciob. Según el tipo de Construcción- Enfriadores por Aire- Doble Tubo- Intercambiadores de Placas- Intercambiadores Tubo y Coraza
3ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
CONTENIDO
1. Intercambiadores Tubo y Corazaa. Terminología TEMAb. Localización de Fluidosc. Coeficientes Globales de Transferencia de Calord. Factores de Ensuciamientoe. Arreglo Carcasaf. Numero de Pases de Tubosg. Longitud y Diametro de Tubosh. Arreglo de Tubos
4ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
R
CKm
R
PKq
R
VKi
El flujo de calor responde a las mismas ecuaciones que el flujode fluidos, electrones, y masa
GENERALsistencia
MotrizFuerzaKTasa
Re
FLUIDOS
CORRIENTE
MASA
5ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Calor Sensible
• Calor Latente
Tcmq p
hmq
Absorcion de Calor
• Conducción• Convección• Radiación
Transferencia de calor
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
6ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Conducción
dx
dTAk
dt
dQ
Convección
21 TTAhdt
dq
Radiación
4TA
q
42
810173,0Rpiehr
btuo
bE
E
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
7ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• La transferencia de calor es un proceso que se lleva a caboimpulsado por la diferencia de temperaturas entre las partesinvolucradas.
• En un intercambiador de calor se puede definir la velocidadde transferencia de calor (Q) como una función de ladiferencia de temperaturas, el área de contacto entre losfluidos (proporcionada por el intercambiador), y el inverso delas resistencias al flujo de calor.
• En el caso de un intercambiador de calor donde los fluidosno entran en contacto directo sino que están separados (porejemplo por una pared metálica), se tiene la siguienteecuación:
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
8ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
totaltotal R
T
R
TT
A
Q
12
totalo R
U1
TAUQ o
Q Velocidad de transferencia de calor Btu/hr
Rtotal Resistencia a la transferencia de calor hr-pie2-oF/btu
Uo Coeficiente global de transferencia de calor Btu/hr-pie2-oF
A Area externa de transferencia de calor pie2
ΔT Diferencia media efectiva de temperatura oF
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
9ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
T2
T1
LIQUIDO A CALENTAR
GAS CALIENTE
RESISTENCIA FILMICA LIQUIDOENSUCIAMIENTO LIQUIDO
ESPESOR PARED
ENSUCIAMIENTO GAS
RESISTENCIA FILMICA GAS
r ↑
T2
T1
r
COEFICIENTE DE PELICULA EXTERNO ho
ENSUCIAMIENTO EXTERNO ro
CONDUCTIVIDAD TUBERIA: t, kENSUCIAMIENTO INTERNO rio
COEFICIENTE DE PELICULA EXTERNO hio
oow
w
i
oi
i
oitotal Rr
k
t
A
Ar
A
ARR
ioR ior wr
AREA INTERNA = AREA EXTERNAREFERENCIA: Ao
Consideraciones Básicas de Transferencia de CalorResistencias
10ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
FpieHr
BtuUnidades
o 2:
owiooio
oowioiototalo
rrrhh
RrrrRRU
111
Resistencias
Muy Bajo Típico Muy Alto
Resistencia de Película 0,00050 0,004 0,04
(Inverso = h) -2000 -250 -25
Resistencia Esuciamiento 0,001 0,002 0,01
(Inverso = h) -1000 -500 -100
Resistencia de Pared 0,000030(32000)
0,00027 0,00049
(Inverso = h) -3760 -2030
Resistencia Total 0,00303 0,01227 0,10050
(Inverso = h) -330 -81 -10
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
11ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
PrRe,,,,,, fNuk
CVdf
k
dhckdVfh p
p
b
p
a
k
CVd
d
kAh
Los coeficientes de película por análisis dimensional→ relación entre Nu, Re,y Pr
Coeficientes Fílmicos de Transferencia
h Coeficiente fílmico, W/m2-K (Btu/h-pie2-oF)
A Constante de proporcionalidad
k Conductividad fluido, W/m-K (Btu/h-pie2-oF)
d Diametro efectivo, m (pie)
V Velocidad del fluido, m/s (pie/s)ρ Densidad, kg/m3, lbm/pie3
Cp Calor especifico, kJ/kg-K (Btu/lbm-oF)
μ Viscosidad, kg/m-s (lbm/pie-h)a Coeficiente de Reynoldsb Coeficiente de Prandtl
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
12ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Turbulencia incrementa dramaticamente los coeficientes depelicula (h’s y Uo)
• Turbulencia incrementa dramaticamente ΔP• Ensuciamiento para diferentes fluidos con base en datos y
experiencia• Resistencia de pared depende de espesor por conductividad
térmica
oiowoio
rrrhh
U
11
1TAUQ o
Coeficientes Globales (Uo)Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
13ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Coeficiente de Transferencia Limpio
woioclean
rhhU
111
Uclean >>> Uservicio
El incremento del coeficiente de transferencia reduce el árearequerida, pero los requerimientos de bombeo incrementan
Coeficientes Globales (Uo)Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
14ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
La diferencia de temperatura entre el fluido frío y el fluido calienteno es constante a lo largo de todo el intercambiador, por ello seestima un promedio que permite calcular el calor transferido.
•Si la configuración es en contracorriente o en co-corriente simple, laΔT se asume igual a la Diferencia de Temperatura Media Logarítmica(DTML)
15ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
2
1
21
lnT
TTT
DTML
outout
inin
outoutinin
tT
tT
tTtT
ln
outin
inout
outininout
tT
tT
tTtT
ln
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
16ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
FDTML ococo 51
3080
ln
3080
FDTML o
coco 8,54
5060
ln
5060
100
120
140
160
180
100
120
140
160
180
Co-corriente
tin
tout
Tin
Tout
100
120
140
160
180
100
120
140
160
180
Contra-corriente
tin
tout
Tin
Tout
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
17ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Cuando la configuración del intercambiador tiene varios pasos, porejemplo (para los intercambiadores de tubo y carcasa), varios pasosen los tubos y/o varios pasos en la carcasa, el arreglo hace necesarioincorporar un factor de corrección (F) a la temperatura medialogarítmica calculada.
Tin
Tin
Tout
tout
F < 1
tin
tin
tout
Tout
ΔT
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
DTMLFTT
.
18ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
67,0100130
160180
R
375,0100180
100130
P
965,0TF
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
FDTMLFT T 9.52.
19ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
67,0100130
160180
R
375,0100180
100130
P
99,0TF
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
FDTMLFT T 3.54.
20ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Depende de la configuración del intercambiador y lastemperaturas de las corrientes
• Si el valor de FT es menor a 0,8 indica que la configuraciónescogida no es la más apropiada
• Al incrementar carcasas en serie, FT →1
Tin
Tout
tout
tin
1 Carcaza,2+ Tubos
tin
2 Carcazas, 4+TUBOS
Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)
Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor
Tin
Tout
tout
21ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Refrigerador:
En un refrigerador se enfría el fluido hasta una temperaturamenor a la obtenida con aire o agua como servicio. Para ello seemplea un refrigerante como medio de enfriamiento. Ejemplo:amoníaco, freón o propano.
Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio
Condensador:
En el condensador los vapores entrantes son convertidos total oparcialmente en líquidos con el uso de agua o aire como servicio.
22ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Enfriador:
En el enfriador el fluido intercambia calor con agua o aire sin quehaya cambio de fase
Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio
Intercambiador:
Implica la transferencia de calor entre dos corrientes de proceso,una de ellas aumenta su temperatura y la otra la disminuye..
Calentador:
El calentador aumenta la temperatura del fluido sin que ocurracambio de fase, usa como servicio vapor de agua o un fluido decalentamiento. Ejemplo: aceite caliente.
23ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Rehervidor (Reboiler):
Un rehervidor suministra calor latente de vaporización al fondode una columna o torre fraccionadora.
Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio
Vaporizador:
Convierte un fluido líquido en vapor (parcial o totalmente), eltérmino se emplea para servicios distintos al agua.
24ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Los intercambiadores de calor pueden ser:
Enfriadores por Aire (Air Fin).De Doble Tubo (Double pipe).De Placas (Plate and Frame).De Tubo y Carcaza (Shell and Tube).
En servicio de refinería la mayoría son de carcaza y tubo (S + T).
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
25ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Consta de un haz de tubos y de ventiladores accionados por motorque pueden ser de tiro inducido o forzado, de flujo contra corrienteo de flujo paralelo con respecto al flujo de aire.
Los tubos normalmente traen aletas circunferenciales. La temperatura de salida del proceso está limitada por la
temperatura de aire a condiciones ambientales. La temperatura de diseño de entrada del aire no debe ser excedido
por un 5% de las horas anuales, más un margen de 5°F para cubrirrecirculación de aire.
Se utilizan para enfriar las corrientes de temperatura media endonde la recuperación de calor no es práctica.
Enfriadores por Aire:
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
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Enfriadores por Aire:
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
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Enfriadores por Aire:
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
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Enfriadores por Aire:
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
29ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Los intercambiadores de doble tubo están constituidos por un tuboencerrado concéntricamente dentro de otro tubo.
• La transferencia de calor se lleva a cabo entre el fluido que pasa porel interior del tubo de menor diámetro y el fluido que pasa por elespacio vacío entre el tubo interior y el exterior.
• Estas unidades son de bajo costo, resistentes y se puedendesmantelar fácilmente para su limpieza, removiendo la tapacolocada en el extremo en “U” del tubo externo.
• Los intercambiadores de doble tubo son muy convenientes enaquellas aplicaciones que involucran presiones altas, debido a quesus diámetros son relativamente pequeños
De Doble Tubo
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
30ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
De Doble Tubo
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
31ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Consta de una serie de planchas (Placas) corrugadas alternadas,separadas por empacaduras que son presionadas por un marco decompresión.
Los fluidos de proceso fluyen por los lados alternos de las planchas, porlos canales que forman las superficies corrugadas.
Se logra flujo contracorriente o paralelo real.
Para ensamblar todo el conjunto de placas, éstas se colocan en unbastidor, que posee una placa fija y otra móvil
Intercambiadores de Placas
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
32ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores de Placas
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
33ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Es el más empleado en la industria debido a su amplio rango deaplicación en presión y temperatura.
• Sus principales cualidades son: su bajo costo, facilidad en la limpiezay que se pueden construir en diferentes tamaños, y para presionesdesde moderadas a altas sin que varíe sustancialmente el costo.
• Consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuchecilíndrico llamado carcasa.
• El arreglo de flujo es complejo, no es paralelo ni contracorriente sinouna combinación de ambos.
Intercambiadores Tubo y Coraza
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
34ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores Tubo y Coraza
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
35ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores Tubo y Coraza
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
“CHANNEL HEAD”
“CHANNELHEAD COVER”
“PASSPARTICIONBAFFLE”
“BOCALENTRADA
LADO TUBOS”
“CHANNEL HEADTUBESHEET”
“BOCALENTRADA
LADOCORAZA”
“MAZO DETUBOS”
“BAFLES”“FLOATING HEAD
TUBESHEET”
“CABEZALFLOTANTE”
“TAPA CABEZALFLOTANTE”
36ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores Tubo y Coraza
Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción
37ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
INTERCAMBIADORES DE CALOR TUBO YCORAZA
38ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
TEMA: TUBULAR EXCHANGER MANUFACTERS ASSOCIATION
• El diseño y construcción se basa en el standard TEMA 8thEdition 1998
• Códigos suplementarios de recipientes a presión también sonutilizados (ASME).
• TEMA establece especificaciones constructivos, prueba einspección, recomendación de tamaño de tubos, coraza, bafles,espaciamiento, terminologías, configuraciones, vibraciones, etc.
• Muchos usuarios/clientes tienen especificaciones propias que losproveedores deben seguir.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA
39ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Clase TEMA:
Clase R: Generalmente requerimientos severos en larefinación del petróleo y procesos relaciones.
Clase C: Requerimientos moderados en procesos de laindustria en general
Class B: Servicio de procesos químicos
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA
40ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA
41ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Se le da una designación de tres letras para especificar laconfiguración del intercambiador.
• Las letras dadas identifican : el tipo de terminal frontal,terminal posterior y tipo de coraza.
CorazaCabezalFrontal
CabezalPosterior
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA
42ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Tipo-A : Utilizado para operaciones con el lado de tubos sucios. Defacil apertura para acceder al lado de los tubos.
• Tipo-B: Utilizado para operaciones con el lado de tubos sucios..Simples y mas económicos
B
Cabezal y tapa removible Tapa Integral Bonnet
A
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Frontales
43ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Tipo C con coraza removible para fluidos peligros del lado tubos,mazos pesados o servicios que requieran de limpieza frecuente de lacoraza.
• Tipo N para fluidos peligrosos del lado de la coraza o operaciones dealta presion. Es integral con la carcaza.
• Tipo D El cabezal y la placa de tubo tienen construcción forjadaintegral. Para servicios a alta presión (por encima de 50 bar)
C N D
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Frontales
44ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Tipo E: Un solo paso por coraza, a ser utilizado preferentemente(caída presión, mantenimiento, construcción)
• Tipo F: Un solo paso por coraza pero dos por el lado tubos. Conbafle separador longitudinal. Estos son difíciles de sellar con lacoraza especialmente después de mantenimientos. Se logra unflujo en contra-corriente neto.
E F
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza
45ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• El tipo G y H son usados para reboilers horizontales(termosiphon) horizontales. Baja caída de presión.
• El tipo K es un reboiler tipo Kettler donde hay cambio de fase.
HG
Split flow Double split flowLongitudinal
baffles
K
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza
46ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• El tipo G y H son usados para reboilers de termosiphonhorizontales. Baja presion.
• El tipo J y X se utilizan cuando no se logra alcanzar la caída depresión permitida en una configuración E.
J
HG
X
Split flow Double split flow
Cross flow
Longitudinalbaffles
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza
47ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Tubos Fijos (L, M, N). L es un espejo de A; M es un espejo de B)
Tubo en U
Cabezal Flotante (P, S, T, W)
• Usar tubos fijos si la temperatura es menor a 50°C, de otra manerautilizar otra configuración que permita un diferencial de expansióntérmica.
• Se pueden utilizar fuelles en la coraza que permitan la expansión,pero al ser accesorios especiales tienen limitaciones de presión (mas35 bar)
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Posteriores
48ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
AES
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo
49ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
AKT
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo
50ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo
51ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Fluidos sucios por los tubos. Mas fácil de limpiar.
• Corrientes de alta presión por los tubos.
• Fluidos especiales por los tubos (corrosivo o consedimentos)
• Fluidos con bajo coeficiente de transferencia por la coraza,el flujo cruzado incrementa los coeficientes.
• Fluidos que condensan por la coraza
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLocalización de Fluidos
52ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLocalización de Fluidos
53ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Fluido enfriándose Fluidocalentándose W/m2-oC Btu/hr-
pie2-oF
Nafta Crudo 340-400 60-70Gasoil Crudo 270-330 48-58
Fondo atmosférico Crudo 150-260 26-45
Crudo reducido Crudo vaporizado 150-260 26-45
Agua Agua 850-1190 150-210Nafta Agua 390-430 68-75
Butanos Agua 240 43Fondo de vacío Agua 110-140 20-25Gasoleo pesado Agua 230 40
DEA Agua 630 110Crudo reducido Agua 160-180 29-32
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaCoeficientes Globales de Transferencia de Calor (Uo)
54ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Fluido enfriándose Fluido calentándose W/m2-oC Btu/hr-pie2-oFEnfriadores de Gas
Aire Agua 70-130 13-23Gas (PM=30) Agua 220-240 38-43Gas (PM=25) Agua 310-340 55-60
CondensadoresCabecera destilación Agua 450-510 80-90
Cabecera destilación Crudo 200-260 35-45
Cabecera debutanizador Agua 510-570 90-100
Cabecera deetanizador Agua 510-640 90-113
Cabecera depentanizador Agua 620 110Vapor de agua Agua 2270-3410 400-600
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaCoeficientes Globales de Transferencia de Calor (Uo)
55ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Btu
FpieHrUnidades
o 2
:Crudo
0-250oF 250-350 oFVelocidad (pie/s) Velocidad (pie/s)
< 2 2-4. >4 < 2 2-4. > 4Seco 0,003 0,002 0,002 0,003 0,002 0,002
Salado 0,003 0,002 0,002 0,005 0,004 0,004350-450 oF 450 oF >Velocidad Velocidad
< 2 2-4. >4 < 2 2-4. > 4Seco 0,004 0,003 0,003 0,005 0,004 0,004
Salado 0,006 0,005 0,005 0,007 0,006 0,006
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaFactores de Ensuciamiento
56ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Btu
FpieHrUnidades
o 2
:AguaTemperatura del fluido Hasta 240 oF 240 – 400 oF
Temperatura del agua 125 oF > 125 oF
Velocidad del agua Velocidad del agua
< 3 pie/s > 3 pie/s < 3 pie/s > 3 pie/s
Agua de mar 0,0005 0,0005 0,001 0,001Agua salubre 0,002 0,001 0,003 0,002
Agua de enfriamiento (tratada) 0,001 0,001 0,002 0,002
Agua de ciudad o pozo 0,001 0,001 0,002 0,002
Agua de río 0,003 0,002 0,004 0,003Condensado 0,0005 0,0005 0,001 0,001
Agua tratada de caldera 0,001 0,0005 0,001 0,001
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaFactores de Ensuciamiento
57ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Carcasas en Serie:
Depende del factor de corrección de temperatura FT, definidopor el cruce de temperatura (Cross Temperature)
FT > 0,8.
Incrementar el número de carcazas permite aumentar laextensión del cruce y/o el valor de FT
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo Carcasa
58ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Carcasas en Paralelo:
Se elije esta configuración para disminuir la máxima caída depresión admisible.
Debe minimizarse el uso de configuración en paralelo.
Depende del área de intercambio requerida
Diámetro de carcasa limitado a 48” (como maximo 60” )
Diámetro de tubos limitado a 40 pie
Peso del banco de tubos < 15 ton. AREA HASTA 6000 pie2
Ver φcarcasa vs #tubos
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo Carcasa
59ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Determinado por compromiso entre U Y ΔP
• Mínimo 1 pase, máximo 8 pases
• Velocidad Liquidos: 3 – 5 pie/s (Velocidades bajasreducen la turbulencia y se pueden producir incrustaciones)
• Velocidad Gases: 50 – 100 pies/s (Velocidades bajasreducen la turbulencia y se pueden producir hidratos)
• RE > 3700• Si la velocidad no se puede cumplir en un solo paso
incrementar el numero de pasos.
# PASES ↑, V ↑ , U ↑ , Fouling ↓, ΔP ↑ , Hp ↑
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaNumero de Pases de Tubos
60ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• Tubos lisos. Aletas poco usual
• Disponibles en cualquier tipo de material• Longitud de tubos: 12, 16, 20 y 24 pie. 20 pie estandar• Mayor longitud reduce φcarcasa y costo. Incrementa plot area• Servicios limpios (< 0,003), φtubo = ¾”. servicios sucios
(>0,003) , φtubo = 1”.
• Aletas : A 2,5 ↑ ; Costo 3 ↑, Ensuciamiento↑
• Las aletas pequeñas nunca deben ser usadas enservicios donde la tasa de corrosión exceda 0.05 mm/año
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLongitud y Diámetro de Tubos
61ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
• El diámetro nominal del tubo es el diámetro externo, el cual es fijo.
• El diámetro interno varía con el espesor nominal de la pared del tubo y latolerancia del espesor de pared
Servicio con Agua:
Normalmente ¾" O.D., 14 BWG para tubería de acero y ¾" O.D., 14 BWGpara tubería de cobre.
Servicio con Hidrocarburos:BWG mm plg
8 4,19 0,01659 3,76 0,148
10 3,40 0,13411 3,05 0,12012 2,77 0,10913 2,41 0,09514 2,11 0,08315 1,83 0,07216 1,65 0,06517 1,47 0,05818 1,24 0,049
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLongitud y Diámetro de Tubos
62ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
Existen cuatro tipos de arreglos de tubos con respecto a la direccióntransversal del flujo del lado carcasa entre las puntas de los distribuidores(baffles).
Es el más usado(excepto en algunosrehervidores) debido aque cuesta menos ytransfiere más calor porunidad de área.
Para haces de tubo fijosy fluidos limpios
Cuando hay flujolaminar, se prefiere elarreglo cuadrado rotado(45°), ya que debido ala turbulencia inducidase mejora latransferencia de calor.
En casos de pérdidade presión limitada, yflujo turbulento, seprefiere el arreglocuadrado (90°).Cuando se requieralimpieza externa.
El arreglo triangularrotado (60°) es pocousado, debido a quesus características detransferencia de calorson bajas comparadacon la alta caída depresión.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo de Tubos (Tube Layout)
63ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.
LAYOUT:
SQUARE 90o
Pitch
ROT SQUARE 45o TRIANGULAR 45o
ROT TRIANGULAR 45o
Pitch:
Mas común cuando Δp lo permite
O.D TUBOS TRIANGULAR CUADRADO¾” 15/16 ---¾” 1 11” 1-1/4” 1-1/4”
1-1/2” 1-7/8” 1-7/8”> 1-1/2” 1,25 veces O.D. tubos
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo de Tubos (Pitch)
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• Los BAFLES o DEFLECTORES son utilizados para generar un flujo cruzadoe inducir un mezclado turbulento en el fluido que va por la coraza, lo cualmejora el intercambio por convección
• La trayectoria del fluido contenido en la carcaza depende del tipo yarreglo de los deflectores.
Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)
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Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)
• Los tipos de deflectores más conocidos son: transversales, longitudinales yde ventana.
• Los deflectores transversales o de segmento soportan a los tubos,restringen la vibración de éstos por choque con el fluido y direccionan elflujo, en el lado de la carcaza, transversalmente al haz de tubos.
• El corte del deflector es la porción del deflector “cortada” para permitir elflujo a través del deflector. El rango de corte óptimo es de 15 a 30%, con25%. como el óptimo.
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Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)
Espaciado:
• El espaciado del deflector, es el espacio longitudinal entre deflectores.
• El espaciado máximo del deflector no debe exceder al diámetro de lacarcaza y debe ser adecuado para proporcionar soporte a los tubos yprevenir la posible vibración de los mismos.
• El mínimo espaciado de deflectores, requerido para mantener una buenadistribución de flujo, es el 20% del Diámetro interno de la carcaza pero nomenor de 50 mm (2 pulg).
Orientación:
Orientación Vertical en condensación, vaporización o solidos en suspensión,Orientación Horizontal si fluidos limpios y rangos de temperatura amplios
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DISEÑO TERMICO SIMPLIFICADO
SELECCIONAR UESTIMAR LMTD Y CLMTD CON # DE CARCASAS EN SERIEY # DE PASES POR CARCASACALCULAR AREA REQUERIDA Y SELECCIONARARREGLO SERIE PARALELOSELECCIONAR AREA Y LONGITUD DE TUBOSSELECCIONAR DIAMETRO DE CARCASACALCULAR ΔP Y VERIFICAR < ΔPpermitido
VERIFICAR GEOMETRIA U CONTRA EL SUPUESTO
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Presión máxima• Coraza 300 bar (4500 psia)• Tubos 1400 bar (20000 psia)
Rango de Temperatura• Máxima 600oC (1100oF) or even 650oC• Mínima -100oC (-150oF)
Fluidos• En función al material• En función al material
Tamaño por Unidad 100 - 10000 ft2 (10 - 1000 m2)
Estas condiciones pueden ser extendidas con diseños y materialesespeciales.
Intercambiadores Tubo y Coraza
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• Intercambiadores a contracorriente puedenmanejar “approach”, “meet” y “cross”
• En general, con una sola carcasa se puedemanejar “approach” y “meet”
• El “cross” de temperatura requiere multiplescarcasas
• Intercambiadores en parelelo solo puedenmanejar “approach”
• En condensación o evaporación (una corrienteisotermica) es indiferente el flujo en paralelo ocontra corriente
tin
Tin
tout
Tout
tin
Tin
tout
Tout
tin
Tin
tout
Tout
“APPROACH”
“MEET”
“CROSS”
tin
Tin
tout
Tout
Operaciones
MinApproach =20 – 40 °F
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DISEÑO SIMPLIFICADO
AREA Y TIPO (DENOMINACION) TEMALOCALIZACION DE LOS FLUIDOSARREGLO Y DIAMETRO DE CARCASAS(SERIE/PARALELO). MATERIALES# DE PASES#, DIAMETRO, LARGO Y MATERIAL DE LOS TUBOS(MANTENIMIENTO)LAYOUT Y PITCH DE LOS TUBOS (MANTENIMIENTO)LAYOUT Y # DE BAFFLESCAIDA DE PRESION