04 - Intercambiadores de Calor

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INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisin: ENE-10 Edo. Revisin: 1.0 Pgina: 1 de 41

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCION

I. TIPOS DE INTERCAMBIADORES a. Tubo y coraza b. Intercambiadores de horquilla c. Aeroenfriadores d. Otros tipos de intercambiadores

II. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR a. General b. Diferencia de temperatura c. Aproximacion a temperatura d. Coeficiente de intercambio de calor e. rea de intercambio de calor f. Capacidad de intercambio de calor g. Cada de presin h. Transferencia de calor real

i. Conversin de volumen liquido a peso ii. Conversin de volumen gaseoso a peso

iii. Calor de vaporizacin o condensacin III. APLICACIN DE INTERCAMBIADORES

a. Tubo y coraza b. Horquilla c. Aeroenfriadores

IV. OPERACIN DE INTERCAMBIADORES a. Tubo y coraza, horquilla, platos, y platos aleteados b. Aeroenfriadores

V. SOLUCION DE PROBLEMAS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR a. Coraza y tubo, y de platos b. Aeroenfriadores

VI. PROBLEMAS COMUNES EN INTERCAMBIADORES DE BAJA TEMPERATURA a. Intercambiadores de gas de entrada a gas de salida b. Congeladores de gas

VII. COEFICIENTES DE INTERCAMBIADORES VIII. AREA EXTERIOR DE LOS TUBOS DEL INTERCAMBIADOR

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INTRODUCCION

Los intercambiadores de calor se usan para ahorrar energa y conservar combustibles, o para proporcionar el calor requerido por un proceso.

El intercambiador de calor ms sencillo que existe es una cacerola que se usa para hervir el agua. El calor es transferido del elemento calefactor en la estufa hacia el agua en la cacerola. Un molde para hielos en el congelador es otro ejemplo de un intercambiador de calor muy simple.

Se debe pensar en un intercambiador de calor como una pieza de equipo en donde el calor es transferido de una sustancia caliente

a un material frio a travs de un muro que separa las dos sustancias.

Un intercambiador de calor es un dispositivo de transferencia de energa. Energa, en forma de calor, se transfiere de un fluido caliente hacia el frio. La cantidad de energa que se transfiere es a menudo mayor que la indicada en el dimensionamiento del intercambiador. Por ejemplo, la mayora de la energa liberada por la quema de gasolina en un automvil se transfiere al radiador (que es un intercambiador de calor) mientras es convertida a energa mecnica para impulsar el vehculo.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBO

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I. TIPOS DE INTERCAMBIADORES

A. Intercambiadores de tubo y coraza

Los tipos ms comunes de intercambiadores usados en plantas de proceso son los de tubo y coraza. Los intercambiadores de tubo y coraza tienen dos componentes mayores:

1. Un haz de tubos, que puede constar de cientos de tubos a travs de los cuales corre el fluido de los tubos.

2. Una coraza que encierra el haz de tubos y a travs de la cual corre el fluido de la coraza.

Para propsitos de este curso, un fluido es un liquido, un gas o una mezcla de ambos.

El material de los tubos usualmente es acero, bronce o aluminio, aunque se puede usarse acero inoxidable y otros aluminios en servicios severos de temperatura y/o corrosin. Un espejo soporta y sella los tubos. Cada tubo es insertado en un orificio en el espejo y se inserta una herramienta especial dentro del extremo abierto del tubo la cual expande uniformemente el tubo para embonar en el orificio en el espejo. La coraza es casi siempre de acero.

El interior de un tubo usualmente puede limpiarse fcilmente empujando una barra a travs de el, o usando un chorro a alta presin en la punta de la barra. La superficie exterior de un haz de tubos es mas difcil de limpiar, ya que la superficie de muchos de los tubos es de difcil de acceso. En con-secuencia, el fluido que probablemente causara mas corrosin o acumulara residuos fluye dentro de los tubos. Si se requiere de un material especial, como el acero inoxidable, para prevenir corrosin, solo los tubos y cabezales deben ser fabricados del material especial. Si el fluido corrosivo estuviese del lado de la coraza, los tubos y la coraza deben ser fabricados de bronce aluminio, comnmente llamado Admiralty, y el agua fluye a travs de los tubos.

Si ambos fluidos tienen propiedades corrosivas similares, usualmente fluye en el lado de los tubos el de ms alta presin. Esto se explica porque un tubo colapsara en una presin externa de cerca de la mitad de la presin mxima interna a la que sufrira dao el tubo. Por ejemplo, un tubo de acero que se colapsa cuando alcanza una presin interna de 2700 psi, colapsara tambin cuando la presin externa alcance las 1200 psi, es menos caro construir un intercambiador con la presin ms alta del lado de la coraza.

Los dos factores ms importantes que influyen en la seleccin del fluido que correr del lado de los tubos son la presin y el incrustamiento. Si uno de los fluidos es agua, casi siempre debe fluir del lado de los tubos, aun cuando sea el fluido de menor presin. Seleccionar el fluido frio o caliente, o gaseoso o liquido, no es factor. En otras palabras, la cantidad de calor transferida no se ve afectada significativamente si el fluido caliente va dentro o por fuera de los tubos, o si va liquido o gas dentro o fuera de los tubos.

Como veremos ms tarde, la cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador, depende del rea de metal que separa a los dos fluidos. En un intercambiador de tubo y coraza, esta rea de transferencia es el rea externa de los tubos. La razn por la que los intercambiadores de tubo y coraza son los ms usados es porque normalmente son el modo mas econmico de proveer el rea requerida para conseguir la transferencia de calor.

La mayora de los intercambiadores de tubo y coraza se encuentran montados en posicin horizontal. Si alguno de los fluidos es un lquido, usualmente entra por el fondo del intercambiador ya sea en el lado de los tubos o en la coraza y fluye hacia lo alto.

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Con este patrn de flujo el intercambiador permanecer lleno de lquido y toda el rea de transferencia de los tubos ser aprovechada. Si el lquido entra por lo alto y sale por el fondo, se pueden formar bolsas de vapor, y no se llevara a cabo la transferencia de calor en los tubos donde se forme la bolsa de vapor.

Los intercambiadores pueden ser montados verticalmente sin afectacin en la eficiencia

de los mismos, pero prevenir los bolsos de vapor es igual de importante como en los montajes horizontales.

Los intercambiadores de tubo y coraza tienen tres configuraciones de flujo comunes:

1. Un paso. 2. Dos pasos. 3. Multipasos.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA

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PARTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

1. Canal de la cabeza esttica 2. Bonete de la cabeza esttica 3. Brida de la cabeza esttica (canal o

bonete) 4. Guarda del canal 5. Boquilla de la cabeza esttica 6. Espejo de tubos estacionario 7. Tubos 8. Coraza 9. Guarda de la coraza 10. Brida de coraza ex extremo de

cabeza estacionaria 11. Brida de coraza extremo de cabeza

trasero 12. Boquilla 13. Brida de la guarda de la coraza 14. Junta de expansin 15. Espejo de tubos flotante 16. Cubierta de cabeza flotante 17. Brida de cabeza flotante 18. Dispositivo de soporte de cabeza

flotante

19. Split shear ring 20. Slip on backing flange 21. Guarda de cabeza flotante externa 22. Falda de espejo de tubos flotante 23. Brida de caja de empaques 24. Empaques 25. Anillo de empaques 26. Lantern ring 27. Tie rods and spacers 28. Placas transversales o platos de

soporte 29. Impingement baffle 30. Placa longitudinal 31. Particin de paso 32. Conexin de venteo 33. Conexin de dren 34. Conexin de instrumentos 35. Silleta de soporte 36. Oreja de izaje 37. Abrazadera de soporte 38. Vertedero 39. Conexin para nivel de liquido

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Un fluido hace un paso cuando fluye de un extremo del intercambiador hacia el otro. El intercambiador en lo alto de la pgina anterior, es un ejemplo de un intercambiador de un paso en tubos y un paso en coraza. Cada uno de los fluidos entra por un extremo y sale por el otro.

Un arreglo comn es el arreglo como el que se muestra en el esquema de en medio de la pgina anterior, que tiene dos pasos del lado de los tubos y uno del lado de la coraza.

Un intercambiador puede poseer cualquier numero de pasos. Cada paso debe estar sellado de los otros de tal manera que el fluido no rodee el intercambiador. Vea el intercambiador en la figura 2; el fluido del lado de los tubos entra por el fondo a la izquierda y fluye hacia la derecha en la mitad intermedia de los tubos. Cuando alcanza el extremo, gira 180 grados y fluye hacia la izquierda en la mitad superior de los tubos. El plato de particin, (parte numero 31), sella la entrada en la cmara baja del lado de los tubos de la cmara de salida. Si el plato de particin fugase, el fluido de la entrada ira directamente al extremo de salida, y no recibira intercambio de calor.

El lado de la coraza es ms difcil de sellar, y como consecuencia rara vez se usan ms de dos pasos. La placa longitudinal o plato de sello, parte 30, mostrado en el esquema de debajo de la pgina anterior, tiene un empaque para sellar la mitad superior de la coraza de la mitad inferior. Si el sello fuga, el fluido de la coraza pudiese fluir de una boquilla a la otra sin fluir a lo largo del intercambiador. En este intercambiador, ambos fluidos el de coraza y tubos hacen dos pasos.

El lado de la coraza de un intercambiador de tubo y coraza tiene placas transversales, parte 28 en la figura 2 y 3, que sirven para dos propsitos:

A. Mantener los tubos ordenados y evitar que se toquen unos con otros

B. Asegurar un flujo turbulento en el lado de la coraza para obtener una mxima transferencia de calor

Otra opcin de los intercambiadores de calor de tubos y coraza es que pueden ser fabricados de tal manera que el haz de tubos puede ser retirado. Todos los intercambiadores mostrados en las figuras anteriores a excepcin de la primera en la pgina anterior tienen haces de tubos removibles. Reemplazar un haz de tubos con incrustaciones se puede hacer en lapsos muy cortos de tiempo comparados con el que tomara limpiarlos. Aparte, el haz de tubos puede ser reemplazado, si es necesario, por una fraccin del costo de un intercambiador nuevo.

En un proceso donde la corrosin o el incrustamiento es algo poco probable de ocurrir, no existe razn para tener un haz de tubos removible. Un haz no removible o espejo de tubos fijo se puede usar, este tipo de haces son menos costosos que los de tipo removible. El intercambiador en lo alto de la pgina anterior, es un intercambiador de espejo fijo. Se debe tener en cuenta la expansin del haz de tubos en el momento de disear un intercambiador de haz fijo, de tal manera que permita la expansin o contraccin de los tubos sin que este afecte a los mismos.

Por ejemplo suponga que un aceite caliente a 315 grados Celsius fluye del lado de la coraza para calentar una

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corriente de nafta a 38 grados Celsius en un intercambiador de un paso de espejo fijo. La temperatura promedio de los tubos estara alrededor de los 170 grados. La coraza o la pared de la unidad estara alrededor de los 250 grados. A 250 grados de temperatura, la coraza puede expandirse a lo largo hasta en 10 mm por la expansin debida al calor, mientras que los tubos solo se expandiran 5mm por el calor. En tanto la coraza se expande, esto puede hacer que

los tubos se estrechen hasta que se suelten del espejo o se rompan en dos. Se debe tener cuidado de esta situacin, instalando una junta de expansin en el lado de la coraza. Si la presin en el lado de la coraza es ms de lo que puede absorber una junta de expansin, (usualmente hasta 250 psi) se necesitara instalar una cabeza flotante, o un haz de tubos en U para permitir la expansin o contraccin de los tubos indepen-dientemente de la coraza.

TIPOS DE REHERVIDORES DE TUBO Y CORAZA

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La ilustracin en lo alto de la figura 4 es un intercambiador de tubo y coraza llamado comnmente rehervidor. Es una combinacin de un intercambiador y separador gas liquido. En esta figura en particular, un fluido de calentamiento como vapor o aceite caliente fluye a travs de los tubos. El fluido del lado de la coraza es un liquido que se vaporiza parcialmente. Este liquido entra por el fondo de la coraza en la boquilla a la izquierda. Cuando el fluido corre hacia la derecha, parte de l se vaporiza y sale a travs de la boquilla superior en el central del tanque.

El lquido restante fluye hacia el vertedero, que est localizado a la derecha del haz de tubos, de tal manera que el liquido siempre cubre los tubos para que el rea completa est disponible para la transferencia de calor.

La ilustracin referida es llamada comnmente rehervidor tipo caldereta. Es usado para proveer el calor requerido en una torre de agotamiento o de destilacin. Su diseo debe proveer suficiente espacio libre sobre el nivel de lquido sobre el haz de tubos para que el vapor se separe del lquido en ebullicin en la coraza.

El intercambiador en la parte inferior de la figura 4 es llamado rehervidor termosifn. El fluido de calentamiento hace un paso a travs de los tubos. El liquido de una torre de agotamiento o fraccionadora entra en las dos boquillas del fondo de la coraza. Parte del liquido vaporiza en la coraza, esta combinacin de liquido y vapor sale por la parte de arriba y fluye de regreso a la torre de donde provino.

La seleccin de una caldereta o un termosifn es hecha por el diseador de la torre a la cual el rehervidor provee

calor. No hay reglas estrictas o rpidas para seleccionar uno en vez del otro.

El rehervidor de tipo caldereta es usado tambin en plantas de refrigeracin para enfriar una corriente de gas o de aceite de absorcin. En esta aplicacin, el refrigerante (comnmente propano) fluye del lado de la coraza, y el gas o aceite de absorcin fluye a travs de los tubos. El refrigerante entra a la coraza como liquido frio. Mientras enfra el haz de tubos, absorbe calor y se vaporiza. El vapor abandona el rehervidor por la parte superior y fluye hacia un compresor.

Todos los intercambiadores de calor de tubo y coraza usados en una planta de proceso son diseados para el servicio especfico en el cual se usaran. El dimetro de los tubos, longitud y numero de estos son seleccionado para una aplicacin especifica. El diseo y construccin deben estar acorde a especificaciones estrictas por una asociacin profesional de fabricantes de intercambiadores de calor. Como cada intercambiador es hecho a la medida para un trabajo, hay poca oportunidad que pueda ser usado en otra aplicacin satisfactoriamente.

B. Intercambiadores de horquilla

Se muestra una ilustracin de un intercambiador de horquilla en la figura 5. En la mayora de las aplicaciones, posee dos pasos en ambos lados de coraza y tubos. El haz de tubo puede tener varios tubos, o un tubo sencillo. A menudo los de un solo tubo tienen aletas longitudinales en el exterior para aumentar el rea de transferencia de calor.

El haz de tubos puede ser removido por el extremo trasero. Un dispositivo de sello se localiza en el extremo delantero,

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el cual es desarmado fcilmente para permitir el retiro de los tubos, la coraza del intercambiador esta hecha de tubera estndar.

Los fabricantes de intercambiadores de horquilla los construyen en tamaos estndar, usando materiales estndar para la coraza y los tubos. Cuando se usan estos intercambiadores, el proveedor determinara cual de las unidades estndar, o combinacin de ellas, proveer la carga de transferencia de calor requerida. Estas unidades no

son hechas a la medida a diferencia de los intercambiadores de tubo y coraza.

Estas unidades son suplidas con soportes de montaje que les permiten ser apiladas una sobre otra, o montadas lado a lado. Se pueden requerir varias unidades en un servicio dado. Pueden ser instalados en serie o en paralelo.

Una de las ventajas de los inter-cambiadores de horquilla, es que se pueden aadir secciones adicionales en un intercambiador ya instalado a un costo razonable.

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AEROENFRIADORES

Aeroenfriadores

Los aeroenfriadores son simples intercambiadores de tubos expuestos a una corriente de aire fluyendo a travs de ellos. Los tubos tienen comnmente aletas de aluminio presionadas contra la pared exterior del tubo para incrementar el rea de transferencia de calor. Se sopla aire a travs de los tubos con un ventilador impulsado por un motor elctrico o maquina. Estos intercambiadores son llamados comnmente solo aires.

Los dibujos de aeroenfriadores tpicos se muestran en la figura 6.

El fluido de los tubos hace al menos dos pasos, y frecuentemente tienen 6 u 8 pasos. El flujo del aire es en un solo paso.

Cada extremo del intercambiador tiene un cabezal en el cual los tubos estn rolados o soldados. La figura 7 muestra un cabezal tpico. Un tapn se localiza en el cabezal opuesto a cada tubo para facilitar las labores de limpieza de los tubos, para reemplazarlos, o sellarlos si fugan.

Los aeroenfriadores tienen 5 componentes bsicos:

1. Tubos 2. Cabezales 3. Ventilador e impulsor 4. Cmara de distribucin 5. Estructura de soporte

Los componentes se muestran en la figura 6. El ventilador puede estar montado bajo los tubos e impulsar el aire hacia arriba, esta configuracin es llamada de tiro forzado; o puede estar montado sobre los tubos y jalar el aire a travs de los tubos, a esta configuracin se le llama de tiro inducido. Los de tipo de tiro inducido son ms caros que los de tiro forzado, sin embargo se

prefieren ya que son ms eficientes debido a que hay menos oportunidad de que el aire caliente sea succionado de vuelta y reciclado a travs de los tubos.

Los ventiladores poseen generalmente de 6 a 8 aspas de tipo propela. Estas aspas son fabricadas en aluminio o plstico. Y pueden ser equipadas con ngulo de ataque regulable para variar el flujo de aire. Los sopladores de ngulo variable se usan selectivamente debido a su costo y mantenimiento. La velocidad del ventilador tambin puede ser regulada para controlar el flujo de aire.

Los tubos y cabezales de un aeroenfriador son fabricados por lo general en acero de grados estndar. En servicios corrosivos se pueden usar aluminios especiales. La porcin estructural est fabricada tambin en acero, pudiendo galvanizarse para protegerlo de la corrosin.

Frecuentemente se montan interruptores de vibracin en los aeroenfriadores para detener los impulsores de los ventiladores cuando se presenta vibracin excesiva. Esta es causada cuando una o ms de las aspas del ventilador se desbalancean. Las causas de esto pueden ser:

1. Acumulacin de suciedad u oxido en las aspas

2. Un aspa se giro en el mameln, as que su ngulo es diferente del resto

3. Un aspa se rompe o agrieta, o parte de la punta del aspa se rompe

4. Rodamientos desgastados en la chumacera del ventilador

Si no se toma accin correctiva inmediatamente cuando las aspas se desbalancean, la vibracin excesiva puede causar que la unidad vuele en partes y dae o lastime a las unidades cercanas o al personal.

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La mayora de los aeroenfriadores usados en plantas de proceso son fabricados a la medida para la aplicacin especfica donde sern usados. Unidades de tamaos estndar pueden ser encontradas en servicio, como radiadores, condensadores de aire acondicionado, y otros servicios similares donde la carga de transferencia de calor es constante.

Uno de los aeroenfriadores mas comunes es el radiador del automvil. Es de tiro inducido.

Cuando los aeroenfriadores operan en clima frio, a menudo es necesario restringir el flujo de aire a travs de los tubos para prevenir sobre enfriar el fluido de proceso. Un mtodo comn de restringir el flujo de aire es instalar persianas que restrinjan el flujo de aire

TIPOS DE AEROENFRIADORES

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DETALLES DE LOS CABEZALES EN UN AEROENFRIADOR DE 4 PASOS

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Estas persianas se instalan sobre los tubos en las unidades de tiro forzado, y en la parte de abajo en las de tiro inducido. Las persianas pueden operarse manualmente, o por un controlador automtico.

En instalaciones con clima frio extremo, las persianas no proveen suficiente restriccin al flujo del aire. Se provee un sistema de

recirculacin. En este tipo de unidades el aire circula a travs del soplador, a travs de los tubos y de vuelta al soplador. Cada vez que el aire fluye a travs de los tubos, se le eleva la temperatura. La temperatura del aire es controlada admitiendo parte del aire frio del exterior del intercambiador, y descargando un volumen igual de gas recirculante a la atmosfera.

AEROENFRIADOR RECIRCULANTE PARA INSTALACIONES CON BAJA TEMPERATURA AMBIENTE

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II PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

A. General

El proceso que se lleva a cabo dentro de un intercambiador de calor se conoce como transferencia de calor. Para ponernos de acuerdo, siempre consideraremos que el calor se transfiere de la sustancia ms caliente hacia la mas fra. En un aeroenfriador, el calor del fluido en los tubos se transfiere al aire soplando a travs de ellos. En un refrigerador de gas, el calor en el gas tibio es transferido hacia el refrigerante frio. El calor es una forma de energa. De este modo, podemos llamar a un intercambiador, un dispositivo de transferencia de energa.

Es importante que visualicemos el movimiento del calor de un fluido caliente hacia uno frio para que podamos entender los principios de la transferencia de calor. Se puede pensar en la transferencia de calor en un intercambiador como si una parte del fluido caliente se traslado al tubo y se mezclo con el fluido frio.

Recuerde: la transferencia de calor es el movimiento de calor del fluido caliente hacia el fluido frio.

Otro trmino que necesita recordar es el de carga. La carga de un intercambiador se define como la cantidad de calor transferida en una hora. La carga se expresa generalmente en Btu/hr.

En el sistema internacional de medidas el Watt es la unidad de energa. Un Watt equivale a un joule por segundo. Un Joule es la cantidad de calor requerida para aumentar la de temperatura de 0.24 gramos de agua en 1 grado Celsius.

Una Unidad Trmica de Energa (Btu)es la unidad inglesa de energa calorfica. Es la cantidad de calor requerida para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit.

TRANSFERENCIA DE CALOR El calor fluye del fluido caliente hacia el frio

La cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador ser la cantidad de calor que pierde el fluido caliente. Obviamente la misma cantidad de calor ser absorbida por el fluido frio.

De esta forma, la carga de un intercambiador ser la cantidad de calor que pierde el fluido caliente en una hora, o la que gana el fluido frio en el mismo periodo de tiempo.

La carga de un intercambiador est determinada por tres factores:

La diferencia de temperatura entre los dos fluidos.

Coeficiente del intercambiador, el cual depende del tipo de intercambiador y de las propiedades fsicas de los dos fluidos.

El rea superficial de los tubos.

La ecuacin que determina la transferencia de calor en un intercambiador es:

= ()()() Donde:

T = promedio de la diferencia de temperatura entre los dos fluidos.

Coeff = Coeficiente de las tablas

rea = rea superficial exterior de los tubos

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B. Diferencial de Temperatura

Uno de los fluidos en un intercambiador es el caliente y otro es el frio. La diferencia de temperatura entre los dos es la fuerza que impulsa o empuja el calor de un fluido hacia el otro. Si los dos fluidos se encuentran a la misma temperatura, la diferencia de temperatura es obviamente 0 grados, y no se transferir calor alguno. La cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador varia directamente con la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente.

Una temperatura diferencial mayor nos dar ms transferencia de calor; o ponindolo de otra manera, un intercambiador pequeo (menos costoso) se puede usar si se tiene una diferencial de temperatura ms alta. As es como, la mayora de los intercambiadores

se disean para una mxima diferencial de temperatura entre ambos fluidos.

Suponga que tenemos un tanque aislado con dos compartimentos. Tenemos agua caliente en el compartimento a la izquierda, y aceite frio en el otro. Parecera que la diferencia de temperatura entre los dos lquidos es de 93 38 = 55 grados C. el intercambiador de calor en este caso es la pared separando los dos lquidos. La temperatura del agua en el muro del compartimento rpidamente se enfriara a 70 grados aproximadamente; y la temperatura del aceite prxima al muro se elevara a 60 grados aproximadamente. As, la diferencial de temperatura en el intercambiador es de solo 70 60 = 10 grados, aunque esta a 5 veces ms a una distancia muy corta en el intercambiador.

DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE FLUIDOS, T, ES LA FUERZA QUE IMPULSA EL CALOR DEL FLUIDO CALIENTE HACIA EL FRIO.

La diferencia de temperatura en el muro del compartimento es de 10 grados

La diferencia de temperatura en el muro del compartimento es de 55 grados

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Si ponemos agitadores en ambos compartimentos para agitar violentamente cada lado de tal manera que la temperatura de cada liquido sea la misma a travs de el compartimento, se obtendr la mxima diferencial de temperatura en el intercambiador. La transferencia de calor se realizara a su mxima velocidad.

Ahora suponga que el aceite y el agua en los dos compartimentos fluyen a travs de los tubos y la coraza de un intercambiador. El aceite frio esta fluyendo por la coraza y el agua caliente por los tubos. Si ambos fluidos estn fluyendo a baja velocidad, el flujo ser laminar, que es anlogo a las temperaturas con el compartimento esttico. La temperatura del agua en el medio del tubo ser ms alta que la temperatura a solo corta distancia de la pared del tubo. En el lado de la coraza, la temperatura cercana a los tubos ser ms alta que la de la coraza. Si incrementamos la velocidad de los fluidos para pasarlos a rgimen turbulento, las

temperaturas sern anlogas a la de los compartimentos con los agitadores.

Los intercambiadores son diseados de tal modo que el rgimen de flujo sea turbulento. Recuerde que en los intercambiadores de tubo y coraza las placas son usadas en el lado de la coraza para dirigir el sentido del flujo. Si no hubiese placas, el fluido de la coraza se movera lentamente a travs del intercambiador, por lo tanto incrementando la velocidad. Se deben incluir suficientes placas en el lado de la coraza para asegurar un flujo turbulento.

El flujo turbulento del fluido en los tubos se mantiene limitando el numero de tubos en el intercambiador.

Ocasionalmente el diseo resulta sin flujo turbulento en los tubos. En tales casos, se induce la turbulencia insertando listones de metal en los tubos torcidos en forma de espiral.

Ejemplo:

El agua fluye a una velocidad de 4200 l/min, pasando a travs de los tubos de un intercambiador. Los tubos tendrn un rgimen turbulento si el agua fluye a travs de cada uno a una velocidad mnima de 8.4 l/min. Cuntos tubos se requerirn para asegurar el flujo turbulento?

Flujo total de agua. 4200 l/min

Flujo mnimo por tubo para flujo turbulento. 8.4 l/min

Numero mximo de tubos.

. = 500 El mximo de tubos a instalar con un flujo de 4200 l/min para conseguir un flujo turbulento es de 500 tubos.

La diferencia de temperatura de los dos fluidos es el promedio de la diferencial de temperaturas entrando y saliendo del intercambiador. Se determina calculando la diferencia de temperatura de los fluidos entrando al intercambiador y a la salida de el; y aadiendo las dos juntas al dividirlas por dos. El clculo de la diferencia de

temperatura promedio exacta envuelve el uso de logaritmos y no es indispensable conocer el procedimiento. Lo importante de recordar es que la diferencia promedio de temperatura es algo menor que el promedio aritmtico. Para propsitos de esta capacitacin el promedio aritmtico ser suficiente.

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Ejemplo:

Determine la temperatura diferencial promedio en el enfriador de aceite mostrado en la figura inferior.

Ejemplo:

Un aeroenfriador se usa para enfriar gas de un compresor. Las temperaturas se muestran debajo. Calcule la diferencia de temperatura promedio.

T promedio =

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1. Enfoque de la Temperatura Una de las herramientas ms usadas en la resolucin de problemas de intercambiadores de calor es la de la enfoque de la temperatura. El enfoque de la

temperatura es la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente a la salida del intercambiador. El enfoque de temperatura se ilustra claramente en la ilustracin siguiente:

El fluido principal de proceso en el intercambiador mencionado es obviamente aceite. Sale en el extremo izquierdo, as que este extremo es en donde se lleva a cabo la medicin del enfoque de temperatura. Es de 6C. hemos enfocado dentro de 6 de enfriamiento de aceite a la ms baja temperatura posible con 32 C de agua.

En este intercambiador, el agua es calentada absorbiendo calor del aceite. Sin embargo la funcin principal del intercambiador es enfriar aceite y no calentar el agua.

Suponga que la temperatura de salida del aceite del intercambiador roce los 44C. parece que hay un problema en el intercambiador. Antes de hacer algo, revise el enfoque de temperatura. Si el agua de enfriamiento a la entrada del intercambiador se ha elevado en 6C, el enfoque de temperatura ser el mismo, y no existe problema alguno en el intercambiador. El

problema se debe a una alta temperatura en el agua.

Si la temperatura del agua no se ha elevado, el enfoque de temperatura se encuentra alto, lo cual indica un problema en el intercambiador, (taponeo, incrustacin, etc.).

De este modo, cuando aparentemente hay un problema con el intercambiador, se debe checar primero el enfoque de temperatura. Si este no ha cambiado rara vez el problema estara en el intercambiador; casi siempre se trata de un problema de proceso los cambios en la tasa de flujo y/o temperaturas de las corrientes de proceso.

En el otro lado, si el enfoque de temperatura se aumenta, debe existir seguramente un problema en el intercambiador.

Si no se tiene seguridad del extremo en que el fluido principal de proceso deja el

Tipo de intercambiador Enfoque de Temperatura Tubo y coraza 5.5 11C Horquilla 8 - 16 C Aeroenfriados 8 - 16 C

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intercambiador, determine la diferencial de temperatura en cada extremo, y la menor de los dos extremos es el enfoque de temperatura.

Los enfoques de temperatura tpicos para cada tipo de intercambiador se muestran en

la tabla bajo del dibujo anterior.Para poder determinar si el enfoque de temperatura ha cambiado o no, se debe tomar un registro de enfoques de temperatura para cada intercambiador en la instalacin cuando operan en condiciones normales.

Problema 2

La diferencial de temperatura promedio en el intercambiador gas gas es:_____________, el enfoque de temperatura es: _______________.

C. Coeficiente del intercambiador de calor

En un intercambiador, el calor debe viajar del fluido caliente al muro del intercambiador, entonces moverse a travs de la pared o tubo, y entrar al fluido frio.

La velocidad a la cual el calor se mueve desde el fluido caliente hacia el fluido frio depender de las propiedades de los fluidos. La velocidad del calor que viaja en el agua es

rpida; es ms baja en hidrocarburos, y mucho ms baja en gases.

El coeficiente de un intercambiador es una medida de la cantidad de calor que se transfiere en una hora a travs de una superficie de un metro cuadrado de rea de intercambio por cada grado de diferencial de temperatura entre el fluido caliente y el frio. Los coeficientes tpicos se muestran en las tablas de coeficientes al final de este manual.

1. el calor se mueve hacia la pared del intercambiador. 2. el calor se mueve a travs de la pared del intercambiador 3. El calor se mueve hacia el fluido frio

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D. rea

El factor final que afecta el flujo de calor es el rea de transferencia del intercambiador. Un intercambiador con 10 tubos obviamente transferir dos veces ms calor que uno con 5 tubos. El rea de transferencia de un

intercambiador es el total del rea externa de los tubos en la unidad.

La tabla II muestra el rea externa por metro lineal de los tubos ms comnmente usados en la construccin de intercambiadores de calor.

Ejemplo

Un intercambiador posee 300 tubos de 20 mm de dimetro y 6 metros de longitud. Cul es el rea total de transferencia?

Solucin:

Numero de tubos 300 Longitud de tubo 6 metros Largo equivalente de la tubera 300 x 6 = 1800 metros Tamao de los tubos 20 mm rea unitaria por metro de tubo 0.0628 m2/m rea total de los tubos 1800 x 0.0628 = 113 m2

Problema 3

Un enfriador de glicol tiene 250 tubos de 25 mm de 6 metros de longitud.

El rea total de transferencia es:______________________________

Para resumir, la transferencia de calor depende de tres factores:

1. Diferencia de temperatura de los fluidos intercambiando calor. 2. Coeficiente del intercambiador. 3. rea superficial de transferencia.

E. Carga

Recordara que anteriormente mencionamos que la cantidad de calor transferido en una hora en un intercambiador era llamado carga, y que la cantidad de calor que se transferir en un intercambiador est determinada por la siguiente ecuacin:

= ()()()

Cuando se disea un nuevo intercambiador, la carga, coeficiente y diferencial de temperatura son conocidas, y necesitamos determinar el rea. La formula se despeja para calcular el rea:

= ()() Ahora que los factores que afectan el desempeo de un intercambiador han sido cubiertos, veamos algunos ejemplos.

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Ejemplo

Un enfriador de crudo opera a las condiciones mostradas en el esquema de abajo: el intercambiador tiene 240 tubos de 20 mm de dimetro y 12 metros de longitud. Cul es la carga del intercambiador?

Solucin:

Usaremos la siguiente frmula: = ()()() Calculemos T: 38 C Aceite 82 C

T=38 - 32C T=82 49C

32C Agua 49C

T promedio=

=

= 19.5

Coeficiente (de Tablas) 340 Calculo del rea: Numero de Tubos 240 Longitud de los tubos 12 m Largo equivalente de la tubera 12 x 240 =2880m Dimetro del tubo 20 mm rea por unidad de tubo (de tablas) 0.0628 m2/m rea total de transferencia de los tubos 2880 x 0.0628 = 181 m2 Ecuacin de la carga de intercambio de calor = ()()() Substituyendo (19.5)(340)(181) Carga 1,200,030 Watts

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F. Cada de Presin

Mencionamos con anterioridad que el flujo que el flujo a travs de los tubos y la coraza debe ser turbulento, y una velocidad relativamente alta se debe mantener. El resultado neto de esto es que va a existir una cada de presin en cada uno de los fluidos a lo largo de su paso por el intercambiador. La presin en la salida ser menor que en la entrada para cada uno de los fluidos.

La mayora de los intercambiadores se disean para manejar una cada de presin de 5 a 10 psi. La cada de presin es una

herramienta til para monitorear los posibles problemas que se presenten en los intercambiadores. Una cada de presin baja indica un flujo bajo, o la posibilidad de ruptura de tubos.

Una cada de presin alta indica una relacin de flujo alta, corrosin, incrustaciones, ceras, hidratos o taponeo.

Para medir en forma precisa la cada de presin se deben instalar manmetros indicadores de presin diferencial en las corrientes de la manera indicada en el diagrama.

MEDICION DE LA CAIDA DEPRESION.

El uso de indicadores de manmetros en la entrada y salida de las corrientes no es suficientemente preciso para detectar cambios de magnitudes de 2.5 a 5 psi.

Las lecturas de presin diferencial deben ser tomada cuando el intercambiador es nuevo o tras haber sido limpiado, y se debe conservar el registro en un lugar de fcil acceso de tal modo que las lecturas futuras puedan ser comparadas contra las tomadas con la unidad en condiciones optimas.

G. Transferencia de calor real.

Hasta este punto, nuestra discusin ha cubierto los aspectos tericos de los intercambiadores de calor. En otras palabras, la cantidad de calor que debe ser transferida por un intercambiador se basa en el rea, temperatura diferencial promedio y el coeficiente de transferencia. Pero, como sabemos si la transferencia de calor real es la misma que la terica?

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La cantidad de calor a transferir para incrementar o reducir la temperatura de un fluido cuando no hay condensacin o

vaporizacin se determina con las siguientes ecuaciones:

ECUACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR REALES

Transferencia de calor donde: Watts=0.28 (kg/hr)(CambTemp)(Cap cal) Cambio de temperatura Temp de entrada Temp de salida C

Capacidad calorfica kJ de energa para calentar 1kg 1C Capacidad calorfica de agua 4.19 kJ/kg

Capacidad calorfica H/C 2.1 kJ/kg La capacidad calorfica en unidades inglesas de medida es llamada capacidad calorfica. El valor de esta para hidrocarburos gaseosos varia de 1.7 a 4.2 dependiendo de la temperatura y la presin. La capacidad

calorfica de los hidrocarburos lquidos varia de 1.9 a 2.3. para otros propsitos usaremos un valor promedio de 2.1 para hidrocarburos gaseosos o lquidos.

Ejemplo

Un calentador de agua tiene 160 kg de agua que entra a una temperatura de 32C y es calentado a 65C en una hora. Determine la transferencia de calor

Ecuacin de transferencia de calor (0.28)(peso)(cambio de Temp) x (Cap Cal) Peso del agua 160 kg/hr Cambio de Temperatura 65 32 = 33C Capacidad calorfica del agua 4.19 Substituyendo (0.28)(160)(33)(4.19) Carga 6194 Watts 1. Conversin de volumen de liquido a peso.

Como se noto en el ejemplo anterior, el flujo msico se debe conocer para calcular la transferencia de calor. La mayora de los medidores de flujo lo miden en volumen. Se

hace necesario convertir el volumen a peso para calcular la cantidad de calor que transfiere.

La siguiente ecuacin se usa para convertir volumen de liquido a peso:

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Peso/hr=(Volumen/hr)(Densidad del Agua)(Densidad relativa del liquido)

2. Conversin de volumen de gas a peso

Si uno de los fluidos en un intercambiador es un gas, las ecuaciones para calcular el peso por hora son:

Peso del Gas = (0.05) ( Flujo, m3/da) (Densidad Relativa del gas)

Los flujos de gas en la ecuacin anterior son flujos diarios, que es lo que la mayora de los medidores de flujo indican.

3. Calor de vaporizacin o Condensacin

Como se menciono previamente, 4.19 kJ de calor se requieren para elevar la temperatura de a 1 kg de agua en 1 grado Celsius. El agua ebulle a 100C. Tras que la temperatura del agua alcanza su punto de ebullicin, 2257 kJ deben agregarse para ebullir 1 kg de agua. No se presenta ningn cambio de temperatura cuando el agua ebulle; la temperatura del vapor que se forma es exactamente la misma que la del liquido en ebullicin. La energa calorfica que debe ser aadida a un liquido para cambiar a gas es llamada calor de vaporizacin. Y es obviamente la cantidad de calor que tiene que ser retirada a un gas para que este condense.

CALOR DE VAPORIZACION O CONDENSACION

Agua 2257 kJ/kg Hidrocarburo 350 kJ/kg

En la mayora de las situaciones donde se enfra gas, parte del hidrocarburo y/o del agua se condensa al mismo tiempo que el gas se enfra. Esto se debe considerar cuando se determine el total de la transferencia de calor cuando el gas es enfriado.

Cuando se calcula la carga real de un intercambiador, es mas practico determinar esta en base al fluido que no se condensa o vaporiza parcialmente porque el porcentaje de condensacin y/o vaporizacin no

siempre es conocido. En los intercambiadores que usan agua como fluido de enfriamiento, el flujo de agua y su cambio de temperatura se usan para determinar la carga.

La carga real de un intercambiador se calcula cuando tenemos razones para creer que este no se desempea como debiese.

Primero calcularemos la calidad de calor que se transfiere realmente usando el valor del flujo de agua y el incremento de la temperatura. El prximo paso es calcular la cantidad terica de calor que el intercambiador transferir usando la ecuacin de los intercambiadores, y compararemos entonces ambos valores.

Las causas posibles por las cuales se pierde carga en un intercambiador y que deben ser revisadas antes de detener la operacin del mismo son:

1. Si el gas contiene hidrocarburos con-densables o humedad, estos se acumularan en la parte baja de la coraza, esto puede cubrir los tubos y reducir la eficiencia del intercambiador. Abra un dren en el fondo del intercambiador del lado de la coraza, y verifique la existencia de depositos de lquidos. Realice esta accin con precaucion, porque los hidrocarburos lquidos a la presion de operacin, al salir a la atmosfera pueden ser altamente volatiles.

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2. Si hay presencia de aceite proveniente de un compresor, este puede formar una capa en el exterior de los tubos y reducir el flujo de

calor. Esta situacin va aumentando gradualmente sobre el paso del tiempo. Y reduce el coeficiente de transferencia del intercambiador.

III. APLICACIONES DE INTERCAMBIADORES.

Los intercambiadores de calor se usan por lo general por las siguientes razones:

1. Para transferir calor para que un proceso se lleve a cabo.

2. Para conservar energia. 3. Para enfriar una corriente caliente.

Algunos ejemplos son:

1) Intercambiadores de Proceso a) Rehervidores en torres

fraccionadoras y agotadores de Glicol.

b) Condensadores de reflujo en fraccionadoras.

c) Refrigeradores de Gas 2) Conservar energia

a) Intercambiadores Gas Gas b) Intercambiadores Glicol rico Glicol

pobre. c) Intercambiadores de Amina pobre

Amina oxidada. d) Intercambiadores de Aceite rico

Aceite pobre. e) Precalentadores de una

fraccionadora. 3) Enfriadores.

a) Radiadores. b) Enfriadores de gas de compresores. c) Enfriadores de productos.

La seleccin del tipo de intercambiadores a usar en un servicio en particular, es normalmente cuestion de analisis econmico. Sin embargo la seleccin del mismo puede ser dictada por las circunstancia. Por ejemplo, si se necesita de un enfriador de proceso en una instalacin

que no tiene agua disponible, un aeroenfriador es la opcin a elegir.

A. Tubo y Coraza.

Es el tipo de intercambiador mas usado en plantas de proceso es el de tubo y coraza. Este se puede disear en una amplia variedad de configuraciones ajustadas para realizar un servicio especifico. Se usan algunos materiales especificos para servicios corrosivos o a bajas temperaturas. Pueden ser largos o cortos, horizontales o verticales. La ventaja de los intercambiadores de tubo y coraza es que como son diseados para una aplicacin en particular, se desempearan mas satisfactoriamente que otros tipos.

Las desventajas de este tipo de intercambiadores es que son costosos, y su reutilizacion es muy limitada en otra aplicacin.

B. Horquilla

Los intercambiadores de horquilla son mayormente usados cuando los reque-rimientos de rea de transferencia son menores a 40 m2. Se fabrican en medidas estndar. Como se pueden seleccionar unidades estndar para encajar en el servicio en particular de transferencia de calor, el intercambiador puede o no, desempearse acorde a lo requerimentos del proceso. Son menos costosos que los intercambiadores de calor de coraza y tubo en medidas pequeas.

Probablemente el uso mas extendido de los intercambiadores de calor de horquilla es en

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equipos de proceso paquetizados, como deshidratadoras de gas, plantas de

recuperacin de hidrocarburos refrigeradas, plantas de endulzado con amina, etc.

HAZ DE TUBOS DE INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA

Las ventajas de los intercambiadores de horquilla son:

1. Bajo costo. 2. Facilidad de mantenimiento. 3. Facilidad de aadir unidades

adicionales. 4. Pueden ser facilmente reusados. 5. Tiempos de entrega cortos.

Las desventajas de este tipo de intercambiadores son:

1. Pueden tener un desempeo menor al rquerido por el proceso.

2. Una seleccin limitada de materiales de construccin.

3. Son mas grandes y ocupan mas espacio.

C. Aeroenfriadores

Los aeroenfriadores se usan cuando no existe disponibilidad de usar otro fluido de enfriamiento (como el agua).algunas de las aplicaciones mas comunes de los aeroenfriadores son:

Radiadores de motores.

Enfriadores de proceso en equipos paquetizados y plataformas costa fuera.

Condensadores de fraccionadoras.

La desventaja principal de aeroenfriadores es que la temperatura del fluido que sale del enfriador esta limitada por la temperatura ambiental. Un enfoque de temperatura de 11 C es de lo mejor que se puede obtener. Esto significa que la temperatura de salida del fluido de proceso estara 11 por arriba de la ambiental. Los aeroenfriadores deben ser ubicados cuidadosamente en plantas, donde pueda haber equipos de proceso que calienten el aire a circular en el enfriador. Deben ser ubicados en sobre el nivel de muros o construcciones que puedan desviar el flujo del aire de salida hacia la entrada.

AEROENFRIADORES EN UNA PLANTA DE PROCESO

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DOS INTERCAMBIADORES DE HORQUILLA EN SERIE

IV OPERACIN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

A. Tubo y coraza y Horquilla

En la mayoria de los casos, a amyoria de lso intercambiadores se ponen en servicio simplemente abriendo el flujo de los fluidos de proceso a que pasen a traves de el.. el fluido que tenga la temperatura mas cercana a la ambiental debe ser abierto primero para evitar un choque termico.si el fluido caliente esta 55C mas caliente que el frio, el flujo del fluido caliente debe ser abierto lentamente para evitar un choque termico en los tubos.

Si alguno de los fluidos es un liquido, el intercambiador debe revisarse para verificar que no se han formado bolsas de vapor en el interior en el lado del liquido. Esto se hace cerrando la vlvula en la linea de salida de

liquido, abriendo la vlvula en la linea de entrada de lquidos, y abriendo una vlvula de venteo en el punto mas alto del intercambiador. La vlvula de venteo se mantiene abierta hasta que la corriente que sale de la vlvula de venteo, sea liquida ininterrumpidamente.

Cuando un intercambiador es puesto fuera de operacin, el fluido con la temperatura de entrada al equipo mas cercana a la ambiental, debe ser cerrada al final. Si el fluido permanecer en el intercambiador durante el tiempo de paro, las valvulas del intercambiador deben permanecer abiertas para proveerr una via de relevo de represionamientos en cualquiera de los fluidos de proceso.

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PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

La mayoria de los rehervidores tienen controladores de temperatura que regulan el flujo del fluido caliente a traves de los tubos. El controlador de temperatura puede ponerse en servicio cuando el liquido de la coraza se encuentra cubriendo los tubos, y estos han sido calentados lentamente admitiendo el fluido caliente a los tubos.

Las revisiones de rutina con el equipo de intercambio de calor de tubo y coraza en operacion son:

1. Observe las temperaturas de entrada y salida de los fluidos y determine la causa de las posibles desviaciones.

2. Verifique la cada de presion en ambas corrientes, y determine la causa de las posibles desviaciones.

3. Reduzca o incremente el flujo de fluidos para obtener las temperaturas deseadas. Por ejemplo, abra el flujo de agua a los enfriadores durante el verano, y restrinjalos durante el invierno.

4. Si el intercambiador no esta aislado, y el flujo del lado coraza es un

liquido, sense a lo largo del exterior un rea con una temperatura que difiera de la del resto de la unidad. Un rea de temperatura diferente indica una bolsa de vapor, la cual es corregida por la apertura de una vlvula en lo alto del intercambiador.

B. Aeroenfriadores

Los aeroenfriadores se arrancan en la siguiente secuencia:

1. Arranque el ventilador. Verifique vibracin o ruidos inusuales.

2. Abra el paso alfluido a traves de los tubos.

3. Ajuste las persianas el ngulo necesario para mantener una temperatura de salida apropiada. Cuando la unidad este fuera de servicio, cierre las valvulas y apague el ventilador.

Las verificaciones de rutina en operacin son:

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1. Verifique las temperaturas de entrada y salida y determine la causa de los cambios posibles.

2. Ajuste las persianas u otros controles de flujo de aire lo necesario para mantener la temperatura apropiada en el fluido a la salida.

3. Verifique fugas en los tubos y cabezales.

4. Verifique el ventilador por ruidos o vibracin.

5. Cheque las aletas de los tubos por dao, suciedad u obstruccion.

6. Periodicamente verifique las aspas, velocidad, ngulo de ataque, oxido, suciedad e integridad.

V. SOLUCION DE PROBLEMAS EN CAMBIADORES

A. CAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA

El calor transferido en un cambiador de calor es igual a:

Carga = (Dif. de Temp) (Coef.)(rea)

Cuando un problema ocurre en un cambiador, uno o mas de los tres factores han declinado. Los sntomas son: el fluido caliente no esta siendo enfriado; el fluido frio no esta siendo calentado; y la temperatura alrededor se ha incrementado.

Siguiendo las causas mas comunes de problemas en cambiadores.

La solucin de un problema es un proceso de checar cada causa probable, y eliminar cada causa hasta encontrar la culpable. Generalmente es mejor checar primero las causas fciles

-temperaturas, cadas de presin, flujos, etc.

-y entonces despus ir a las mas difciles.

La primer cosa que checar en un cambiador que aparenta tener un problema es la temperatura de entrada y salida de cada fluido usando un termmetro con alta exactitud. Si la temperatura leida indica un problema, checar el flujo de cada fluido para confirmar que este esta dentro de los parmetros normales.

Si el flujo esta dentro de su rango normal de operacin, el siguiente paso es determinar si el problemas es en lado coraza o tubos del cambiador, Un incremento en la cada de presin casi siempre ocurre en el lado con problemas.

Si el agua es uno de los fluidos en un cambiador que no esta transfiriendo tanto calor como debiera, el problema es usualmente en el lado del agua. Corrosion, sarro, acumulacin de suciedad, y crecimiento de fanfo u otro material puede ocurrir en el lado agua. Este tipo de ensuciamiento generalmente es alcanzado en un periodo de varias semanas, a menos que exista un trastorno en el sistema de agua circulante.

Un retrolavado con agua es frecuentemente efectivo para remover estos desechos del cambiado.

El agua usualmente fluye por dentro de los tubos.

El tipo de ensuciamiento es determinado removiendo las cabezas e inspeccionando visualmente los tubos. Los tubos pueden ser limpiados usando una broca enfriada por agua o con una herramienta especial que arroje chorros de agua a alta presin y lije el sarro u otro material de la superficie de los tubos.

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Si el fluido en el lado del problema del cambiador no es agua, la causa del ensuciamiento debe ser determinada. Formacin de hidratos en enfriadores de gas,

formacin de parafinas en enfriadores de aceite crudo son bastante fcil para identificar

Factor deTransferencia de Calor

Causa de declinacin Accion Correctiva

Coeficiente Suciedad o limo en la superficie de los tubos

Sarro dentro de los tubos Sarro o suciedad fuera de los

tubos Hielo o hidratos formando una pelcula dentro de los

tubos. Aceite lubricante de los

compresores formando una pelcula dentro de los tubos

Retrolavado Lavado de tubos con chorro a presin, varilla o cepillo- Lavado con qumicos. Inyeccion de metanol. Este podra no ayudar si los tubos se encuentran totalmente tapados. Drenar el aceite acumulado en el cambiador.

Area Tubos obstruidos por suciedad, sarro o fango.

Tubos obstruidos por hielo o hidratos.

Tubos obstruidos por parafinas.

Retrolavado, lavado con chorro a presin varilla o cepillo. Calentamiento por encima de la temperatura de formacin de hidratos. Calentamiento por encima del punto de vaporizacin.

Diferencia de temperatura El flujo de uno o ambos fluidos no es turbulento

La temperatura del fluido de entrada es ms baja que la

temperatura del fluido a ser calentado.

1. Incrementar el flujo 2. Instalar dispositivos

para generar turbulencia.

3. Ajustar las temperaturas a las condiciones normales de operacin.

.

La formacion de hidratos ocurrir en un gas conteniendo agua libre cuando la temperatura sea disminuida al punto de formacin de hidratos. Esto puede ocurrir en un enfriador de gas cuando la temperatura de entrada de el fluido enfriador esta por debajo de la temperatura de formacin de hidratos. Parafinas pueden formarse en un enfriador de aceite crudo si la temperatura de entrada del fluido enfriante esta por

debajo del punto de vaporizacin de el aceite.

Hidratos o parafinas son removidos deteniendo el flujo del fluido enfriante y manteniendo el flujo del fluido caliente hasta que el cambiador se caliente.

Si el lado coraza de un cambiador se ensucia por sarro, corrosin o coke, un acido o

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solucin qumica es usualmente circulada a travs del lado coraza para limpiarlo. Especialistas en este tipo de trabajos deben ser consultados para seleccionar el qumico adecuado y el procedimiento para ser aplicado.

El mejor mtodo para tratar los problemas causados por sarro o corrosin es el de prevenirlos inyectando inhibidores dentro de la corriente para prevenir sarro o corrosin.

Una fuga en un cambiador resulta en un fluido a alta presin entrando a una corriente de baja presin. Una fuga grande puede causar un incremento en el fluido de baja presin, que es usualmente obvia por la lectura del manmetro, o una reduccin en el flujo del fluido de baja presin.

Una pequea fuga puede no resultar notoria en un incremento de presin en el fluido de baja presin. Esto se puede identificar

tomando una muestra del fluido de baja presin en la salida del cambiador y checar la presencia del fluido de alta presin. Por ejemplo, suponer que ocurre una fuga en un cambiador aceite crudo/enfriador agua, donde la presin del aceite es mas alta que la presin del agua. Una muestra de agua dejando el cambiador contendra aceite.

Si ambos fluidos son de la misma composicin, como un cambiador gas/gas un anlisis en el laboratorio de una muestra de la salida del fluido de baja presin tiene que ser necesaria para detectar la presencia del fluido de alta presin en la corriente.

Si un tubo es confirmado con fuga, el cambiador debe sacarse de operacin y remover las cabezas. Aplicar presin a lado coraza y el tubo o tubos que presenten fugas debern ser tapados con tapones metalicos en cada extremo del tubo.

HAZ DE TUBOS EN TUBOS EN U REMOVIBLE

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Causa de prdida de carga Accin correctiva

1. Bajo flujo de uno o ambos fluidos.

Checar los flujos. Incrementar al flujo de diseo.

2. Temperatura de entrada de uno o ambos fluidos ha cambiado.

Checar temperaturas. Corregir si es necesario.

3. Vapor entrampado en el lado de liquido.

El vapor entrampado es percibido a la salida del cambiador. La temperatura ser diferente alrededor del rea donde esta entrampado el vapor. Ventee el vapor.

4. El cambiador es ensuciado con corrosin, sarro, lodo. O crecimiento de limo en el lado agua. Esta condicin usualmente lleva varias semanas en aparecer y empeora gradualmente.

a. Verificar condiciones midiendo la cada de presin.

b. Correr agua en sentido contrario con alta presin diferencial si es posible.

c. Saque de operacin el cambiador y limpia el lado sucio. El lado tubo `puede se limpiado con una varilla o con chorro a presin. El lado coraza usualmente requiere que se le recircule algn qumico.

5. Un enfriador de gas es obstruido con hidratos. Esta condicin puede ocurrir aun cuando la temperatura de la salida del gas este por encima del punto de formacin de hidrato si la temperatura del fluido de enfriamiento est por debajo del punto de formacin de hidratos.

a- Verificar si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de formacin de hidratos, y la cada de presin o taponamiento se ha incrementado.

b- Detenga el flujo del fluido de enfriamiento hasta que la unidad se caliente por encima de la temperatura de formacin de hidratos.

c- Inyecte metanol dentro de la corriente de gas de entrada para prevenir la formacin de hidratos.

6. Un enfriador de aceite crudo es obstruida con parafina. Esta condicin puede existir aun cuando la temperatura de salida del aceite este por encima del punto de vaporizacin si el fluido de enfriamiento esta por debajo

a. Verifique si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de vaporizacin, y la cada de presin se ha incrementado en lado aceite.

b. Reduzca o incremente la temperatura

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del punto de vaporizacin. del fluido de enfriamiento y permite calentarse el aceite hasta calentar el cambiador sobre el punto de vaporizacin.

7. Uno o mas tubos estn fugando. El fluido de alta presin fluir hacia el lado del fluido de baja presin. La presin en el lado de baja presin usualmente se incrementara.

a. Confirmar la fuga por la observacin de la presin o analizando la presencia del fluido de alta presin en el fluido de baja presin.

A. Aeroenfriadores

Tres tipos de problemas ocurren en un aeroenfriador:

1. Dificultades mecnicas con el impulsor, poleas, reductores de velocidad, paletas, etc. Estos no son problemas de los cambiadores, y no sern discutidos aqu. Esto usualmente resulta en vibracin excesiva.

2. Insuficiente movimiento de aire atreves de los tubos. Este es un problema del cambiador que es difcil de diagnosticar. La mejor solucin para este problema es la prevencin.

a. Checar la velocidad del ventilador y remplace las bandas o realice las reparaciones necesarias.

b. Mantenga las aspas del ventilador limpias y con su angulo de inclinacin correcto.

c. Mantenga el exterior de los tubos limpios. Las aletas deben ser limpiadas cuando inicien a obstruirse con suciedad.

3. El problema final es la insuficiencia de transferir calor. Esto se muestra como un incremento en la

temperatura del fluido saliendo del enfriador. Aqu est el pro-cedimiento para encontrar la causa:

a. Checar por algn incremento en le flujo o temperatura del fluido de entrada.

b. Checar por un apropiado movimiento del aire. Ver que las persianas estn abiertas, que el ventilador este corriendo a toda su velocidad, las aspas estn limpias y con su Angulo correcto, y las aletas estn limpias y sin dao.

c. Checar por fugas en los tubos. Una fuga usualmente se muestra como una mancha y puede causar que la salida del aire se vea como humo. Por supuesto una fuga severa de lquido puede gotear a el suelo y ser obvia.

d. Si el problema persiste, corrosin interna o tubos tapados es lo ms probable. Esto puede usualmente ser confirmado checando el incremento en la cada de presin a travs de los tubos. Aeroenfriadores usualmente tienen de 4 a 8 pasos. La cada de presin de cada paso debera ser checada para ver si uno o ms pasos estn ms altos que otros en su cada de presin.

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VI. PROBLEMAS DE CAMBIADORES DE BAJA TEMPERATURA

La transferencia de calor es uno de los procesos mas crticos en las plantas refrigeradas o criogenicas. La recuperacin de los productos depende de enfriar el gas a la temperatura mas baja posible. Alrededor del 80% del enfriamiento ocurre en cambiadores. Consecuentemente, los cam-biadores de calor tienen que operar apropiadamente para obtener la mxima produccin.

En esta seccin nos ocuparemos de los sistemas de intercambiadores de en-friamiento de gas. Operacin y solucin de problemas otros procesos de cambiadores han sido cubiertos.

A. Intercambiadores Gas/Gas

La funcin de estos cambiadores es recuperar el frio del gas enfriado que esta dejando la planta transfiriendo este a la corriente de gas de entrada. Estos cambiadores son usualmente diseados para un rango de 5 C (10 F) de enfoque. Para decirlo de otra forma los cambiadores con 5 C (10 F) de temperaturad e enfoque obtendra el 100 % de refrigeracin del gas frio.

Esto es importante que rendimiento de los cambiadores de gas frio en una nueva planta sea evaluado tan pronto como sea posible despus del arranque para establecer el actual rendimiento de la unidad para usarla como una base en futuras comparaciones.

La corriente de gas de entrada a una planta refrigerada usualmente contiene suficiente humedad para la formacin de hidratos en el cambiador Gas/Gas. Glicol es inyectado en la extremo de entrada del cambiador para prevenir la formacin de hidratos en la unidad. La cantidad de glicol inyectado y la manera en que se inyecta, puede tener un efecto significativo en el coeficiente del

cambiador. Esto, a su vez afectara la cantidad del calor transferido. Inyectando mas glicol del necesario, disminuir la cantidad de transferencia de calor.

El procedimiento para encontrar el flujo ideal de glicol inyectado no es algo fcil. Esto se un asunto de iniciar con un alto flujo e ir recortando el flujo hasta la formacin de hidratos, y entonces incrementar ligeramente el flujo. La presencia de hidratos es indicado en dos formas:

1. La temperatura de enfoque se incrementa debido a la perdida de transferencia de calor.

2. La cada de presin de la corriente de entrada (lado tubos) se incrementa.

Cuando se forma un hidrato, este usualmente bloquea el flujo de gas atraves de algunos de los tubos. Consecuentemente, incrementar el flujo en la inyeccin de glicol no ayudara porque este no fluir a travs de los tubos tapados. Se tiene que derretir el hidrato cerrando hacia abajo la unidad refrigeradora y permitirle al cambiador calentarse hasta que el hidrato se derrita.

El gas que entra a una planta criognica se supone se le ha removido la humedad en un deshidratador para que congelamiento no ocurra. Sin embargo una desviacin en el deshidratador puede resultar en algo de humedad deslizada, que usualmente se congelara en uno o ms de los cambiadores de gas. Si este congelamiento es detectado en sus inicios de formacin, la inyeccin de metanol en la entrada del gas corregir la condicin ya que el flujo de gas transportara el metanol al punto donde se encuentra el congelamiento. Un total bloque de hielo en una parte del cambiador requiriera calentarlo para derretir el hielo o hidrato.

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B. Gas Chiller

Los mismos principios que aplican en un congelamiento de un cambiador Gas/Gas aplican para un Chiller. Ademas otros dos problemas operacionales son frecuentemente encontrados en estos cambiadores:

1. Dudoso nivel de refrigerante en el lado coraza.

2. Acumulacion de aceite lubricante por fuera de los tubos.

1. Indicacin de Nivel en el Chiller

Para obtener la mxima carga de un chiller, el nivel de refrigerante tiene que estar por encima del haz de tubos. Muy poca transferencia de calor tomara lugar en los tubos que no estn inmersos en el lquido. Sin embargo, determinar el nivel del refrigerante en el cambiador no es algo fcil de hacer. El refrigerante es evaporado violentamente en lado coraza, casi formando una espuma.

Si se pone una cacerola de agua en la estufa, y se calienta hasta que hierva violentamente, el nivel en la cacerola se incrementara, y probablemente se derramara en la estufa. La misma situacin ocurre en el chiller. La mirilla de nivel en el lado del refrigerante no esta expuesta al mismo calor que el fluido dentro del tanque. Por eso, este no ebulle y mostrara un nivel mas bajo que el nivel dentro del chiller. Su nivel ser anlogo al de la cacerola sobre la estufa antes de ebullir, mientras, el nivel en el intercambiador ser el de la cacerola con elagua en ebullicin. Consecuentemente, una mirilla de nivel no es una medida precisa del nivel de refrigerante en un chiller.

Como la mirilla de nivel no es un medio determinante en el nivel del refrigerante dentro del chiller, la pregunta surge: Como ssabemos donde mantener el nivel? La

respuesta es: en el punto en que obtengamos el mximo enfriamiento del gas de proceso. La funcin del chiller es enfriar una corriente de proceso gaseosa o liquida. Se debe ajustar el nivel de refrigerante hasta que se encuentre el punto en el que la corriente de proceso es enfriada a la temperatura mas baja. Este es el punto de ajuste correcto para el nivel de refrigerante, sin importar donde se encuentra el nivel en la mirilla.

2. Aceite Lubricante en el Chiller

El refrigerante que fluye hacia el chiller viene de un compresor. La mayoria de los compresores requiere lubricacion en los cilindros compresores. Y parte de ese aceite inyectado ira a parar al lquido refrigerante. El aceite se disolvera con el refrigerante a temperatura ambiente; sin embargo, es menos soluble a la temperatura en el chiller.consecuentemente, se separara del refrigerante en el chiller.

Si el refrigerante es propano, elaceite se asentara en el fondo del chiller; si es freon, elaceite se acumulara sobre el refrigerante en el chiller. En cualquiera de estos dos casos, la ebullicin que se lleva a cabo en el chiller agitara el fluido en el recipiente de tal manera que parte del lubricante se dispersara en el mismo recipiente. El aceite se vuelve viscoso a bajas temperaturas, y tiende a depositarse sobre los tubos, y actua como un aislante previniendo el flujo de calor. La carga del chillerdisminuira, y la temperatura de salida no ser tan baja como debiese ser.

Para eliminar el aceite lubricante del refrigerante se han diseado varios dispositivos. No los describiremos, pero si mencionaremos que estos deben estar en operacin continua para recuperar el lubricante.

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Incluso cuando se tiene algun dispositivo para remover el lubricante del refrigerante, parte de este puede ir a parar al chiller, el unico modo de removerlo cuando esto sucede es drenar el chiller cuando se encuentre fuera de operacin. En

consecuencia, cada vez que la unidad este fuera de operacin, se debe dreanr el aceite que se ha acumulado. Esto se debe hacer tan pronto como sea posible tras detener launidad, ya que al calentarse el chiller, el aceite se disolvera en el refrigerante.

Drenar el aceite del refrigerante cuando este es propano, no causa problemas, ya que el aceite se asentara en el fondo del chiller, y fluira a traves de las lineas de dren. Sin embargo, drenar aceite de una unidad donde

el refrigerante es freon es mas dificil, el aceite es mas ligero que el freon, y flotara sobre el freon. Ser necesario ajustar el nivel del chiller hasta que se pueda hacer llegar a una conexin de desnatado lateral al tanque.

DRENE EL ACEITE LUBRICANTE DEL FONDO DEL CHILLER SI USA PROPANO COMO REFRIGERANTE.

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TABLA 1

COEFICIENTES TPICOS DE INTERCAMBIADORES A. INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA

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TABLA II

REA DE SUPERFICIE EXTERNA DE TUBOS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR

Ejemplo:

Una pieza de 20 mm de tubera de un metro de largo tiene una rea externa de 0.0628 metros cuadrados.

04 - Intercambiadores de Calor

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