Diseño de Equipos Industriales

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

TAREA: INTERCAMBIADORES DE CALOR

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

Un intercambiador de calor es cualquier aparato diseñado para trasmitir la energía calorífica desde un medio ya sea gas o liquido hacia otro medio, donde el calor en transferido desde el medio caliente hacia el medio frío por conducción y convección. El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcasa; placas, y se comparan estos. Se presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo.

Su funcionamiento se basa en la transferencia de energía en forma de calor de un medio ya sea gaseoso, liquido o simplemente aire hacia otro medio, además de transferir, su función es recupera calor entre dos corrientes a diferentes temperaturas.

Las partes de un intercambiador de calor:

- Cabeza flotante- Cabezal fijo- Deflectores - Entrada del fluido del lado de la carcasa- Entrada del fluido del lado de los tubos - Haz de tubos - Salida del fluido del lado de la carcasa- Salida del fluido del lado de los tubos

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Clasificación de los intercambiadores de calor

POR SU CONFIGURACIÓN O CONSTRUCCIÓN:

Carcasa y tubos :- Cabezal fijo

Intercambiadores de doble tubo

Intercambiadores de superficie externa

Intercambiadores de láminas de aluminio

Intercambiadores en forma de espiral

POR SU OPERACIÓN:

Flujo paralelo

Contraflujo Cruzado

POR SU USO O SERVICIO:

Intercambiador de calor

Condensador Enfriador Calentador Rehervidor Vaporizador

-

POR SUPERFICIE DE CONTACTO:

Directo: los fluidos se mezclan, dos fluidos están en contacto directo, uno con el otro.

Indirectos: el calor pasa de un fluido a otro a través de una pared que los separa

POR SU CONSTRUCCIÓN MECÁNICA:

Cabezal fijo Tubos en forma de U Cabezal flotante

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POR SU SERVICIO:

Los intercambiadores comerciales de doble tubo están constituidos por uno o más tubos, encerrados dentro de otro tubo en forma de U u “horquilla” que hace el papel de carcasa. Aunque algunas secciones de los intercambiadores de doble tubo tienen tubos lisos, la mayoría tienen aletas longitudinales en la superficie externa de los tubos.

POR SU OPERACIÓN Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

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POR SU OPERACIÓN

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contra flujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiado.Los intercambiadores de flujo cruzado son

comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos faces bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina en como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

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POR SU CONFIGURACIÓN Y CONSTRUCCIÓN

Se caracterizan por tener las 2 placas de tubos soldadas a la carcasa, los tubos interiores se pueden limpiar mecánicamente después de remover la tapa del canal. El banco de tubos no se puede extraer y su limpieza exterior se debe realizar químicamente. Este tipo de intercambiador se utiliza para fluidos limpios por el lado de la carcasa, como vapor de agua, refrigerante, gases, entre otros, los fluidos ensuciantes deben circular por los tubos.

Intercambiadores de calor carcasa y tubo.

Se utiliza comúnmente en las refinerías. No es costoso y es fácil de limpiar, se encuentra disponible en diferentes tamaños y puede ser diseñado para presiones desde moderadas a altas, sin que varíe sustancialmente el costo. Este intercambiador consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilíndrico llamado carcasa.

Se caracterizan por tener las 2 placas de tubos soldadas a la carcasa, los tubos interiores se pueden limpiar mecánicamente después de remover la tapa del canal. El banco de tubos no se puede extraer y su limpieza exterior se debe realizar químicamente. Este tipo de intercambiador se utiliza para fluidos limpios por el lado de la carcasa, como vapor de agua, refrigerante, gases, entre otros, los fluidos ensuciantes deben circular por los tubos.

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POR SU CONFIGURACIÓN Y CONSTRUCCIÓN

Se caracterizan por tener sólo una placa de tubos donde se insertan los tubos en forma de U, que tienen la particularidad de moverse libremente con relación a la carcasa lo que elimina el problema de la expansión diferencial. El banco de tubos se puede remover para limpieza mecánica pero el interior de estos en general se limpia químicamente. La longitud efectiva de los tubos es la correspondiente a la cara interna de la placa que los soportan y la tangente donde comienza el doblez.

Se caracterizan por tener una hoja de tubos fija, mientras que la otra flota libremente permitiendo el movimiento diferencial entre la carcasa y los tubos, se puede extraer todo el haz de tubo para la limpieza. Existen cuatro tipos de cabezales flotantes: TEMA S, TEMA T, TEMA W y TEMA P, que sólo difieren en el diseño del cabezal, independientemente del diseño del cabezal éstos intercambiadores para un diámetro de carcasa dado, pueden alojar menos tubos que los tipo en forma de U.

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El diseño y la fabricación de casi todos los intercambiadores de calor están sujetos a los requerimientos del código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, sección VIII.

Las normas TEMA: Normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares, Séptima Edición, 1988, se aplican al diseño y construcción de intercambiadores de calor de carcasa y haz de tubos como parte de API-660. La nomenclatura aplicada por esta asociación para designar a estos equipos, actualmente es de uso común a nivel industrial.

El motivo a normatizar a los intercambiadores, fue para asociar a los fabricantes de estos para unificar los criterios en la solución de problemas presentados por los usuarios de equipos

Las normas TEMA diferencian tres clases de intercambiadores:

- TEMA clase R para petróleo y aplicaciones relacionadas. - TEMA clase C para aplicaciones de propósitos generales. - TEMA clase B servicios químicos

Estos tres tipos aplican para todos los intercambiadores de carcasas y tubos con las limitaciones siguientes: diámetro interno de la carcasa menor o igual a 60 pulgadas, presión por el lado de la carcasa que no exceda 3000 psig., producto diámetro interno de la carcasa por presión que no exceda de 60000 pulg/ psig. Estas limitaciones se consideran para que el espesor de la carcasa no sea mayor de 2 pulgadas. Los estándares TEMA contienen una sección de “buena práctica recomendada” donde se provee información adicional para diámetro de carcasa hasta 100 pulgadas.

Tema clasifica los intercambiadores de calor con base a su operación como.

Convección en una sola fase forzada o libre Convección de cambio de fase forzada o libre, ya sea condensación o ebullición.

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Una combinación de convección y radiación.

Cualquiera de estos tipos puede estar activo en cada pared del equipo, por ejemplo la convección de una sola fase se encuentra en radiadores, refrigeradores, la convección monofásica de un lado y la bifásica se presenta en evaporadores, generadores de vapor, condensadores.

Primera letra: Describe el tipo de cabezal fijo.

Segunda Letra: Describe el tipo de carcasa.

Las designaciones recomendadas por TEMA para intercambiadores de carcasa y haz de tubos son usadas por toda la industria. Consiste en una combinación de números y letras que permite a simple vista reconocer el tamaño y construcción de un intercambiador determinado, donde:

1er. Grupo de Números: Indican el diámetro interno de la carcasa, o el diámetro de la tapa y el diámetro interno de la carcasa para re hervidores tipo marmita, redondeado al entero más cercano, en pulgadas.

Segundo Grupo de Números: Indican la longitud total de los tubos, incluyendo el haz tubular, para tubos rectos, o el largo de los tubos desde un extremo a la tangente de la U para tubos doblados, redondeado al entero más cercano, en pulgadas.

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Tercera Letra: Describe el tipo de construcción del cabezal posterior.

Ejemplo: TAMAÑO 23 - 192 TIPO AES

Describe un intercambiador de carcasa y haz de tubos de paso sencillo, con haz de tubos removible, con un cabezal flotante asegurado por un anillo deslizante. La carcasa es de 23 pulgadas de diámetro y los tubos son de 192 pulgadas de largo.

El código ASME.

En la sección VII división 1, subsección A (UG) : habla de los requerimientos mínimos referente a materiales, diseños, aberturas, ligamentos, fabricación, inspección y prueba.

Habla de diferentes diseños como son:

UG-4 AL 15: habla de requisitos que deben de cumplir los diferentes tipos de materiales.

UG-16 AL 35: habla del espesor mínimo para las carcasas y las tapas deben ser de 1/16 pulgadas sin tomar en cuenta la corrosión

UG-36 A LA 46: trata lo referente a los refuerzos que deben de colocarse a las aberturas que se necesiten para las boquillas en las carcasas y cabezas.

UG-47 ALA 50: son superficies de apoyo y refuerzo, se proporciona las ecuaciones de cálculo, los tipos y dimensiones de los pernos y su localización.

UG-53 AL 55: habla de las eficiencias de los ligamentos de los diferentes tipos de placas perforadas.

Por mencionar algunos.

La sección VIII división 1 habla sobre los requisitos para los diferentes métodos de fabricación.

En la industria química entre otras, se utilizan intercambiadores de calor de diferentes tipos, por lo tanto elegir el equipo de transferencia de calor más adecuado es una gran labor que tiene que realizar el ingeniero de proceso. Para esto, se debe tener una idea del tipo de trabajo de intercambio que hace falta, para los fluidos en cuestión y las condiciones de operación.

Los factores más importantes a considerar.

 Temperatura a la que se trabaja. - Estado del fluido (vapor o líquido). - Presión a la que se someten los fluidos.

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- Pérdidas de presión en los intercambiadores. - Caudal del fluido (vol/s). - Acción corrosiva del fluido tratado. - Posibilidad del sistema de ensuciarse, que supone pérdida de calor. - Tamaño posible de la instalación.

Se consideran como básicos debido a la resistencia que cuentan contra la corrosión, además se utilizan tubos bimetálicos cuando las condiciones de temperatura y requisitos de corrosión no permiten la utilización de una aleación simple. Consisten en dos materiales laminados juntos hay que tener cuidado con la acción galvánica.

También se encuentran intercambiadores de construcción no metálica como son tubos de vidrio, en casco de vidrio o acero. También se encuentran intercambiadores de calor de grafito, y de teflón.

La presión es toda fuerza ejercida sobre un cuerpo, donde en la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio ligada a otra fuerza, la presión es un cociente  entre la fuerza normal que incide sobre una superficie o cuerpo y el valor del cuerpo o la superficie.

Existen diferentes tipos de presiones.

Presión atmosférica. Es la presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que están en el interior de la atmósfera. Esto se baso en el experimento de Torricelli, que consistía en verter mercurio en un tubo de vidrio, colocó el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio, dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el exterior de la cubeta.

Presión absoluta. Presión que soporta un sistema respecto al cero absoluto, resulta ser suma de la presión manométrica más la presión atmosférica.

Presión hidrostática. En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cuál de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.

Presión barométrica. Presión atmosférica local mas una corrección por la altitud geopotencial local.

Presión relativa normalizada. En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cuál de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.

Presión diferencial. Presión que mide la diferencia entre dos presiones

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Presión manométrica. Es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Presión vacío. Es la presión por debajo de la presión atmosférica.

Presión de vapor. Es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor.

Presión de diseño. No será menor que la presión a las condiciones más severas de presión y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operación normal. Los factores que se toman en consideración para los fluidos en tubos y en envolvente coraza o casco.

Corrosión Caída de presión Gasto másico La temperatura La viscosidad Toxicidad Factor de incrustación Presión de operación

Bibliografía y referencias

Operaciones Unitarias, 2014. Obtenido el 1 de febrero del 2014 en alexandercolina120572.files.wordpress.com/.../unidad-ivinter-guia.pdf

Intercambiadores de calor, 2014. Obtenido el 1 de febrero del 2014 en http://web.usal.es/~tonidm/DEI_07_comp.pdf

Equipos de Transferencia de calor, 2014. Obtenido el 1 de febrero del 2014 en http://www.thermoequipos.com.ve/pdf/articulo_03.pdf