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  • INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

    SECCION DE ESTUDIOS DE PROGRADO E INVESTIGACIN

    FABRICACIN Y VALIDACIN EXPERIMENTAL

    DE UN INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA

    TSIS

    QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON

    ESPECIALIDAD EN INGENIERA MECNICA

    PRESENTA:

    ING. RAFAEL FLORES GONZLEZ

    DIRECTOR:

    DRA. RITA AGUILAR OSORIO

    MEXICO, D.F. 2007

  • NDICE AGRADECIMIENTOS iv RESUMEN v ABSTRAC vi NOMENGLATURA vii LISTA DE FIGURAS xiv LISTA DE TABLAS xvii CAPTULO 1 INTRODUCCIN 1.1 Introduccin 1 1.2 Objetivos 4 CAPTULO 2 REVISIN BIBLIOGRFICA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

    DE TUBO Y CORAZA 2.1 Introduccin 5 2.2 Normas, cdigos y manuales 5 2.3 Diseo, Materiales y fabricacin 13 2.4 Mtodos Analticos para determinar el Coeficiente de Transferencia de Calor y la

    Cada de presin de un intercambiador de calor de tubo y coraza 17 2.5 Trabajos experimentales del comportamiento trmico y de la cada de presin de un

    intercambiador de calor de tubo y coraza 25 CAPTULO 3 SELECCIN DE LOS COMPONENTES DEL INTERCAMBIADOR DE

    CALOR DE TUBO Y CORAZA 3.1 Introduccin 39 3.2 Componentes del intercambiador de calor 39 3.3 Anlisis y seleccin de los componentes del intercambiador de calor 40

    3.3.1 Coraza 40 3.3.2 Arreglo de tubos 42 3.3.3 Mamparas 45 3.3.4 Barras de soporte y espaciadoras 49 3.3.5 Espejos 49 3.3.6 Cabezales 51 3.3.7 Tapas 53 3.3.8 Bridas 54 3.3.9 Boquillas 55

    CAPTULO 4 FABRICACIN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y

    CORAZA 4.1 Introduccin 57 4.2 Criterio para la seleccin de los materiales de los componentes del intercambiador

    de calor 57 4.3 Seleccin de los materiales de los componentes del intercambiador de calor 58

    4.3.1 Coraza 58 4.3.2 Arreglo de tubos 60 4.3.3 Mamparas 62

    i

  • 4.3.4 Barras de soporte y espaciadoras 63 4.3.5 Espejos 64 4.3.6 Cabezales 65 4.3.7 Canal 65 4.3.8 Tapas 66 4.3.9 Bridas 67 4.3.10 Boquillas 68

    4.4 Diseo mecnico del intercambiador de calor de tubo y coraza 69 4.4.1 Condiciones iniciales para el diseo mecnico 69 4.4.2 Coraza 69 4.4.3 Arreglo de tubos 70 4.4.4 Mamparas 72 4.4.5 Barras de soporte y espaciadoras 78 4.4.6 Espejos 78 4.4.7 Cabezales 79 4.4.8 Canal 79 4.4.9 Tapas 80 4.4.10 Bridas 82 4.4.11 Boquillas 83 4.4.12 Placa de choque 85 4.4.13 Accesorios 85

    4.5 Procedimiento de fabricacin del intercambiador de calor 89 4.5.1 Maquinas herramientas utilizadas para la fabricacin 89 4.5.2 Maquinado y barrenado de la coraza 93 4.5.3 Maquinado y barrenado de las mamparas y espejos 96 4.5.4 Maquinado y barrenado de la placa de choque 101 4.5.5 Maquinado y barrenado de los cabezales 102

    4.6 Ensamble del intercambiador de calor 104 4.6.1 Ensamble de la coraza, mamparas y tubos 104 4.6.2 Ensamble de los cabezales 107 4.6.3 Ensamble del equipo completo 108

    CAPTULO 5 VALIDACIN EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO

    TRMICO Y DE LA CADA DE PRESIN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

    5.1 Introduccin 109 5.2 Trabajo experimental 109

    5.2.1 Descripcin del equipo 109 5.2.2 Descripcin del intercambiador de calor de tubo y coraza 113

    5.3 Instrumentacin 114 5.3.1 Flujo 114 5.3.2 Temperatura 114 5.3.3 Presin 115

    5.4 Condiciones para el trabajo experimental 116 5.5 Procedimiento experimental 116

    5.5.1 Mediciones 116 5.5.2 Procedimiento de arranque 117

    ii

  • 5.6 Clculo de la cada de presin 118 5.6.1 Cada de presin en la coraza 118 5.6.2 Cada de presin en los tubos 136

    5.7 Clculo del coeficiente de transferencia de calor 136 5.7.1 Coraza 136 5.7.2 Tubos 136

    5.8 Clculos experimentales del intercambiador de calor 138 5.8.1 Transferencia de calor 138 5.8.2 Coeficiente de transferencia de calor de la coraza 138

    CAPTULO 6 RESULTADOS Y ANLISIS DE RESULTADOS 6.1 Consideraciones para el anlisis 141

    6.1.1 Resultados de la seleccin de componentes del intercambiador de calor 141 6.1.2 Resultados de la seleccin del material de los componentes del intercambiador

    de calor 142 6.1.3 Resultados del diseo mecnico del intercambiador de calor 142

    6.2 Anlisis de resultados tericos 146 6.2.1 Coraza 146 6.2.2 Tubos 147

    6.3 Anlisis de resultados experimentales 149 6.3.1 Coraza 149 6.3.2 Tubos 150

    6.4 Comparacin entre los resultados tericos y los experimentales 151 6.4.1 Coraza 151 6.4.2 Tubos 153

    6.5 Visualizacin 153 CONCLUSIONES 155 TRABAJOS FUTUROS 157 REFERENCIAS 158 ANEXOS Anexo I Hoja de registro de dibujos 162 Anexo II Resultados tericos del intercambiador de calor de tubo y coraza 178 Anexo III Resultados experimentales del intercambiador de calor de tubo y coraza 180 Anexo IV Participacin en congresos 184

    iii

  • RESUMEN

    En este trabajo se presenta la fabricacin y validacin experimental de un

    intercambiador de tubo y coraza. Para la fabricacin del intercambiador primero se

    propuso una metodologa para disear un intercambiador con arreglo de tubos

    triangular, para lo cual se desarroll un programa computacional. Esta metodologa

    consisti en la seleccin de los componentes, la seleccin de los materiales y el

    dimensionamiento del equipo, as como tambin se propuso un procedimiento para

    fabricar el intercambiador. Adems, se realiz un programa experimental para analizar

    el comportamiento trmico y la cada de presin del intercambiador, con la finalidad de

    validar los resultados experimentales con el mtodo de Wills-Johnston. Para el

    desarrollo del trabajo experimental se modific un banco de prueba existente. Los

    resultados obtenidos del programa computacional para el diseo fueron comparados con

    los recomendados en la literatura especializada. Esta comparacin mostr una diferencia

    del 18% en el espesor las boquillas de la coraza y cabezales, del 10% en el espesor de

    los canales y de las tapas, del 5% en el espesor de los espejos, y del 28% en la longitud

    de las tapas, estas diferencias se ajustaron con las comerciales. El resto de las

    dimensiones del equipo fueron las obtenidas con el programa computacional

    desarrollado. La comparacin entre los resultados obtenidos experimentalmente y las

    predicciones realizadas con el mtodo de Wills-Johnston fueron del 7% al 9% en la

    cada de presin y del 4% en el coeficiente de transferencia de calor en la coraza. En los

    tubos se obtuvo una diferencia del 5.4% en la cada de presin entre los resultados

    experimentales y las predicciones realizadas con el mtodo de J. A. R. Henry, y del 1%

    en el coeficiente de transferencia de calor. Los resultados tericos y los experimentales

    mostraron una diferencia pequea, en el coeficiente de transferencia de calor. Con esto

    se demuestra que realizando un buen diseo y fabricacin del intercambiador de calor se

    logra un ptimo desempeo del equipo.

  • ABSTRAC

    In this work the manufacture and experimental validation of a shell and tube heat

    exchanger is presented. For the manufacture the exchanger a methodology was

    proposed to design an exchanger with triangular tube layout, which a computational

    program was developed. This methodology consisted in selection of the components

    and the materials and the sizing of the equipment, as well as a procedure to manufacture

    the exchanger. In addition, an experimental program was made to analyze the thermal

    performance and the pressure drop of the exchanger, with the purpose of validating the

    experimental results with the method of Wills-Johnston. In the experimental work was

    modified a test bench. The obtained results in the computational program for the design

    were compared with the recommended for the specialized literature. This comparison

    showed a difference of 18% in the thickness of the nozzle, 10% in the thickness of the

    channels and the covers, 5% in the thickness of the tubesheet, and 28% in the length of

    the covers, these differences adjusted with the commercial. The rest of the dimensions

    of the equipment were the obtained with the developed computational program. The

    comparison between the results obtained experimentally and the predictions by the

    method of Wills-Johnston were from 7% to 9% in the pressure drop and 4% in the heat

    transfer coefficient in the shell. In the tubes there were a difference of 5.4% in the

    pressure drop between experimental results and predictions by the method of J.A.R.

    Henry and 1% in the heat transfer coefficient. The theoretical and experimental results

    showed a small difference, in the heat transfer coefficient. This demonstrates that carries

    out a good design and manufacture of the heat exchanger get an optimal performance.

  • 1

    CAPTULO 1

    INTRODUCCIN

    1.1 INTRODUCCIN

    Los intercambiadores de calor de tubo y coraza son equipos ampliamente utilizados en

    la industria, por su gran variedad de construccin y por la aplicacin que tienen en los

    procesos de transferencia de calor en la produccin de energa convencional como

    condensadores, evaporadores, calentadores de agua y generadores de vapor. Su

    aceptacin se debe a que proporcionan superficies grandes de transferencia de calor,

    adems de que tienen una flexibilidad en sus caractersticas mecnicas y trmicas para

    altas presiones y temperaturas, permitiendo su buen diseo y construccin.

    Los primeros diseos bsicos de los intercambiadores de calor se realizaron en 1900,

    para satisfacer las necesidades de las platas de energa las cuales requeran grandes

    superficies de transferencia. En esa poca los primeros problemas de estudi fueron los

    esfuerzos de los materiales de los componentes y en la manufactura como: la unin de

    los tubos, espejos, boquillas y bridas por soldadura. En los aos 1920 y 1930 se tuvieron

    avances en la manufactura motivada por la industria petrolera, pero sin bases

    significativas en el diseo. En los aos 1940 y 1950, se realizaron las primeras

    investigaciones serias debido al crecimiento uso de los intercambiadores de calor de

    tubos y coraza, los cuales fueron demandados con desempeos ms preciosos en

    diferentes procesos industriales.

    La necesidad de la industria por conservar la energa, recuperarla la energa en procesos

    o desarrollar nuevas fuentes de energa ha impulsado recientes tecnologas para la

    fabricacin de los intercambiadores de calor, as como el incremento de nuevos

    materiales y perfiles de los componentes. Esto con el fin de cubrir un extenso rango en

  • 2

    las condiciones de operacin y dar soluciones a los problemas que se presentan en los

    intercambiadores de calor.

    Algunos de los perfiles que se han desarrollado en los tubos lisos se han aplicado en

    plantas nucleares con el objetivo de reducir o eliminar los esfuerzos trmicos en la

    coraza, tubos y en los espejos fijos [46], mientras que nuevos perfiles en los tubos

    aletados se han utilizado para incrementar la superficie de intercambio de calor

    (desempeo trmico). La vibracin inducida por el flujo es un problema importante en

    los intercambiadores debido a que causa fallas en los tubos o en la unin de los tubos

    con los espejos. De este problema se ha desarrollado diferentes estudios con las

    mamparas segmentadas, soportes y estructuras de malladas para dirigir al fluido en la

    coraza. Adems se han implementado tcnicas para la unin de los tubos en los espejos:

    expansin hidrulica y soldadura de impacto.

    Otros estudios importantes que se han realizado son en las predicciones del

    comportamiento trmico y de la cada de presin de los fluidos, donde se han enfocado

    ms en la distribucin del flujo en la coraza por su complejidad. Kern [15] realiz uno

    de los primeros mtodos para el estudio del comportamiento trmico y de la cada de

    presin, considerando un flujo ideal en la coraza. Aos despus, Tinker [16,17]

    desarrollo un mtodo ms eficiente, el cual analiza el coeficiente de transferencia de

    calor y la cada de presin en funcin de la distribucin de las corrientes del flujo en la

    coraza. Ms tarde la Universidad de Delaware realiz investigaciones en la distribucin

    del flujo, del coeficiente de transferencia de calor y de la cada de presin, publicadas

    por Bell [18], en estas investigaciones se obtuvieron factores de correccin y factores de

    friccin experimentales para determinar el coeficiente de transferencia de calor y la

    cada de presin en un banco de tubos ideal. Taborek [20], realiz modificaciones al

    trabajo desarrollado por Bell, ajustando algunos factores de correccin con datos

    experimentales. Wills-Johnston [21], simplificaron el mtodo desarrollado por Tinker

    en las predicciones de la cada de presin, al incluir la cada de presin en la primera y

    ltima mampara, y la cada de presin en las boquillas.

  • 3

    Una herramienta que tambin se ha desarrollado para el diseo de los intercambiadores

    de calor son los programas computacionales, los cuales se deben basar en un buen

    entendimiento de la funcin de los componentes y de los factores: condiciones de

    operacin, esfuerzos mecnicos y dilataciones trmicas entre los componentes,

    problemas de corrosin, depsito de slidos e incrustacin, cada de presin, desempeo

    trmico, peso, tamao y costo. Este ltimo punto es determinante para el diseo y

    seleccin del tipo del intercambiador de calor, lo cual incluye: tipo de coraza, arreglo de

    tubos, mamparas, espejos y cabezales, etc.

    Con lo mencionado anteriormente, se observa que la apropiada seleccin de materiales

    y una buena fabricacin de un intercambiador de calor dan como resultado un buen

    funcionamiento mecnico y trmico del equipo, y la disminucin de problemas tales

    como: fugas entre las uniones espejo-tubos, coraza-espejo, dao de los tubos,

    mamparas, etc. Estos problemas son el resultado de una inadecuada cada de presin

    diferente y por consiguiente una mala transferencia de calor del equipo. Es por esto, que

    no se puede tratar el diseo mecnico y trmico, y la fabricacin de estos equipos

    separadamente.

    El intercambiador de calor de tubo y coraza que es utilizado en la industria Mexicana,

    tiene que ser capaz de cooperar con la optimizacin de cualquier proceso de

    transferencia de calor, y este se obtiene con el buen funcionamiento mecnico y trmico

    del intercambiador de calor, pero a la vez estos dependen de cmo se realiza el diseo

    mecnico, la seleccin de materiales y la fabricacin del equipo. Sin embargo de la

    revisin bibliogrfica realizada, se observa que la informacin actual que hay en

    Mxico sobre el diseo mecnico, seleccin de materiales y fabricacin de un

    intercambiador de calor, es escasa, y que por lo regular solo consideran algunos

    componentes, y debido a que estos equipos en los procesos de transferencia de calor

    desempean un papel importante, es por esto que es necesario crear un procedimiento

    para la seleccin de materiales y fabricacin de un intercambiador de calor de tubo y

    coraza, de acuerdo a las necesidades de la industria en Mxico, por lo que este trabajo

    tiene la finalidad de llenar un vaco existente en esta rea de investigacin.

  • 4

    1.2 OBJETIVOS

    El objetivo de esta tesis:

    Fabricar y validar experimentalmente un intercambiador de calor de tubo y coraza.

    Objetivos particulares:

    Realizar un anlisis bibliogrfico sobre normas, cdigos, manuales y artculos relacionados con el diseo, fabricacin, comportamiento trmico y de la cada de

    presin en un intercambiador de calor de tubo y coraza.

    Proponer una metodologa para disear y fabricar el intercambiador. Seleccionar los componentes principales del intercambiador. Seleccionar el material de los componentes del intercambiador de calor. Visualizar el flujo del fluido en la coraza. Desarrollar un programa computacional para el diseo del quipo. Desarrollar un programa computacional para determinar el coeficiente de

    transferencia de calor y la cada de presin utilizando el mtodo de Wills-Johnston.

    Adecuar un banco de pruebas para medir la cada de presin y las temperaturas de entrada y salida en los tubos y coraza, para obtener el coeficiente de transferencia de

    calor.

    Investigar experimentalmente el comportamiento trmico y la cada de presin del intercambiador de calor.

    Comparar los resultados experimentales del coeficiente de transferencia de calor y la cada de presin con las predicciones tericas.

  • 5

    CAPTULO 2

    REVISIN BIBLIOGRFICA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE

    TUBO Y CORAZA

    2.1 INTRODUCCIN

    En este captulo se presenta un anlisis bibliogrfico de las normas, cdigos, manuales y

    artculos encontrados en las revistas especializadas relacionadas con el diseo mecnico,

    seleccin de materiales y fabricacin de los intercambiadores de calor de tubo y coraza, as

    como tambin de los mtodos analticos y trabajos experimentales para el anlisis del

    comportamiento trmico de los intercambiadores de calor de tubo y coraza.

    2.2 NORMAS, CDIGOS Y MANUALES

    La norma ms ampliamente utilizada para el diseo, fabricacin y seleccin de materiales

    de un intercambiador de calor de tubo y coraza es la Standard of Tubular Exchanger

    Manufacturers Association, TEMA [1]. sta norma clasifica a los intercambiadores de

    calor de tubo y coraza en tres clases, de acuerdo al proceso y a las condiciones de

    operacin. Las cuales se mencionan a continuacin:

    Clase R: Incluye los intercambiadores de calor que se utilizan en la industria del petrleo y en procesos similares.

    Clase C: Abarca a los intercambiadores de calor en procesos moderados tales como: comerciales y generales.

    Clase B: Incluye los intercambiadores de calor que se utilizan en procesos qumicos.

    Las tres clases de intercambiadores de calor de tubo y coraza presentan las siguientes

    limitaciones: El dimetro interior de la coraza no debe exceder de 1524 mm y la presin de

    diseo no debe ser mayor de 207 bars (207x105 Pa). Estos puntos tienen la finalidad de

    limitar el espesor de la coraza a 50.8 mm (2 in) y el dimetro de los pernos a 76.2 mm (3

    in).

  • Figura 2.1. Diferentes configuraciones de un intercambiador de calor de tubo y coraza [1].

    La figura 2.1 muestra las diferentes configuraciones de un intercambiador de calor de tubo

    y coraza, la cual se divide en tres columnas: la primera columna define el cabezal de

    entrada con las letras A, B, C, N, y D; la segunda columna muestra la coraza con las letras

    E, F, G, H, J, K y X; y la tercera columna ilustra el cabezal de salida con las letras L, M, N,

    6

  • 7

    P, S, T, U y W. Por ejemplo, la configuracin BEM nos indica que el cabezal de entrada es

    del tipo bonete con espejo fijo, con una coraza de un solo paso y un cabezal de salida del

    tipo bonete.

    TEMA recomienda las tolerancias externas permitidas para la fabricacin de los

    componentes del intercambiador del calor, tales como: espejos, bridas, boquillas, tapas,

    soportes, etc. Al igual que describe brevemente las pruebas de fuga que se tiene que realizar

    a los intercambiadores da calor, despus de su fabricacin e instalacin, para asegurarse de

    que no presenten ninguna fuga en las uniones entre componentes, tales prueban son

    hidrostticas y neumticas. Tambin recomienda diferentes materiales que se pueden

    utilizar para la fabricacin de los tubos, espejos, bridas, corazas, cabezales (canal y tapa),

    mamparas, soportes, barras espaciadoras y de soporte, empaques, tornillos y tuercas, tales

    materiales son; aceros al carbono, aleaciones de aceros, cobre, aluminio, nquel, titanio y

    zirconio.

    En la clase C se recomiendan dimetros y espesores para los tubos construidos de cobre,

    aleaciones de cobre, acero al carbono, aluminio y aleaciones de aluminio. Describe los

    diferentes arreglos de los tubos que se utilizan en los intercambiadores de calor.

    Proporcionando el paso del tubo de centro a centro que es de 1.25 a 1.5 veces el dimetro

    exterior del tubo.

    La tolerancia para el dimetro interno de la coraza no debe ser mayor al obtenido por el

    diseo en 3.175 mm (1/8 in). Tambin recomienda el espesor mnimo de la coraza para

    aceros al carbono y aleaciones. El espesor de las tapas del cabezal debe ser del mismo

    espesor al de la coraza. El claro que hay entre la coraza y mamparas se obtiene con el

    dimetro de la coraza.

    En esta norma se describen los diferentes tipos de mamparas empleadas tales como:

    mamparas segmentadas horizontales, verticales y rotadas; mamparas segmentadas simples,

    dobles y triples. Se especifica que el corte de la mampara es un porcentaje del dimetro

    interno de la coraza, sin embargo, no se proporciona un porcentaje para ste. Tambin

    recomienda el claro entre mamparas-tubos y este es de 0.39 a 0.79 mm, el cual depende del

  • espaciamiento entre mamparas centrales y del dimetro exterior de los tubos. El espesor de

    las mamparas segmentadas se determina con el dimetro de la coraza y con el

    espaciamiento entre mamparas centrales. El espaciamiento mnimo entre mamparas

    centrales es 1/5 veces el dimetro interno de la coraza o 50.8 mm (2 in), el valor que sea

    mayor.

    La placa de choque solo se utiliza cuando la siguiente expresin da valores mayores

    de 2250 kg/ms

    2V2, en fluidos no corrosivos, no abrasivos y de una sola fase; para gases,

    vapores y mezclas lquido-vapor se tiene que emplear la placa de choque.

    El material de las barras de soporte y espaciadoras debe ser de un material similar al de las

    mamparas. El dimetro y la cantidad de estas barras a utilizar en el ensamble de las

    mamparas dependen del dimetro de la coraza.

    Los empaques de asbesto se deben utilizar en uniones externas con presiones de diseo de

    2.07 MPa (300 psi) o menores, siempre y cuando la temperatura y la corrosin del fluido no

    sean tan severas. Los empaques de camisa metlica o metlicos se deben utilizar en uniones

    con presiones de diseo mayores a 2.07 MPa (300 psi) y para uniones internas en los

    cabezales flotantes. El ancho mnimo para los empaques es de 9.525 mm en uniones

    externas con corazas de dimetros de 584.2 mm y de 12.7 mm, para corazas de dimetros

    mayores.

    Para el espejo fijo se tiene una ecuacin para calcular el espesor del espejo que depende del

    esfuerzo de tensin permisible del material del espejo y de la presin de diseo de la coraza

    o tubos. Tambin proporciona ecuaciones para determinar los esfuerzos que puede soportar

    la unin espejo-tubos. Para obtener la tolerancia de los barrenos en los espejos, solo se

    necesita conocer el dimetro exterior de los tubos.

    Se recomienda que las boquillas que son unidas a la coraza no deben sobresalir en el

    interior de la coraza, en tanto, las boquillas que son unidas al canal deben sobresalir en el

    interior del canal para proporcionar venteo. Tambin se recomienda que las boquillas se

    utilicen para las conexiones de medicin de presin y temperatura. 8

  • 9

    El dimetro mnimo para los tornillos es de 12.7 mm y dimetros menores se debe tener

    cuidado para evitar sobre esfuerzos en los tornillos. Para determinar las dimensiones y

    distancias de separacin entre tornillos se debe consultar la tabla D-5.

    El cdigo American Society of Mechanical Engineers ASME [2], especifica los

    materiales y normas para la construccin de recipientes a presin, en donde, el

    intercambiador de calor de tubo y coraza es considerado como un recipiente bajo presin

    interna. Del cdigo ASME seccin VIII divisin 1, se observa las siguientes

    recomendaciones para la fabricacin de algunos componentes del intercambiador de calor

    de tubo y coraza:

    Para el espesor de los espejos, coraza, cabezal, bridas, etc., se debe que considerar el

    espesor del recubrimiento. Los materiales para los recubrimientos son lminas de acero-

    cromo, SA-263, acero-nquel-cromo, SA-264, acero aleado con nquel, SA-265, aceros

    inoxidables u otros materiales resistentes a la corrosin de los fluidos de operacin del

    equipo. Estos recubrimientos se deben aplicar al material base por medio de soldadura de

    arco, y el material del metal de aporte debe ser de la misma composicin que al material del

    recubrimiento.

    Especfica diferentes espesores, factores de empaque y esfuerzos permitidos de los

    diferentes materiales de los empaques tales como; asbestos, fibras de asbesto o vegetales,

    cobre, cromo, nquel, etc. Los cuales dependen del fluido de los tubos y de la coraza, al

    igual que de la temperatura y de la presin de operacin del equipo.

    Las placas de acero SA-36 y SA-283 grado A, B, y D se pueden utilizar para la coraza y

    boquillas siempre y cuando cubran lo siguiente: el intercambiador de calor no debe

    contener sustancias toxicas, ni estar expuesto a flama; la temperatura de diseo tiene que

    estar en el rango de -28 a 343 C. Presenta relaciones para determinar los espesores de los

    diferentes cabezales como la semiesfrica, toriesfrica y elipsoidal.

    En la parte UG, especifica el diseo de algunos componentes del intercambiador de aceros

    al carbono y aceros de baja aleacin, proporcionado ecuaciones para determinar el espesor

  • 10

    o presin interna de corazas cilndricas, cabezales, boquillas y espejos dependiendo de las

    condiciones iniciales que se tengan. Para determinar el espesor de las boquillas y corazas

    cilndricas, fabricadas de tubos, se emplean las mismas ecuaciones y la resistencia a la

    corrosin permitida.

    En el cabezal tipo bonete, se recomienda que el espesor mnimo para el canal y la tapa se

    debe considerar la resistencia a la corrosin permitida, la profundidad de la tapa debe ser de

    1/3 del dimetro interno de la boquilla, cuando sta es axial.

    Se describen las caractersticas geomtricas de algunos tipos de arreglos que se pueden

    utilizar en un intercambiador de calor. As como ecuaciones para determinar las diferentes

    cargas permitidas en la unin entre los tubos y los espejos.

    En la seccin II parte D, se proporcionan los valores de las principales propiedades de

    metales ferrosos y no ferrosos para los diferentes componentes de un intercambiador de

    calor, tales propiedades son: esfuerzos permitidos, coeficientes de expansin trmica,

    coeficiente de conductividad trmica. Todas estas propiedades se encuentran a diferentes

    rangos de temperaturas de operacin de los fluidos de trabajo.

    La norma American National Standard Institute ANSI B16.21 [3], recomienda las

    dimensiones para los diferentes tipos de empaques planos no metlicos utilizados para las

    diferentes clases de bridas atornilladas, tales dimensiones son el dimetro interior y exterior

    del empaque, nmero y dimetro de los barrenos.

    J. Henry [4], realiz un anlisis de la distribucin del fluido de los tubos a travs de las

    boquillas y cabezales de los intercambiadores de calor de tubos y coraza para determinar la

    cada de presin de los tubos.

    Henry observ que la cada de presin en las boquillas de los cabezales, se debe al cambio de las dimensiones (dimetros) entre estos componentes y de los coeficientes de

    friccin. La cada de presin entre la entrada y salida de los tubos se debe a la disminucin

  • 11

    y aumento del rea entre los cabezales y tubos, as como de la distribucin del flujo a travs

    del arreglo de tubos.

    En este anlisis Henry determin la cada de presin de los tubos en la boquilla de entrada y salida, cada de presin en la entrada y salida de los tubos, as como a lo largo de los

    tubos.

    D. Harris [5], describe un procedimiento para el dimensionamiento de los siguientes

    componentes de un intercambiador de calor de tubo y coraza basado en TEMA [1] y ASME

    [2]:

    Para el espesor de la coraza, tubos y cabezales (tapa y canal), se determine la presin de operacin de diseo del equipo, el radio interno y el esfuerzo mximo permisible del

    material de estos componentes, y la eficiencia de la unin, para el caso en que estos

    componentes sean unidos por soldadura.

    Especifica las dimensiones de las tapas elipsoidales y semiesfricas de los cabezales, tales dimensiones son; profundidad de la tapa, radio interior de curvatura y radio de la tapa.

    En este trabajo se presentan ecuaciones para calcular el espesor del espejo fijo y de las bridas. En estas expresiones se requieren el dimetro interno del empaque, la presin de

    diseo ms grande entre la coraza y tubos, y del esfuerzo permisible del material del espejo.

    En las bridas se necesita conocer las dimensiones de estas, la presin de diseo de los

    tubos, dimensiones del empaque y esfuerzo permisible del material de la brida.

    J. Taborek [6], en su publicacin, hace nfasis de la importancia, que tiene tanto el diseo

    mecnico como termohidrulico, para el buen funcionamiento de los intercambiadores de

    calor de tubo y coraza. Basndose en la norma TEMA [1]. En esta publicacin se realizan

    las siguientes recomendaciones y sugerencias:

    El espesor del espejo fijo depende del dimetro interno de la coraza, de la presin de operacin de la coraza y del esfuerzo permisible del material del espejo.

    El corte de las mamparas segmentadas es un porcentaje del dimetro interno de la coraza. El espaciamiento entre mamparas centrales, se determina con el porcentaje de corte de las mamparas y del dimetro interno de la coraza.

  • 12

    Altura y dimensiones de la placa de choque, las cuales depende del dimetro interno de la boquilla de entrada de la coraza.

    El nmero total de tubos alojados dentro de la coraza se calcula en funcin del dimetro mximo del arreglo de tubos, del paso entre tubos y de una constante basada en el tipo de

    arreglo, ya sea cuadrado o triangular.

    Claro entre mamparas y tubos, el cual relaciona el dimetro externo de los tubos y la distancia mxima no soportada de los tubos. Claro entre coraza y mamparas, se determine

    por expresin, la cual relaciona el dimetro interno de la coraza.

    El paso de los tubos es de 1.25 a 1.5 veces el dimetro exterior de los tubos para los diferentes arreglos de tubos. El arreglo de tubos triangular de 30 se utilice con fluidos

    limpios y con un paso de los tubos de 1.25, los arreglos de tubos cuadrados de 90 o 45 se

    utilizan con fluidos de alta suciedad.

    Eugene F. Megyesy [7], en su manual de recipientes a presin, rene frmulas, datos

    tcnicos y procedimientos de diseo y construccin para equipos sometidos a presin, que

    durante aos ha venido acumulando.

    En este manual se resumen los procedimientos y formulas de diseo de las normas de

    ASME code for Pressure Vessels, seccin VIII, divisin 1, as como datos de diferentes

    fuentes. Debido a que la gran mayora de los recipientes a presin son construidos con

    materiales ferrosos. De este manual se pueden determinar los siguientes parmetros y

    dimensiones de los componentes de un intercambiador de calor:

    El espesor de los tubos, coraza, cabezales y boquillas. Presin mxima de operacin de los tubos, coraza, cabezales y boquillas. Tipos y dimensiones de bridas para diferentes presiones de operacin. Tipos y dimensiones de los cabezales (canal y tapa). Altura y espesor de las boquillas.

  • 13

    2.3 DISEO, MATERIALES Y FABRICACIN

    Kenneth J. Bell [8], describe algunas caractersticas de construccin y materiales usados en

    algunos componentes del intercambiador de calor de tubo y coraza basados en la norma

    TEMA [1].

    Los materiales ms utilizados para los tubos son aceros de bajo carbono, aceros inoxidables, cobre, cupronquel, aleacin de nquel y cromo, aluminio (en varias

    aleaciones), o titanio.

    En la unin espejo-tubos por soldadura, los materiales de estos tienen que ser iguales o compatibles. En la unin espejo-tubos por expansin mecnica, se puede utilizar una

    amplia variedad de combinaciones de materiales entre ellos, considerando sus lmites de

    esfuerzos y la corrosin.

    El corte de las mamparas segmentadas es del 20 al 25% en fluidos lquidos y del 40 al 45% en fluido gaseosos para disminuir la cada de presin del fluido en la coraza.

    El material del espejo debe ser resistente a la corrosin del fluido que fluye en la coraza y en los tubos, tambin debe ser compatible con el material de los tubos. El espejo puede ser

    de acero de bajo carbono con una capa resistente a la corrosin.

    Las tapas del cabezal y las boquillas se deben fabricar de materiales compatibles con los materiales de los espejos y de los tubos, con la finalidad de evitar la corrosin en especial

    con los tubos.

    La placa de choque se debe utilizar para prevenir el impacto directo del fluido en los tubos superiores producido por las altas velocidades del flujo de fluido en la coraza, tal

    impacto puede causar corrosin, cavitacin o vibracin.

    J. A. Herrera Figueroa [9], analiza algunos materiales y detalles de construccin de

    componentes del intercambiador de calor de tubo y coraza tomados de TEMA [1] y ASME

    [2], tales como:

    La unin espejo-tubos se debe realizar por soldadura o por expansin del tubo dentro del espejo. Los materiales que se recomiendan para la fabricacin de los tubos son el acero al

    carbono, acero inoxidable, cobre, aleacin cobre-nquel, aluminio-cobre, aluminio y latn.

  • 14

    La separacin mnima recomendada entre mamparas es 1/5 el dimetro de la coraza y la separacin mxima recomendada es igual al dimetro de la coraza.

    El corte ptimo recomendado para las mamparas segmentadas es del 20-25% el dimetro interno de la coraza. Estos parmetros determina la velocidad del flujo a travs de la coraza,

    la transferencia de calor y la cada de presin.

    D. K. Mehra [10], menciona a TEMA [1] y ASME [2] como las principales fuentes para el

    diseo mecnico y fabricacin de los intercambiadores de calor de tubo y coraza. De

    acuerdo a esta norma y el cdigo, Mehra sugiere que:

    El material de los espejos debe ser compatible con el material de los tubos. Sin embargo, para tubos de aceros inoxidables y para otras aleaciones, los espejos pueden ser fabricados

    de aceros al carbono, y revestido con una aleacin metlica.

    Los materiales ms utilizados para la coraza son de acero al carbono y los materiales de las mamparas, barras, espaciadores y listones de sello deben ser de los mismos materiales

    que la coraza.

    Se deben disminuir o eliminar los claros entre coraza-mamparas y de las mamparas-tubos, con la finalidad de obtener el mayor flujo cruzado en el arreglo de tubos.

    En tubos con dimetros de 12.7 mm, 9.525 mm y 6.35 mm se recomienda que el fluido que fluya a travs de estos debe ser limpio. Los tubos de dimetros de 25.4 mm, 38.1 mm y

    50.8 mm son recomendables en U y para fluidos de alta suciedad.

    El arreglo de tubos triangular da mayor rea de transferencia de calor con un mayor coeficiente de transferencia de calor. El arreglo de tubos cuadrado se debe utilizar cuado se

    requiere limpieza exterior de los tubos.

    El espaciamiento mnimo que se recomienda entre mamparas centrales es 1/5 el dimetro interno de la coraza o 50.8 mm.

    T. C. Spencer [11], menciona a TEMA [1] como la principal fuente para disear y fabricar

    intercambiadores de calor de tubo y coraza. Con base a la norma, Spencer recomienda para

    la fabricacin de estos equipos ensamblar y unir cuidadosamente los tubos en los espejos,

    para evitar fugas y obtener una estructura rgida. Esto se logra uniendo los tubos al espejo

    por medio de soldadura de arco, unin por expansin, expansin mecnica o hidrulica.

  • 15

    E. A. D. Saunders [12], en su publicacin menciona a TEMA [1] y ASME [2] como las

    principales fuentes para el diseo, seleccin de materiales y fabricacin de

    intercambiadores de calor de tubo y coraza. Con base en esta norma y cdigo, el sugiere lo

    siguiente:

    En la unin de las boquillas a la coraza se debe tener cuidado con la deformacin de la coraza, debido a que puede afectar la distancia entre las mamparas y la coraza.

    La tapa semiesfrica se recomienda usarlo para reducir el espesor del cabezal en presiones grandes de operacin. La tapa semielptica tiene que coincidir el dimetro y

    espesor del canal, y la profundidad de la tapa es el dimetro interno del cabeza.

    Las boquillas con brida de cuello soldable y con brida deslizable son usadas en dimetros grandes y presiones altas, y la boquilla forjada de cuello soldable se recomienda utilizarla

    para reducir la cantidad de soldadura.

    El material de la brida puede ser del mismo material que el de la coraza o de acero al carbono. Las bridas de anillo se recomiendan para aplicaciones moderadas mientras que la

    de cuello soldable aplicaciones donde la temperatura y la presin son altas.

    Los materiales de fabricacin de los empaques son de fibras de asbesto con capas de gaucho o finas mallas metlicas, asbesto con camisas metlicas y de caucho. El primer tipo

    de empaque se emplean en bridas externas con presiones bajas y de 20 bares, el segundo

    tipo se utilizan en bridas internas y el tercer tipo se emplean en operaciones de baja presin.

    La fabricacin de espejos con espesores menores de 100 milmetros se debe utilizar placas y para espejos con espesores grandes se utilizan discos forjados. Los espejos fijos se

    deben utilizarse con fluidos limpios de la coraza debido a que no se tiene acceso al arreglo

    de tubos para su limpieza externa, sin embargo este tipo de espejos permiten limpieza

    interna de los tubos al retirar los cabezales.

    La unin de los tubos al espejo se debe realizar por expansin de rolado, hidrulica, explosiva o por soldadura. En la unin tubos-espejo por expansin no siempre se garantiza

    estar libre de fugas en periodos largos de operacin del intercambiador de calor.

    El arreglo de tubos triangular de 30 permite un equipo ms compacto, sin embargo este arreglo de tubos se debe utilizar con fluidos limpios de la coraza debido a que no permiten

    limpieza mecnica externa de los tubos.

  • 16

    El corte de las mamparas es del 15 al 40% el dimetro interno de la coraza y el espesor de las mamparas es de 3.2 a 19 mm.

    La funcin de la placa de choque es proteger a la primera hilera del arreglo de tubos que se ubican de bajo de la boquilla de entrada de la coraza, y las dimensiones de la placa de

    choque son: la altura de la placa de choque es del 25% el dimetro interno de la boquilla; el

    rea de la placa de choque tiene que ser mayor al dimetro interno de la boquilla y un

    espesor de 6 mm.

    J. Taborek, G. Aureoles [13], en su artculo mencionan que TEMA [1] es ampliamente

    aceptada para el diseo mecnico y fabricacin de los intercambiadores de calor de tubo y

    coraza, sin embargo presentan una critica a la sptima edicin publicada en 1988, por lo

    cambios presentados en el rea de diseo mecnico, vibracin de los tubos, dimensin del

    rea del flujo y del ensuciamiento.

    Para las clases R, C y B los dimetros recomendados para los tubos y la coraza puede ser menores de 6.42 mm y de 152 mm, respectivamente.

    Para el diseo mecnico de los espejos se introdujo una nueva formula para determinar su espesor, la cual, depende de la geometra y dimensiones del arreglo de tubos. Tambin se

    incluyen formulas para calcular el espesor de las bridas.

    Con respecto al diseo trmico se aumento el claro entre coraza y mampara, causando una inadecuada distribucin del flujo de la coraza que no contribuye a la transferencia de

    calor.

    Se aumentado a una seccin la vibracin en los tubos inducida por el flujo. Mientras que la seccin de ensuciamiento se redujo a una sola pgina.

    R. Mukherjee [14], en su publicacin menciona algunas caractersticas mecnicas de los

    principales componentes del intercambiador de calor de tubo y coraza, basado en TEMA

    [1], las cuales son las siguientes:

    Los espejos fijos por su sencillez son fciles de construir y de bajo costo, ya que la unin coraza-espejo y tubos-espejos se puede realizar por soldadura. Adems de que permitir

    limpieza mecnica interna de los tubos al retirarse los cabezales, sin embargo, no se

  • 17

    recomienda estos espejos en procesos con fluidos de gran suciedad, por no permitir

    limpieza mecnica externa de los tubos.

    Cuando los materiales de la coraza y de los tubos son iguales, se recomienda que todos los dems componentes deben ser del mismo material, y para materiales diferentes entre la

    coraza y tubos, se debe especificar el material de cada componente.

    Los arreglos de tubos triangular de 30 o 60 permiten acomodar ms tubos en la coraza que los arreglos de tubos cuadrados de 90 y de 45, lo cual, permite una mayor rea de

    transferencia de calor. El arreglo de tubos cuadrado de 90 se recomienda utilizarlo con

    fluidos de alta suciedad de la coraza.

    El paso mnimo que se recomienda entre tubos para los arreglos de tubos es de 1.25 veces el dimetro exterior del tubo.

    El espaciamiento mximo entre mamparas es 1/5 el dimetro interno de la coraza y que el corte de la mampara puede variar desde 15% hasta 45%. Estos puntos conducen el fluido a

    travs de la coraza y evitan las fallas de los tubos causadas por la vibracin inducida por el

    flujo.

    La tabla 2.1 muestra un resumen de las recomendaciones ms importantes para el diseo y

    la fabricacin de un intercambiador de calor de tubo y coraza, encontradas en la revisin

    bibliogrfica.

    2.4 MTODOS ANALTICOS PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE

    TRANSFERENCIA DE CALOR Y LA CADA DE PRESIN DE UN

    INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA

    Kern [15] en 1950 desarroll uno de los primeros mtodos para el estudio del

    comportamiento trmico de un intercambiador de calor de tubo y coraza. Este mtodo

    considera que el flujo a travs del arreglo de tubos es nicamente flujo cruzado, y no

    contempla fugas entre los componentes de la coraza. Este mtodo tambin est restringido

    para un corte de las mamparas del 25%. El coeficiente de transferencia de calor en la

    coraza, hs, determinado por este mtodo fue para un flujo turbulento de un rango de

    2000

  • =3/155.0

    36.0k

    cmDkDh psees

    &

    (2.1)

    donde De; es el dimetro equivalente, ; es el flujo msico del flujo cruzado, k; es la

    conductividad trmica, c

    sm&

    p; es el calor especifico, y ; es el factor de correccin de la

    viscosidad, expresado por: 14.0

    =

    w (2.2)

    donde ; es la viscosidad del fluido, y w; es la viscosidad de la pared del tubos.

    La correlacin para determinar la cada de presin desarrollada por Kern es la siguiente:

    ( )

    +=e

    bsss D

    NDmffp 214 2& (2.3)

    donde ff; es el factor de friccin, Dis; es el dimetro interno de la coraza, Nb; es el nmero

    de mamparas, ; es la densidad del fluido, De; es el dimetro equivalente y ; es el factor

    de correccin de la viscosidad.

    Este mtodo fue ampliamente utilizado en la industria por su sencillez al proporcionar

    rpidos resultados del coeficiente de transferencia de calor y de la cada de presin de la

    coraza. En la actualidad, este mtodo ya no es recomendable debido a que no considera las

    fugas entre los diferentes claros de los componentes del intercambiador de calor, tales

    como; claro entre coraza-mamparas y mamparas-tubos, as como las distancias de las

    mamparas de entrada y salida.

    En 1951 Tinker [16] desarroll un mtodo ms eficiente, para analizar el flujo en la coraza,

    el cual es conocido como el mtodo de anlisis de corrientes, como se muestra en la figura

    2.2. Este mtodo calcula la cada de presin y el coeficiente de transferencia de calor de la

    18

  • coraza para un intercambiador de calor de tubo y coraza, en funcin de la distribucin de

    las corrientes del fluido a travs de los componentes en la coraza. Estas corrientes fueron:

    Corriente A, es la corriente de fuga entre el claro de las mamparas y tubos.

    Corriente B, es la corriente del flujo cruzado sobre el arreglo de tubos entre dos mamparas.

    Corriente C, es la corriente de desviacin entre la coraza y el dimetro exterior del arreglo

    de tubos.

    Corriente E, es la corriente de fuga entre el claro la coraza y las mamparas.

    Figura 2.2. Diagrama de las corrientes del flujo de la coraza.

    El mtodo de anlisis de corrientes es complejo al involucrar numerosas iteraciones debido

    a que la resistencia del flujo depende de la relacin del flujo total.

    Tinker en 1958 [17], simplific su mtodo al utilizar constantes obtenidas

    experimentalmente con la finalidad de disminuir las iteraciones. Este mtodo consider las

    desviaciones del flujo en la coraza, claros entre componentes, dispositivos de sellado,

    espaciamiento y corte de las mamparas, ngulo del arreglo de tubos, paso entre tubos,

    distancia de la mampara de entrada y salida, para el calculo del coeficiente de transferencia

    de calor. En la cada de presin se considera el coeficiente de ensuciamiento. Aunque

    Tinker simplifico el mtodo de corrientes, ste continu siendo complicado e involucrando

    iteraciones. El coeficiente de transferencia de calor propuesto por Tinker es el siguiente:

    ebss hEh = (2.4) 19

  • donde, heb, es el coeficiente de transferencia de calor en la regin de las mamparas del

    arreglo de tubos, el cual se obtiene de la siguiente manera:

    =

    3/11.16

    kc

    kBD

    h poet

    eb

    (2.5)

    donde Det; es el dimetro exterior de los tubos, Bo; es la transferencia de calor del flujo a

    travs de los tubos, k; es la conductividad trmica, cp; es el calor especicifco, ; es la

    viscosidad del fluido, ; es el factor de correccin de la viscosidad y Es; es la efectividad

    de la coraza, expresada por:

    ( ) 6.02

    +=

    tt

    b

    t

    ttts PL

    LL

    PLLE (2.6)

    donde Lt, es la longitud de los tubos, Pt, es el paso de los tubos, Lb, es el espacio de la

    mamparas.

    La expresin para la cada de presin sugerida por Tinker es:

    sbec

    pbxs pS

    YA

    FffNScp ,2

    5 110334.0 +

    +

    = (2.7)

    donde cx; es una constante, S; es la relacin del tamao del intercambiador (Ds/Pt), Ds; es el

    dimetro de la coraza, Pt; es el paso de los tubos, ff; es el factor de friccin para el flujo

    cruzado a travs del arreglo de tubos, ; es la densidad del fluido, Fp; es el factor de

    friccin modificado del flujo cruzado, Ac; es el rea del flujo cruzado dentro de los limites

    del arreglo de tubos, Y; es el factor de la cada de presin de la ventana de las mamparas y

    pbe,s; es la cada de presin a travs de las boquillas de entrada y salida de la coraza.

    De 1947 a 1963 el departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de Delaware

    realiz investigaciones de la distribucin del flujo, del coeficiente de transferencia de calor

    y de la cada de presin de la coraza. Este trabajo fue resumido y publicado por Bell [18],

    20

  • esta investigacin obtuvo experimentalmente factores de friccin del flujo de la coraza para

    ser aplicados a los clculos de la cada de presin y del coeficiente de transferencia de calor

    en un banco de tubos ideal. Los factores de correccin fueron analizados de la siguiente

    manera: claro entre mamparas-tubos y claro entre coraza-mamparas, desviacin del flujo

    entre la coraza y del arreglo de tubos, y configuracin de las mamparas.

    La expresin para calcular el coeficiente de transferencia de calor es la siguiente:

    nwlbideals FFFFhh = (2.8)

    donde hideal; es el coeficiente de transferencia de calor para flujo cruzado en un arreglo de

    tubos ideal, Fb; es el factor de correccin del flujo de desviacin, Fl; es el factor de

    correccin de las fugas de las mamparas, Fw; es el factor de correccin de transferencia de

    calor para las ventanas de las mamparas, Fn; es el factor de correccin de transferencia de

    calor del nmero de filas de tubos.

    La cada de presin se determin por:

    ( )[ ]

    ++

    +=

    NL

    LwbBb

    tc

    twideals p

    ppNpNNNPp 112 (2.9)

    donde pideal; es la cada de presin del flujo cruzado en un arreglo de tubos ideal, Ntw; es el

    nmero de tubos en la ventana, Ntc; es el nmero de hileras de tubos entre bordes de las

    mamparas, Nb; es el nmero de mamparas, pB; es la cada de presin en el flujo cruzado,

    pw; es la cada de presin en la zona de la ventana, pL; es la cada de presin con claros y

    pNL; es la cada de presin sin considerar claros.

    Palen y Taborek [19], mejoraron el anlisis de corrientes del flujo y el coeficiente de

    transferencia de calor de la coraza desarrollado por Tinker, al dividir el flujo a travs de la

    coraza en cinco corrientes parciales. Palen y Taborek en su mtodo introdujeron una nueva

    corriente al diagrama de Tinker, definida como corriente F.

    21

  • El coeficiente de transferencia de calor desarrollado por Palen y Taborek se expresa por:

    =1PrRe 3/1 aos K

    kdh (2.10)

    donde K y a; son funcin del arreglo de tubos, del paso entre tubos y del rgimen del flujo,

    Re; es el nmero de Reynolds, Pr; es el nmero de Prandtl, ; es el factor de correccin de

    la viscosidad y ; es el factor de correccin del coeficiente de transferencia de calor en el

    flujo cruzado.

    La cada de presin total en la coraza se expresa por la siguiente relacin:

    ( ) eseewbBbs pppNpNp +++= 1 (2.11)

    donde Nb; es el nmero de mamparas, pB; es la cada de presin del flujo cruzado, pw; es

    la cada de presin en la ventana y pee y pes; son las cadas de presin en los espacios de

    entrada y salida de la primera y ltima mampara.

    Taborek [20], realiz modificaciones al mtodo desarrollado por Bell-Delaware. En este

    mtodo los factores de correccin Jl y Rl, fueron ajustadas con datos experimentales, y

    tambin fue adicionado un factor de correccin para los espacios de las mamparas de

    entrada y salida. Los factores de correccin de los claros entre componentes de la coraza y

    de las desviaciones del flujo fueron determinados de acuerdo a valores experimentales. La

    ecuacin para determinar el coeficiente de transferencia de calor de la coraza es:

    rsblcideals JJJJJhh = (2.12)

    donde hideal; es el coeficiente de transferencia de calor para flujo cruzado en un banco de

    tubos ideal. Jc; es el factor de correccin de la ventana de la mampara, el cual incluye los

    efectos de la ventana y de la transferencia de calor del arreglo de tubos, este factor de

    correccin vale 1.0 para mamparas sin tubos en las ventanas, 1.15 para cortes pequeos de

    las mamparas y 0.65 para cortes grandes de las mamparas. Jl; es el factor de correccin de 22

  • las corrientes entre los claros mamparas-tubos y coraza-mamparas, y tiene un rango de 0.7

    a 0.8. Jb; es el factor de correccin de la desviacin del flujo entre el arreglo de tubos y

    coraza, Js; es el factor de correccin de los espacios de las mamparas de entrada y salida, y

    se aplica cuando hay diferentes espacios de las mamparas de entrada y salida, su valor varia

    de 0.85 a 1.0. Jr; es el factor de correccin para cualquier gradiente de temperatura en flujo

    laminar, para nmeros de Reynolds menores de 100.

    La cada de presin total en la coraza propuesta por Taborek es la siguiente:

    ewcs pppp ++= (2.13)

    donde pc; es la cada de presin en flujo cruzado entre los bordes de las mamparas, pw;

    es la cada de presin en las ventanas de las mamparas, pe; es la cada de presin en el

    espacio de la primera y ltima mampara.

    Wills y Johnston [21], en ESDU 83038 [22], presentan una aportacin al mtodo

    desarrollado por Tinker, al simplificar el clculo de la cada de presin en la coraza, el cual

    incluye la cada de presin en el espacio de la primera y ltima mampara, as como la cada

    de presin en las boquillas de la coraza.

    Este mtodo fue validado experimentalmente y tiene buena aceptacin en flujos

    turbulentos, para nmeros de Reynolds mayores de 1000, con una sobreestimacin del 6%.

    Para un rango del nmero de Reynolds de 300

  • ( )c

    nesbspbeebeT gHgpppNppp +++++= 1 (2.14)

    donde pbe y pbs; son las cadas de presin en las boquillas de entrada y salida de la

    coraza, pee y pes; son las cadas de presin en los espacios de la primera y ltima

    mampara, pp; es la cada de presin entre mamparas adyacentes, Nb; es el nmero de

    mamparas, ; es la densidad del fluido, gn; es la aceleracin debido a la gravedad, H;

    diferencia de altura entra la boquilla de entrada y salida, y gc; es la constante de la segunda

    ley de movimiento.

    El coeficiente de transferencia de calor en la coraza vara en funcin de la velocidad del

    fluido, de la geometra del arreglo, y de algunas propiedades fsicas del fluido, tales como;

    calor especfico, cp, viscosidad dinmica, , y conductividad trmica, k. El coeficiente de

    transferencia de calor se expresada por:

    3.06.0

    33.0

    =

    kc

    AdFM

    dkh p

    m

    ocT

    os

    & (2.15)

    donde Det; es el dimetro exterior de los tubos, ; es el flujo total, FTM& c; es el factor de friccin del flujo total a travs de los tubos y Am; es la rea mnima del flujo cruzado en el

    centro de la coraza.

    Hewit y colaboradores [23], compararon resultados de la cada de presin y del coeficiente

    de transferencia de calor de la coraza, obtenidos por los mtodos de Kern, Bell-Delaware y

    Wills-Johnston. En este trabajo se utiliz un intercambiador de calor de tubos y coraza con

    las siguientes caractersticas: dimetro interno de la coraza de 0.54 m, dimetro interno de

    los tubos de 0.02 m, 158 tubos, arreglo cuadrado y con un paso entre tubos de 0.032 m,

    longitud de la coraza de 4.8 m, espacio entre mamparas de 0.0127 m y cuatro pasos de los

    tubos. El fluido de trabajo fue hidrocarburo. Los resultados de este trabajo se muestran en

    la tabla 2.2.

    24

  • 25

    Tabla 2.2. Comparacin de los mtodos de Kern, Bell-Delaware y Wills-Johnston.

    Mtodo Coeficiente de transferencia de calor

    W/m2K

    Cada de presin

    Pa

    Kern 978 22224

    Bell-Delaware 822 2736

    Wills-Johnston 865 3052

    Estos resultados muestran que los mtodos Bell-Delaware y Wills-Johnston son aceptables

    al predecir valores similares. El mtodo de Kern predice un coeficiente de transferencia de

    calor de 16% ms que el de Bell-Delaware y 12% ms que el de Wills-Johnston. Las

    predicciones de la cada de presin de la coraza en el mtodo de Kern fueron de siete y

    ocho veces mayor a los de otros dos mtodos. Este mtodo no es recomendable debido a

    que sobre estima del coeficiente de transferencia de calor y de la cada de presin de la

    coraza al considerar un banco de tubos ideal, es decir, solo considera flujo cruzado a travs

    del arreglo de tubos al no considera los claros entre los componentes de la coraza.

    La tabla 2.3 muestra un resumen de las recomendaciones ms importantes de mtodos

    analticos del comportamiento trmico de un intercambiador de calor de tubo y coraza,

    encontradas en la revisin bibliogrfica.

    2.5 TRABAJOS EXPERIMENTALES DEL COMPORTAMIENTO TRMICO Y

    DE LA CADA DE PRESIN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO

    Y CORAZA

    W. Roetzel [24], analiz experimentalmente las fugas del flujo entre el claro de la coraza y

    mamparas de un intercambiador de calor de tubo y coraza con mamparas segmentadas

    simples.

    Para analizar el efecto de las fugas del flujo en el claro entre la coraza y mamparas, y la

    distribucin del flujo a travs del arreglo de tubos y mamparas, se colocaron mamparas

    intercambiables con diferentes dimetros y distancias de separacin entre mamparas

    centrales. El dimetro interno de la coraza fue de 210 mm con una longitud de 1650 mm. El

    arreglo de tubos fue de 92 tubos con un dimetro interno de 10 mm y un espesor de 2 mm,

  • 26

    el paso de los tubos fue de 18 mm. Las mamparas fueron de un espesor de 2 mm y con un

    corte de 50 mm.

    La parte experimental del comportamiento trmico del intercambiador de calor se realiz

    variando el flujo volumtrico de la coraza y en los tubos, los diferentes claros que utilizaron

    entra la coraza y tubos fueron de 0.2, 1, 2 y 3 mm, y las distancias de separacin de las

    mamparas fueron de 81 y 219 mm. Roetzel en este trabajo observ que las fugas del flujo a

    travs de los claros que hay entre la coraza y las mamparas tienen gran influencia en el

    coeficiente total de transferencia de calor. Este coeficiente mostr una disminucin del 7%

    con un nmero de Reynolds de 5800 y del 16% con un nmero de Reynolds de 1450 entre

    un claro coraza-mamparas de 0.2 y 3.0 mm.

    T. Pekdemir y T. W. Davies [25], realizaron una investigacin experimental para medir la

    cada de presin y la distribucin del flujo en la coraza de un intercambiador de calor de

    tubo y coraza. La coraza que utilizaron fue del tipo E con un dimetro interno de 300 mm,

    las mamparas fueron segmentadas simples con un corte del 25% del dimetro de la coraza y

    un arreglo de tubos cuadrado de 12 mm de dimetro con una longitud de 1206 mm. El

    fluido de trabajo utilizado tanto en la coraza como en los tubos fue agua destilada.

    Las mediciones de la distribucin de la cada de presin en la coraza se realizaron

    utilizando sensores de presin, estos se conectaron a vlvulas de un dimetro de 6.4 mm,

    las cuales a su vez se conectaron a un transductor de presin por medio de un manifold

    (distribuidor). Las presiones se tomaron sin fugas entre mamparas-coraza y mamparas-

    tubos en dos mamparas consecutivas.

    Los resultados que se observaron de este trabajo fueron los siguientes: la cada de presin

    del flujo cruzado varia directamente con el aumento del nmero de Reynolds y con la

    separacin entre mamparas, es decir, estos parmetros indican el incremento de la mala

    distribucin del fluido en la coraza. Con bajos nmeros de Reynolds, el flujo en la coraza es

    ms uniforme. La cada de presin en la ventana no vara significativamente con el nmero

    de Reynolds en un rango de 270-2200, esto indica que la cada de presin en la ventana de

  • 27

    las mamparas es gobernada por los efectos inerciales como la expansin, contraccin, y con

    los vrtices del flujo.

    L. W. Keene [26], desarroll un programa computacional para validar experimentalmente

    un intercambiador de calor de tubo y coraza, el cual incluye mejoras al anlisis de

    corrientes mltiples realizado Tinker.

    En este trabajo se analiz la cada de presin del flujo de la coraza entre dos mamparas

    adyacentes, tambin se estudio la efectividad del listn de sellado ubicado en la regin del

    flujo cruzado para controlar la cantidad de desviacin del flujo en el arreglo de tubos.

    La cada de presin de la coraza obtenida experimentalmente y por el programa

    computacional muestra valores aceptables en condiciones normales del flujo. La cada de

    presin obtenida con claros entre los componentes de la coraza tuvo valores aceptables.

    Cuando se instalaron los listones de sellado la prediccin de la cada de presin fue

    aceptable, sin embargo cuando se incrementaron los listones de sellado el programa

    computacional present una sobre estimacin de la cada de presin.

    N. Radojkovic [27], investig experimental el comportamiento trmico de un

    intercambiador de calor de tubo y coraza, al analizar la distribucin del flujo en la coraza

    con mamparas segmentadas.

    El intercambiador de calor const de una coraza de un dimetro interno de 182 mm, la

    longitud total del equipo fue de 1217 mm, con un arreglo de tubos triangular rotado de 60

    en U, el dimetro y paso de los de los tubos fueron de 29.3 mm y 21 mm, repectivamente.

    Los cortes de las mamparas fueron de 22, 26 y 32%.

    Las mediciones de la presin se realizaron en la parte superior de la coraza y las de

    temperatura se realizaron en la parte media de la coraza. El flujo volumtrico de la coraza

    fue de 9000 l/h con una temperatura de entrada de 15 C. El flujo volumtrico en los tubos

    fue de 3000, 4000 y 5000 l/h y la temperatura de entrada de 60 C. Seis mediciones se

    realizaron por cada corte de las mamparas.

  • 28

    Los resultados obtenidos, en este trabajo fueron los siguientes: El mayor intercambio de

    calor se present entre el espacio de la primera mampara y el espejo. La eficiencia del

    intercambiador de calor disminuyo con el incremento del corte de las mamparas, tambin la

    eficiencia del equipo aumento un 13.6% ms con mamparas en la coraza que sin mamparas.

    R. S. Klister [28], analiz experimentalmente la cada de presin en la coraza en un arreglo

    de tubos lisos con mamparas segmentadas para compararlo con el mtodo analtico

    desarrollado por Taborek.

    La coraza que utilizaron fue del tipo K con diferentes arreglos de tubos y con seis y ocho

    mamparas instaladas a lo largo de la coraza. La cada de presin en la coraza se medi

    desde la boquilla de entrada hasta la boquilla de salida. Todas las mediciones fueron para

    seis diferentes flujos msicos del lado de la coraza.

    La cada de presin de la coraza obtenida experimentalmente por Klister, determina la cada

    de presin del flujo cruzado, la cada de presin en la venta de las mamparas, la cada de

    presin en las zonas finales de la coraza y la cada de presin de las boquillas. La

    comparacin entre las mediciones obtenidas experimentalmente y con el mtodo

    desarrollado por Taborek es de un promedio de 10%.

    La tabla 2.4 muestra un resumen de las recomendaciones ms importantes de trabajos

    experimentales de un intercambiador de calor de tubo y coraza, encontradas en la revisin

    bibliogrfica.

  • Tabla 2.1. Recomendaciones ms importantes para el diseo, materiales y fabricacin de un intercambiador de calor de tubo y coraza. Artculo/norma Componente/Recomendaciones Material No incluye

    Standards of Tubular Exchangers Manufacturers Association, 1988,U.S.A. [1].

    Tubos: Obtener el dimetro y espesor de los tubos por tabla. Menciona los diferentes arreglos de los tubos y proporciona el paso mnimo entre

    estos.

    Coraza y tapas: La tolerancia para el dimetro interno de la coraza no debe ser mayor al obtenido por

    el diseo. El espesor de las tapas del cabezal debe ser del mismo espesor al de la coraza. Mamparas y placas de soporte: Describe los diferentes tipos de mamparas empleadas y recomienda el espesor mnimo

    de las mamparas. Sugiere la longitud mxima no soportada de los tubos por las mamparas. Los barrenos de las mamparas tiene que ser de 0.794 mm ms el dimetro exterior de

    los tubos. El espaciamiento mnimo entre mamparas no debe ser menor de 1/5 veces el dimetro

    interno de la coraza y el espaciamiento mximo entre mamparas es obtenido por tablas.

    Empaques: Los empaques de asbesto se deben utilizar en uniones externas con presiones de

    diseo de 2.94 kPa. Los empaques de camisa metlica se deben utilizar en uniones con presiones de diseo

    mayores a 2.94 kPa. El ancho mnimo de los empaques. Espejo fijo: Se tiene una ecuacin para calcular su espesor y los esfuerzos que puede soportar la

    unin espejo-tubos. Tolerancia de los barrenos en los espejos. Cabezal tipo bonete: El espesor mnimo para el canal y la tapa sean obtenidos por ecuaciones. Boquillas: Las boquillas se deben fabricar de acuerdo al cdigo ASME [2]. Se recomienda que las boquillas se utilicen para las conexiones de medicin. Bridas: Proporciona tablas con las dimensiones de las bridas deslizables, de cuellos soldable y

    ciega.

    Tornillos: Para determinar las dimensiones de los tornillos consultar la seccin 11.

    Cobre, aleaciones de cobre, acero

    al carbono, aluminio y aleaciones de aluminio.

    SA-53, SA-106 y SA105.

    SA-36, SA-285, SA-515 y SA-516.

    Empaques de asbesto y de camisa metlica.

    SA-36, SA-285, SA-515 y SA-516.

    SA-53, SA-106 y SA-234.

    SA-53, SA-106.

    SA-36, SA-285, SA-515 y SA-516.

    SA-193.

    Formas de soldar los tubos a los espejos.

    Corte de la coraza y canal para unir las boquillas.

    Montaje del arreglo de tubos a las mamparas y a la coraza.

    Porcentajes de corte de las mamparas. Distribucin y ensamble de las barras de

    soporte de las mamparas.

    Diseo de empaques.

    Diseo de los cabezales.

    Materiales para recubrimientos para los aceros al carbono.

    Materiales de aporte para las diferentes uniones entre componentes.

    Clculo de la placa de coche.

    29

  • American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Div. 1 y 2, 1992, U.S.A. [2].

    Espejos, tubos, bridas, coraza, etc.: Proporciona tablas con valores de esfuerzos permitidos, coeficientes de expansin

    trmica, conductividad trmica a diferentes temperaturas y presiones.

    Espejos fijos y cabezales: Proporciona ecuaciones para calcular espesores o presiones internas.

    Tuerca, rondana y tornillo: El material de la tuerca y rondana debe ser del mismo material al del tornillo, o de

    similar dureza.

    Coraza y boquillas: La coraza o boquillas pueden ser fabricadas de tubera con costura o tubo

    estandarizado, o de placas de acero al carbono, si el intercambiador de calor no contiene sustancias toxicas, ni estar expuesto a flama.

    Proporciona las ecuaciones para determinar el espesor o presin interna de las boquillas.

    Recubrimientos: Especifica requerimientos de fabricacin para algunos componentes con

    recubrimientos de aceros inoxidables u otro material resistente a la corrosin, estos recubrimientos pueden ser colocados al material base por medio de soldadura de arco.

    El material del metal de aporte debe ser de la misma composicin que al material del recubrimiento.

    Empaques: Describe a los diferentes tipos de empaques y materiales de estos.

    Unin boquilla-coraza, boquilla-canal y brida-canal: Determina las dimensiones del corte circular o elptico que se tienen que realizar a la

    coraza o al canal para su unin con las boquillas. Presenta los reforzamientos y las formas de unin por soldadura de la boquilla a la

    coraza-canal, del cabezal al canal y de las bridas al canal. En donde se especifica el tamao y ngulo de la soldadura, la separacin, profundidad y tipo de corte que se tiene que realizar a los componentes a soldar.

    SA-515, SA-105, SA-106, SA-53 y SA-234.

    Aceros al carbono y aceros de baja

    aleacin.

    SA-36 y SA-283.

    Laminas de aceros inoxidables, acero-cromo, acero-nquel-cromo y acero aleado con nquel.

    Asbestos, fibras de asbesto o vegetales, camisas de asbesto con recubrimientos de aluminio, cobre, cromo, nquel, etc.

    Diseo y ensambles de las barras de

    soporte de las mamparas.

    Espesores y porcentajes de corte de las mamparas.

    Arreglos ms comunes de los tubos para un intercambiador de calor.

    Clculo de la placa de coche.

    American NationalStandard ANSIB16.21, Nonmetallic Flat Gaskets for Pipe Flanges, ASME. 1978, USA. [3].

    Empaques planos no metlicos: Especifica dimensiones normalizadas para diferentes tipos de empaques planos no

    metlicos utilizados en diferentes clases de bridas. Sugiere que el material de los empaques deben ser adecuado al fluido y a las

    condiciones de operacin del equipo.

    Materiales para los empaques.

    Heat ExchangerDesign Handbook:Fluid Mechanics and Heat Transfer, Henry, J. A. R., 1983, U.S.A. [4].

    Cada de presin en los tubos: Realiz un anlisis de la distribucin del fluido de los tubos a travs de las boquillas y

    cabezales de los intercambiadores de calor de tubos y coraza para predecir la cada de presin de los tubos.

    30

  • Heat ExchangerDesign Handbook:Mechanical Design of Heat Exchangers.Harris, D., Morris, M. 1983, U.S.A. [5].

    Coraza y tubos:

    Sugiere ecuaciones para calcular el espesor mnimo de la coraza y tubos.

    Tapa elipsoidal y hemisfrica: Proporciona ecuaciones para calcular el espesor y las dimensiones de las tapas.

    Espejos fijos: Recomienda una ecuacin para calcular el espesor del espejo fijo.

    Bridas: Describe un mtodo para calcular el espesor de diferentes bridas.

    SA-515-70, SA-210.

    SA-515-70.

    SA-515-70.

    SA-105.

    Dimensiones y materiales de los

    empaques. Diseo y ensambles de las barras de

    soporte de las mamparas. Espesores y porcentajes de corte de las

    mamparas. Arreglos ms comunes de los tubos para

    un intercambiador de calor. Clculo de la placa de coche.

    Heat ExchangersDesign, J. Taborek, 1992, U.S.A. [6].

    Arreglo de tubos: Recomienda dimetros pequeos y longitudes grandes de los tubos, para tener una

    mayor cantidad de tubos reduciendo el dimetro de la coraza y el costo. Sugiere que el paso mnimo de los tubos sea de 1.25 veces el dimetro de los tubos

    para todos los arreglo de tubos.

    Mamparas: Espaciamiento y corte de las mamparas. Placa de choque: Recomienda una ecuacin para calcular la altura de la placa de choque.

    Espejo fijo: Recomienda utilizarlo en los intercambiadores de calor para absorber los esfuerzos

    causados por la expansin trmica y recomienda que la unin tubos-espejo sea por rolado o por soldadura.

    Proporciona una ecuacin para calcular el espesor del espejo fijo.

    Aceros al carbn e inoxidables.

    Formas de soldar los tubos a los espejos.

    Dimensiones de bridas. Dimensiones y materiales de los

    empaques.

    Diseo y ensambles de las barras de soporte de las mamparas.

    Clculo del rea de la placa de choque.

    Diseo de los cabezales.

    Manual de Recipientes a Presin. Megyesy, E. F., 2001, Mxico. [7].

    Coraza, tubos y cabezales: Ecuaciones para determinar el espesor y la presin mxima de trabajo permitida.

    Cabezal hemisfrico, elipsoidal y toriesfrica: Proporciona las propiedades geomtricas de estos tipos de cabezales.

    Bridas: Proporciona dimensiones de las principales bridas utilizadas para intercambiadores de

    calor para diferentes presiones de operacin.

    Empaques: Describe las propiedades de algunos materiales para los empaques, al igual que su

    aplicacin.

    SA-53, SA-106.

    SA-285, SA-516, SA-516.

    SA-105, SA-181.

    Empaques de asbesto y asbesto con refuerzo metlico, y empaques de plstico.

    Diseo y ensambles de las barras de

    soporte de las mamparas.

    Espesores y porcentajes de corte de las mamparas.

    Arreglos ms comunes de los tubos para

    un intercambiador de calor.

    Dimensiones de los empaques.

    Diseo de la placa de coche. Heat ExchangersThermal-Hydraulic Fundamentals andDesign. Kenneth J. Bell, 1981, U.S.A. [8].

    Tubos:

    Son generalmente extruidos, aunque pueden ser tubos soldados. Unin espejo-tubos: Unin por soldadura. Unin por expansin mecnica.

    Acero de bajo carbono, aceros de

    baja aleacin, aceros inoxidables, cobre, cupronquel, aleacin de nquel-cromo, aluminio, titanio.

    Los tubos y el espejo deben ser del

    Forma de unir los tubos a los espejos por

    soldadura.

    Diferentes tipos de arreglos de los tubos y su montaje con las mamparas y coraza.

    31

  • Mamparas: Describe los diferentes tipos de mamparas, as como las funciones que desempean. Recomienda porcentajes de cortes de las mamparas. Espejo: El material del espejo debe resistir la corrosin que presente los fluidos en los tubos y

    en la coraza.

    Coraza: Para corazas con dimetros mayores de 0.6 m se puede rolar de una placa metlica y

    para dimetros menores puede ser de tubo estandarizado. La redondez del dimetro es importante, para sujetar adecuadamente a las mamparas. Boquillas y tapas: El material de estos componentes tiene que evitar la corrosin del lado de los tubos. Placa de choque: Evitar el impacto del fluido a altas velocidades directamente a los tubos superiores, el

    cual puede producir corrosin, cavitacin o vibracin.

    mismo o compatible material.

    Acero de bajo carbono con una capa resistente a la corrosin.

    Acero de bajo carbono o de aleaciones cuando es alta la corrosin y la temperatura.

    Material compatible con los tubos y espejos.

    Diseo y ensambles de las barras de soporte de las mamparas.

    Calculo del espejo.

    Dimensiones y tipos de bridas.

    Diseo de cabezales.

    Dimensiones y materiales de los empaques.

    Calculo de la placa de choque.

    Curso de diseo de equipos. J. A. Herrera, 1981, Mxico. [9].

    Coraza: Corazas con dimetros menores de 0.6 m utilizar tubos de acero y para dimetros

    mayores rolar placas metlicas.

    Unin espejo-tubos: Unin por soldadura. Unin por expansin mecnica.

    Acero.

    Diseo y ensambles de las barras de

    soporte de las mamparas. Montaje de las boquillas a la coraza y

    cabezal. Diseo de los cabezales.

    Shell and Tube Heat Exchangers. D. K. Mehra, 1983. [10]

    Tubos: Recomienda a tubos de dimetros pequeos en fluidos limpios, en donde la cada de

    presin no es crtica, y tubos de dimetros grandes en arreglos de tubos en U con fluidos de alta suciedad.

    Coraza: Dimetros menores de 609 mm, se debe utilizar tubos estandarizados y dimetros

    mayores de 609 mm se deben fabricar de placas metlicas.

    Mamparas: Espaciamiento mnimo entre mamparas. Coraza, mamparas y arreglos de tubos. Disminuir o eliminar los claros entre estos componentes para obtener el mejor

    desempeo mecnico-trmico del intercambiador de calor. Espejos: Menciona las ventajas y desventajas que se tiene al fabricar un intercambiador de calor

    de espejos fijos. Tapa y canal: Maquinarlos de material similar a los tubos.

    Aceros al carbn.

    Material compatible con la coraza.

    Aceros al carbono y revestidos con una aleacin.

    Materiales compatibles con el lado

    de los tubos.

    Dimensiones y tipos de bridas.

    Dimensiones y materiales de los empaques.

    Diseo y ensamble de las barras de soporte de las mamparas.

    Clculo del espejo.

    Diseo de cabezales.

    Clculo de la placa de choque.

    32

  • Mechanical Design and Fabrication of Shell and Tube HeatExchanger.

    T. C. Spencer, 1986, U.S.A. [11]

    Ensamble y unin de los tubos al espejo: Unin por soldadura de arco. Unin por expansin mecnica o hidrulica.

    Arreglos de tubos. Diseo de cabezales, bridas y espejos. Dimensiones y materiales de los

    empaques. Diseo de mamparas. Clculo de la placa de choque.

    Heat ExchangersSelection, Design y Construction. E. A. D. Saunders, 1988, U. K. [12].

    Coraza: Dimetros menores de 24 utilizar tubo estndar y dimetros mayores rolar placa

    metlica. Tener cuidado con la unin de las boquillas a la coraza para evitar la deformacin de

    esta.

    Tubos: El arreglo de tubos triangular de 30 permite un equipo ms compacto, sin embargo

    este arreglo de tubos se debe utilizar con fluidos limpios de la coraza.

    Mamparas: Porcentajes de corte de las mamparas. Sugiere que el espesor de las mamparas sea de 3.2 a 19 mm.

    Placa de choque: Dimensiones y altura para su ensamble.

    Cabezales: Describe los diferentes tipos de cabezales tipo bonete.

    Boquillas: Describe como debe ser unida la boquilla a la coraza o al canal.

    Bridas: Pueden ser de placas roladas o forjadas.

    Espejos: Con espesores menores de 100 mm son hechos de placas y para espesores mayores son

    hechos de discos forjados. Recomienda utilizar espejos fijos con fluidos limpios de la coraza. Los espejos fijos permite colocar ms tubos dentro de la coraza. Empaques: Son empleados en bridas externas, internas y en servicios de baja presin. Tubos-espejo: Unin por soldadura. Unin por expansin de rolado, hidrulica y explosiva.

    Acero al carbono y de aluminio-bronce.

    Material compatible a la coraza o de acero al carbono.

    Fibras de asbesto, asbesto con camisas metlicas y de gaucho.

    Calculo de mamparas.

    Diseo de cabezales y espejos.

    Dimensiones y tipos de bridas.

    Clculo de espesores de boquillas.

    Ensamble de las barras de soporte de las mamparas.

    Effect of 1988 TEMA Standards onMechanical and Thermo-Hydraulic Deign of Shell and

    Tubos y coraza: Para las clases R, C y B los dimetros recomendados para los tubos y la coraza puede

    ser menores de 6.42 mm y de 152 mm, respectivamente. En donde, el clculo de los esfuerzos para todas las clases es el mismo.

    33

  • Tube Heat Exchangers, Taborek and Aurioles, 1989, U.S.A. [13].

    Espejos y bridas: Se tienen nuevas ecuaciones para determinar los espesores.

    Junta de expansin: Nueva seccin para la Junta de expansin de la coraza.

    Coraza y mampar