curso de tuberías para plantas de proceso - 0114 intercambiadores de calor

8/18/2019 Curso de tuberías para plantas de proceso - 0114 Intercambiadores de Calor

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Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294.

Fax 914-203-074; E-mail [email protected]

CURSO DE TUBERIAS PARA

PLANTAS DE PROCESO.

(Químico, Petroquímico o Farmacéutico).

0114

LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR.


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CURSO DE DISEÑO DE TUBERÍAS PARA PLANTAS DE PROCESO (2.005).


Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].

Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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Índice de la unidad:01 LA TRANSFERENCIA DE CALOR.

02 LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR.

03 INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR.

04 REFRIGERADORES, Y/O ENFRIADORES (CHILLERS & COOLERS).

05 LOS AEROREFRIGERANTES, O “AIR COOLERS”.

06 LOS CONDENSADORES.

07 EL REHERVIDOR, O “REBOILER”.

08 EL VAPORIZADOR.

09 EL PRECALENTADOR.

10 LOS INTERCAMBIADORES DE PLACAS.


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01 LA TRANSFERENCIA DE CALOR.

Este tipo de equipos esta presente en nuestra vida cotidiana, si bien adopta unos nombres

específicos, generalmente en base a su función o tipo de trabajo; como ejemplo podemos citar losradiadores, de coche y de calefacción, los cuales, a nivel técnico, no son más que

intercambiadores agua/aire; el “intercooler” que no es más que un intercambiador aire/aire;

finalmente debe citarse a la nevera como representante más común del ciclo frigorífico, en la que

tenemos dos intercambiadores, uno dentro, el llamado evaporador, el cual debe ser considerado

como un intercambiador fase gas/aire y el otro situado en el exterior, denominado condensador,

que no es más que un intercambiador fase liquida/aire.

Dentro de este grupo genérico debemos incluir a todos los equipos en los que el calor es cedido

desde un fluido a otro fluido, independientemente de que en ellos se efectúe cambio de estado

físico; paso de gas a liquido, en el caso de los condensadores; paso de liquido a gas, como

ocurre en los evaporadores.

En este tipo de equipos el cambio de calor pode efectuarse, entre liquido y liquido, entre gas y

gas, o bien, entre liquido y gas.

Como información previa a la descripción de estos equipos, conviene comentara lo siguiente:

? En el sistema métrico, el calor es medido en Kilocalorías (Kcal); la Kilocaloría, esta definida

como, la cantidad de calor necesaria, para elevar la temperatura de un kilo de agua destilada,

de 14º C, a 15º C.

? En el sistema inglés se usa como unidad de medida la BTU, que representa la cantidad de

calor que se debe suministrar a una libra de agua, para elevar su temperatura de 50º a 51º F.

Técnicamente no se habla de calor, sino de cantidad de calor cambiado o cedido en la unidad de

tiempo, se tendrá así, una potencia expresable en Kcal/h., o en BTU/h., o en W.

La temperatura es una magnitud física diferente del calor, que indica la capacidad que tiene un

cuerpo para ceder calor a otro; la temperatura se mide en:

â Grados centígrados o Celsius (ºC) en el sistema métrico.

â Grados Fahrenheit (ºF) en el sistema inglés.


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Debe recordarse que:

? Un grado centígrado equivale a 1,8ºF.

? El cero centígrado, como temperatura de referencia, equivale a 32ºF.

? La temperatura del agua hirviendo, a 760 mm de Hg, son 100ºC, que equivalen a 212ºF.

? Para calcular la temperatura en grados Kelvin (ºK) o absolutos, que corresponda a una de t ºC,

hay que sumarle, 273,16ºC, sean por ejemplo, las siguientes equivalencias:

¢ 0ºC⇔ 273ºK.

¢ 100ºC⇔ 373? K.

El paso del calor de los cuerpos calientes a los fríos; puede efectuarse de tres modos:

Æ Por conducción.

Æ Por convección.

Æ Por radiación.

En los problemas de intercambio térmico del calor, hay que tomar en consideración la

combinación simultánea de dos o más formas de transmisión.

La transmisión del calor por conducción, tiene lugar solamente en los cuerpos sólidos, donde

el calor es transmitido o cedido por las vibraciones de las moléculas, sin que estas abandonen o

cambien su posición, es decir, sin que se mezclen entre ellas; el cambio de calor por conducción

depende de cuatro factores:

j Diferencia de temperatura.

k Conductibilidad térmica del material de las paredes.

l Superficie de intercambio.

m Espesores de las paredes.

j Diferencia de temperatura ; cuanto mayor es el Dºt (diferencia de temperatura entre las dos

caras de las paredes), tanto mas grande será la cantidad de calor intercambiado; por

experiencia se sabe que los materiales conducen el calor de modo diferente; por ejemplo una

cuchara de madera conduce el calor más lentamente que una cuchara de metal.


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k Conductibilidad térmica del material de las paredes; es la mayor o menor facilidad de un

material en dejar pasar el calor, a esta propiedad se le llama "CONDUCTIBILIDAD

TÉRMICA", y se indica con "K"; para un determinado material, cuanto más alto sea el valor

de su "K", mayor será la posible cantidad de calor intercambiado por conducción; la plata es

un buen conductor, por ello tiene un "K" elevado, respecto a la madera, esta es excelente

aislante; casi todos los metales tienen alta conductibilidad térmica; los gases transmiten mal el

calor, tienen una baja conductibilidad térmica.

Podemos ver en la tabla siguiente, los valores de la conductibilidad térmica de algunos

materiales y el orden de la magnitud de estas características físicas.

TABLA 01; CONDUCTIVIDAD DE MATERIALES, METALES, LIQUIDOS Y GASES.

COMPONENTES: TEMPERATURA EN °F: CONDUCTIVIDAD Btu/h.ft2

ºF/ft:

Amianto: 212 0,111

Asfalto: 68 0 ,4 3

Ladrillos: 68 0,40

Ladrillos refractarios: 392 0,05

Madera de pino: 59 0,087

Corcho: 86 0,025

Aluminio: 212 119,0

Latón: 212 60,0

Cobre: 212 218,0

Fundición: 212 30,0

Acero: 212 26,0

Gasolina: 86 0,078

Keroseno: 68 0,086

Agua: 86 0,356

Aire: 212 0,0183

Amoníaco: 212 0,0185

Butano: 212 0, 0185

Anhídrido carbónico: 212 0, 0133


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l Superficie de intercambio; para el intercambio de calor por conducción; se puede afirmar

que cuanto mayor es la superficie atravesada por el calor, mayor será la cantidad de calor

intercambiado.

m Espesores de las paredes; el cuarto factor que influye en el cambio por conducción es el

espesor "s" de los materiales, que conforman la pared, a través de los cuales debe pasar el

calor, por lo tanto, a mayor espesor del material, mayor será la resistencia al paso del calor.

Como consecuencia de estos conceptos, podríamos determinar que los tres primeros factores

son proporcionales a la cantidad de calor intercambiado, mientras que el ultimo es

inversamente proporcional, por lo tanto, un aumento del espesor, hará disminuir el intercambio

por conducción. La Ley general que regula el intercambio de calor por conducción, es la

llamada LEY DE FOURIER, la cual se expresa por la siguiente ecuación:

Q/Φ = [K x (A/s)] x (t1 - t2) = K x (A/s) x Dºt

En la que sus valores son:

Q = cantidad de calor que en el tiempo Φ atraviesa las paredes.

s = espesor de las paredes

A = superficie de intercambio

(t1 - t2) = diferencia de temperatura entre las dos caras

K = conductividad térmica de los materiales que forman la pared (tabla 11.01).

En el caso de la transmisión de calor por convección, se produce un traslado o movimiento

de moléculas, que son portadoras y como consecuencia del movimiento, transportadoras de

energía térmica; a través de ese transporte y de su intercambio, se obtiene la cesión o

adquisición de calor; de esto se desprende, que la transmisión de calor por convección, no

podrá realizarse, mas que mediante fluidos, es decir, líquidos y gases, ya que el intercambio

por convección implica el movimiento del fluido, por ello, es fácil suponer que el intercambio

de calor, será tanto mayor cuanto mas elevada sea la velocidad del fluido y la rapidez con que

se mezcle; los 2 factores que influye en la convección, son:

? La velocidad del fluido.

? La temperatura.


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También en la convección, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el fluido caliente

y el fluido frío, tanto mayor será la cantidad de calor intercambiado.

Respecto a la transmisión de calor por radiación, el calor se transmite desde la fuente de

calor sin que en ello, intervengan las moléculas, como vehículos térmicos; por ello, mientras

que en los cuerpos sólidos la transmisión se realiza por medio de las moléculas y en la

convección, por el movimiento de los fluidos, la transmisión de calor por radiación puede

producirse también en el vacío absoluto, tal transmisión puede ser comparada con la

propagación de las ondas luminosas.

El intercambio de calor por radiación depende de cuatro factores:

j El tipo de superficie absorbente .

k El área de la superficie absorbente.

l La diferencia de temperatura.

m La distancia entre el objeto y la fuente de calor.

j El calor intercambiado por radiación depende del tipo de superficie que recibe el calor, el

calor como la luz es en parte absorbido y en parte reflejado, en general una superficie

brillante y pulida, reflejara, más que absorber las ondas caloríficas; para el calculo se usa un

objeto teórico llamado "Cuerpo negro".

k A mayor superficie del cuerpo absorbente, mayor será también el calor intercambiado.

l En el caso de los intercambiadores de calor, las temperaturas son relativamente bajas y la

cantidad de calor transmitida por radiación resulta escasa, por lo que el fenómeno del

intercambio térmico queda reducido al estudio de la conducción y la convección .

m La distancia entre el objeto y la fuente de calor, en este caso es despreciable

El departamento mecánico, para determinar el tipo de intercambiador, así como la superficie de

intercambio necesaria, deberá tener en cuenta, forma y dirección del movimiento del flujo o

corriente de cada uno de los fluidos, basándose en el modo en que se realizan, se puedenconsiderar cuatro casos:


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j Equicorriente.

k Contracorriente.

l Corrientes cruzadas.

m Fluido a temperatura constante.

j Equicorriente; los fluidos se mueven en el mismo sentido y las dos temperaturas varían a lo

largo del recorrido; en el caso de equicorriente, la temperatura de salida del fluido calentado

es menor que la temperatura de salida del fluido que aporta el calor (calentador).

Figura 01; Ejemplo de gráfico de intercambio de calor a equicorriente.

k Contracorriente; las corrientes de los fluidos son dirigidas en sentido contrario, las dostemperaturas varían a lo largo del recorrido, esta disposición hace que se requiera una

superficie menor de intercambio, es el tipo que se debe usar cuando la variación de

temperatura en uno o en los dos fluidos se aproxima a la diferencia entre las temperaturas de

entrada de las dos corrientes; es decir cuando la relación:

(aumento de temperatura)/(diferencia entre temperaturas de entrada)

Se aproxima a la unidad.

Figura 02; Ejemplo de gráfico de intercambio de calor a contracorriente.


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En el caso de contracorriente, la temperatura de salida del fluido calentado puede ser muy

próximo a la temperatura de entrada del fluido que aporta el calor; por lo tanto, los

intercambiadores a contracorriente son mas eficaces que los que trabajan a equi corr iente.

l Corrientes cruzadas; las dos corrientes de fluido se encuentran y cruzan, en ángulo recto;

el flujo a corriente cruzada es aplicado en los aerorefrigerantes (por aire) o “aircoolers”.

m Fluido a temperatura constante; es una variación de la equicorriente, en la que uno de los

dos fluidos esta a temperatura constante, mientras el otro varia su temperatura a lo largo del

recorrido en paralelo; es el caso de un vapor que se condensa y cede el calor latente a un

fluido que se calienta, o el de un liquido que se evapora, absorbiendo calor de un fluido que

se refrigera.

Figura 03; gráfico de intercambio de calor a temperatura constante.

02 LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Los dos criterios mas usuales para clasificar a los intercambiadores de calor, son:

j Por la forma constructiva.

k Por la función que desarrollan.

La clasificación por la forma constructiva, nos da cuatro tipos generales.

j Intercambiadores con haz de tubos; en el caso de este tipo de equipos la Norma TEMA nos

da una clasificación de la forma constructiva; los tres tipos más habituales son:

â Con cabezal fijo.

â Con cabezal flotante.

â Con tubos en “U”.


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k Intercambiadores con doble tubo

â Con tubos lisos.

â Con tubos aleteados.

â Multitubular.

l Aerorefrigerante, o “aircooler”.

m Intercambiadores de placas.

La clasificación por la función que desarrollan, entre otras, nos puede dar las siguientes:

? Intercambiadores.

? Refrigeradores o enfriadores.

? Aerorefrigeradores o “aircoolers”.

? Condensadores.

? Rehervidores o “reboilers”.

? Vaporizadores.

? Precalentadores.

De estos tipos los más usados en la industria petroquímica, son los de haz de tubos, seguidos

por los aerorefrigerantes y en los últimos tiempos empiezan a ser utilizados, los de placas.

La misión del intercambiador es la de conservar energía térmica, con el consiguiente ahorro de

combustible y agua de refrigeración; el calor absorbido por el fluido frío ocasiona un notable

ahorro de combustible, y el calor extraído del fluido caliente reduce el consumo del agua de

refrigeración, de esto se deriva un beneficio económico considerable.

Durante el funcionamiento de la instalación; la cantidad de calor cedido en un intercambiadorde calor se calcula por la formula:

Calor cedido = Q = U x A x Dºt

SIENDO:

Q = Cantidad de calor transferido en Kcal/h o Btu/h. (1 Kcal/h ≡ 3,968 Btu/h).

A = Superficie de cambio o de contacto.

∆ºt = Diferencia media logarítmica, de la temperatura de los fluidos.

U = Coeficiente total de cambio; es la aptitud del sistema para intercambiar calor.


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Podemos tomar como ejemplo el producto que sale del fondo de una columna de

fraccionamiento, y que debe ser enviado a depósitos de almacenamiento:

? Su salida se produce a una temperatura muy elevada, por ello ha de enfriarse para poder

llevarlo a su almacenamiento a baja temperatura.

? Como el crudo que entra en la planta esta a temperatura ambiente, y debe pasar por horno

para que eleve su temperatura, de acuerdo con lo requerido por la destilación fraccionada, el

producto que sale tiene una cantidad de calor, mientras que el crudo de entrada tiene la

necesidad de recibir calor.

? Este equipo permite transmitir parte de ese calor, del uno al otro de los fluidos, sin que

dichos fluidos se mezclen en el intercambiador de calor.

? Este intercambio calorífico, permite obtener una notable economía en el uso de la planta, ya

que el crudo pasara al horno a una temperatura más elevada, por lo cual será necesario de

una menor cantidad de combustible para calentarlo y por otro lado, se ahorrara agua de

refrigeración en el proceso de enfriamiento del producto de fondo de columna.

03 INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR.Comúnmente se denomina intercambiador de calor, sin adjetivos, por ser más antiguo que los

otros tipos, es un equipo fundamental en el funcionamiento de una planta petroquímica, es en

el que se efectúa el intercambio de calor entre dos corrientes de proceso; sin que en ellos se

produzca cambio de estado físico (o

fase).

Figura 04; Esquema del funcionamiento

interno de intercambiador de

calor AEU, con carcasa de paso

sencillo y haz tubular en “U”.


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Para los intercambiadores a haz de tubos, existe una clasificación particular, tomadas de la

Norma TEMA, que actualmente esta universalmente difundida y aceptada. Sobre la base de

esta simbología, cada intercambiador esta completamente definido con 3 letras:

? La primera de estas letras nos fija el tipo de distribuidor; “front end stationary head types”

(A, B,C, D y N).

? La segunda de dichas letras, nos indica el tipo de envolvente o carcasa; “shell types”.

(E, F, G, H, J, K y X).

? La tercera de las citadas letras nos dice si se trata, de intercambiadores de cabeza fija,

cabeza flotante, o de tubos en "U"; “rear end head types” (L, M, N, P, S, T, U y W).

Figura 05; Tabla para clasificación de intercambiadores según Norma TEMA.


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Como puede observarse la letra N se encuentra duplicada, debido a que el tipo distribuidor que

dicha letra representa, puede ser también utilizado como cabeza estacionaria (sin el tabique

intermedio); sobre las combinaciones posibles pueden ser las siguientes; AES, BEU, CEM, etc

Complementamos esta tabla con una traducción de estas denominaciones:

A⇒ Distribuidor desmontable, con cabeza sin placa tubular, y tapa desmontable.

B⇒ Distribuidor desmontable con fondo abombado, sin placa tubular.

C ⇒ Distribuidor desmontable, de cabeza con placa tubular, y tapa desmontable.

N ⇒ Distribuidor no desmontable con placa tubular, y tapa desmontable.

D⇒ Distribuidor desmontable con placa tubular, y tapa para alta presión .

E⇒ Cuerpo o envolvente de un paso.

F⇒ Cuerpo o envolvente de dos pasos, con bafle o separador longitudinal.

G⇒ Cuerpo o envolvente con repartidor o separador de flujo.

H⇒ Cuerpo o envolvente con doble repartidor o separador de flujo.

J⇒ Cuerpo o envolvente con divisor de flujo.

K ⇒ Cuerpo o envolvente para “reboiler” o rehervidor tipo “Kettle.

X⇒ Cuerpo o envolvente con flujo cruzado.L⇒ Cabeza fija, desmontable, con cabeza sin placa tubular, y tapa desmontable.

M⇒ Cabeza fija, desmontable de fondo abombado sin placa tubular.

N ⇒ Cabeza fija, no desmontable con placa tubular, y tapa desmontable.

P⇒ Cabeza flotante con empaquetadura externa.

S⇒ Cabeza desmontable con placa tubular y tapa flotante.

T⇒ Cabeza desmontable con haz tubular y tapa flotante.

U⇒ Cabeza desmontable con haz tubular en “U”.

W⇒ Cabeza desmontable con haz tubular flotante y tapa con sellado externo.

Vemos seguidamente 3 ejemplos de intercambiadores seccionados, para poder apreciar los

nombres de sus componentes


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Figura 06; Intercambiador AES según Norma TEMA.

Figura 07; Reboiler tipo Kettle; Intercambiador AKM según Norma TEMA.

Figura 08; Intercambiador BEM según Norma TEMA.

En la pagina siguiente se recogen los nombres de los componentes señalados en los dibujos.


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1. Cuerpo. 2. Tapa del cuerpo.

3. Brida del cuerpo en el extremo correspondiente a la cabeza posterior.

4. Brida del cuerpo en el extremo correspondiente a la cabeza fija.

5. Tubuladuras del cuerpo. 6. Placa tubular flotante.

7. Tapa de cabeza flotante. 8. Brida de cabeza flotante.

9. Dispositivo de soporte de la cabeza flotante.

10. Placa tubular fija. 11. Cabeza o tapa fija.

12. Tapa de la cabeza. 13. Tubuladuras de la cabeza.

14. Barras de sujeción y tubos espaciadores.

15. Chapas de desvío transversales o chapas de soporte.

16. Chapa de choque. 17. Separación de paso.

18. Conexión para ventilación. 19. Conexión para drenaje.

20. Conexiones para instrumentos. 21. Soportes.

22. Orejetas para izar. 23. Tubos.

24. Rebosadero. 25. Conexión pira nivel del líquido.

Como complemento de estos nombres, en el dibujo tenemos las denominaciones en inglés.

Figura 09; Intercambiador AEP según Norma TEMA.


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Pese a lo indicado por TEMA, observando estas figuras anteriores, se puede apreciar que un

intercambiador con haz de tubos, está compuesto de cuatro partes principales:

j El distribuidor; podrá ser del tipo con tapa plana ó bien del tipo de fondo abombado; se

usará el primero cuando son necesarias limpiezas frecuentes del interior de los tubos el

segundo se usara en los demás casos.

k La. envolvente o carcasa

l El haz de tubos; está constituido por cierto numero de tubos que se fijan por su extremo

sobre la placa tubular, de ordinario mediante mandrinado y sostenido a intervalos regulares

por diafragmas. En el caso de los tipos con cabezal flotante el haz de tubos contendrá,

además, la tapa de la cabeza flotante y el anillo en dos mitades.

m La tapa de la envolvente

Acerca de los criterios de elección debemos considerar que los intercambiadores de placa

tubular fija son los más simples y, por consiguiente, los más económicos, teniendo el

inconveniente de no permitir fuertes dilataciones diferenciales entre los tubos y la envolvente,

por lo que su empleo deberá limitarse a los casos en que el salto entre los dos fluidos que

participan en el intercambio sea relativamente modesto. Además, no permiten la limpieza de la

superficie exterior de los tubos por lo que se podrán usar sólo cuando el fluido que pasa en la

envolvente es limpio o cuando esté prevista la limpieza química.

En diferentes casos se podrá elegir entre el tipo de cabeza o cabezal flotante y el de tubo en

"U"; se adoptará el primero cuando el fluido en los tubos tiene un elevado índice de suciedad,

mientras se usará el intercambiador con tubos en "U" en los otros casos. Se recurre al uso de los

intercambiadores a doble tubo en los casos en los cuales la superficie requerida para. un

determinado cambio es modesta o bien con fluidos a altísimas presiones o cuando es necesariorealizar la contracorriente pura.

El numero de "pasos" a través del intercambiador se determina en relación con la sección de los

tubos, un gran numero de pasos significa una mayor velocidad del fluido con lo que se mejora

la transferencia de calor, pero aumenta la resistencia, originando una perdida de carga que

puede limitar dicho nº.


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Figura 10; Tabla de dimensiones normalizada del Intercambiador de haz tubular.


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En petroquímica es conveniente utilizar en los intercambiadores tubos de longitud y diámetros

normalizados, de acuerdo con

este criterio, las longitudes

mas usuales son de 16' y 20',

es decir, 3 m., 4,8 m. y 6 m.,

la longitud de 10' también

suele ser utilizada.

Figura 11; Vista del funciona-

miento interno delIntercambiador de calor

AEU, con carcasa de

paso sencillo y haz

tubular en “U”.

Como complemento se adjuntan diversos tipos de soluciones constructivas para intercambiadores

de haz tubular.

Figura 12; Intercambiador uno-dos BEM, con carcasa de paso sencillo y haz tubular de placa fija.

Figura 13; Intercambiador uno-uno BEM, c/ carcasa de paso sencillo y haz tubular de placa fija.


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Figura 14; Intercambiador uno-dos AES, c/ carcasa de paso sencillo y haz tubular c/ cabeza flotante.

Figura 15; Intercambiador dos-cuatro AES, con carcasa de doble paso y haz tubular de cabeza flotante.

Figura 16; Intercambiador uno-dos BEU, con carcasa de paso sencillo y haz tubular en “U”.

Figura 17; Intercambiador uno-dos, con carcasa de paso sencillo y haz tubular de cabezal flotante.


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Como complemento de los intercambiadores de haz tubular se incluyen los de doble tubo.

Figura 18; Detalle de componentes para intercambiador de doble tubo (el interior aleteado).

Figura 19; Intercambiador de doble tubo, formado 12 elementos y colectores.

Figura 20; Detalle de tubos interiores para Intercambiador de doble tubo.


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04 REFRIGERADORES Y/O ENFRIADORES (CHILLERS & COOLERS).

Estos equipos son semejantes a los anteriores, de hecho no siempre adoptan un nombre

diferente, su principal diferencia radica en que en estos equipos, el calor es cedido desde unfluido de proceso al agua de refrigeración (a temperatura ambiente o enfriada previamente), sin

que en ellos se efectúe cambio de estado físico.

Este tipo de equipos también han sido llamados “chillers” cuando el fluido refrigerante era agua

enfriada en torre de refrigeración, pero actualmente el termino de “chiller” ha quedado

reservado para las plantas frigoríficas (o de absorción) enfriadoras del agua de refrigeración, o

la utilizada en algún tipo de proceso.

05 LOS AEROREFRIGERANTES O “AIRCOOLERS”.

Estos equipos tiene como objeto, refrigerar el fluido caliente mediante un medio refrigerante,

generalmente aire, sin que en el fluido se efectúe cambio de estado físico alguno; se utilizan,

cuando debido a su baja temperatura, la energía calorífica del fluido no puede ser aprovechada.

En general el uso de los refrigerantes por aire no es económico cuando la diferencia entre la

temperatura de salida del producto y la temperatura de proyecto (ambiente) del aire, es igual o

inferior a 10 ºC En este caso es más económico recurrir a un sistema de refrigeración mixto

aire/agua, enfriando con aire los niveles altos de temperatura y usando el agua para el

enfriamiento final, mediante un “cooler” o enfriador.

La refrigeración de los fluidos de proceso por cambio directo con aire, que fluye a través de la

superficie aletada de un haz de tubos, es relativamente reciente. Su aplicación en el campo

petroquímico y del refino del petróleo esta muy extendida, tendiéndose a sustituir por este tipo

de intercambiadores, el sistema tradicional de enfriamiento por haz de tubos, mediante agua.

Los motivos de ésta sustitución es, entre otros, la creciente dificultad de encontrar grandes

cantidades de agua disponible para uso industrial, la cual se agrava con el crecimiento del

número y de la magnitud de las plantas petroquímicas.


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Figura 21; Tipos de tubos empleados en “intercooler” de tiro forzado.

La alternativa es el uso del aire, gratuito y existente en todos los lugares. Se eliminan también

los problemas que el agua ocasiona, tales como incrustaciones sedimentos, contaminación y la

consiguiente necesidad de tratamiento de agua, ya que la escasez de este liquido obliga, a

recircularla, después de su utilización, en torres de refrigeración. Pero este no es el único

motivo, el empleo de los refrigerantes por aire está justificado también en aquellas zonas donde

es abundante el agua, como en la proximidad al mar; en efecto, a pesar de que el coste de

instalación de los refrigerantes por aire es más alto que el de los clásicos refrigeradores de haz

tubular por agua, los gastos generales de inversión son mas bajos, ya que el empleo del aire

como medio de refrigeración, en lugar del agua supone eliminar las torres de refrigeración, las

bombas de recirculación, las tuberías para el agua, y el empleo de materiales especiales para la

construcción de los intercambiadores (con el empleo de agua de mar).

Por todo ello los gastos de mantenimiento son notablemente más bajo en las plantas en las que

su refrigeración se realiza mediante aire.

Cuando se use como medio refrigerante el aire, este será descargado a la atmósfera, por lo que

al equipo se le denomina “air cooler”, o aerorefrigerante, este intercambiador esta constituido

por un haz de varias filas de tubos aleteados, alineados en sentido horizontal, pero desfasadosen la vertical, la existencia de unos distanciadores entre los tubos aleteados impide la

deformación de estos.

Cada haz de tubos está preparado paro permitir la expansión térmica, ya que en realidad, solo

uno de los dos cabezales será fijo, mientras el otro estará en una posición deslizante.

En el haz de tubos aleteados, el aire movido por un ventilador, entra de abajo arriba, a través

del citado conjunto de tubos.


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El tiro puede ser forzado, cuando el ventilador está situado bajo los haces de tubos o inducido

cuando el ventilador es situado sobre dichos haces de tubos. Ambos sistemas tienen ventajas y

desventajas, por lo que la elección queda al criterio del ingeniero-proyectista.

Ventajas del tiro forzado, respec-

to al sistema por inducción:

? Permite consumos energéticos

más bajos

? Mejor acceso al grupo motor-

ventilador.

? Facilidad en el desmontaje de

los haces de tubos.

Figura 22; Aerorefrigerante o “Intercooler” de tiro forzado.

Ventajas del tiro por inducción, respecto al sistema forzado:â Mayor tiro natural, útil en el caso

de falta, de energía eléctrica.

â Menor reciclado del aire, impor-

tante en el caso de refrigeración o

condensación de fluidos, teniendo

una pequeña diferencia con la

temperatura de proyecto del aire.

Figura 23; Aerorefrigerante o “Inter-

cooler” de tiro inducido.

Si por ejemplo la diferencia media de temperatura es de 10º C y el aire caliente reciclado se

elevase un grado de temperatura en la entrada del aire, se tendrá una reducción de la media

logarítmica LMTD (eficacia), de cerca de un 10 %, reduciéndose en igual magnitud la

capacidad de cambio del equipo.


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Refiriéndonos al ejemplo anterior del intercambiador, podemos imaginarnos que el producto

del fondo de columna, después de calentar el crudo, sale del intercambiador a temperatura

demasiado alta para poderlo enviar al depósito de almacenamiento, este calor es difícilmente

recuperable de modo económico dada la baja diferencia de temperatura con los fluidos a

calentar y como ese calor debe ser eliminado, se hará pasar el fluido caliente por un

Aerorefrigerante, el cual procederá a pasar el liquido, mediante el haz tubular, a través de la

corriente de aire, la cual cederá el calor al ambiente.

06 LOS CONDENSADORES.

En este tipo de intercambiadores se produce un cambio de fase en el interior del equipo, el

fluido pasa parcial o totalmente, de vapor a liquido, el fluido refrigerante en teoría puede ser

agua o aire; pero lo más habitual es la utilización de agua como medio refrigerante.

Este equipo es en realidad un intercambiador de haz tubular, tipo dos-dos, o dos-cuatro,

generalmente de cabeza flotante, sus principales diferencias son:

? El calor es cedido desde un fluido de proceso en fase gaseosa, que cambia a fase liquida.

? El medio refrigerante es agua a temperatura ambiente, o enfriada previamente, mediante

torre de refrigeración, planta enfriadora, o “chiller”.

Podemos considerar como ejemplo, el de la tubería de la cabeza de una columna de “topping”,

a través de ella salen los vapores ligeros de la destilación, haciendo pasar estos vapores por el

cuerpo de un condensador, por el que se introduce agua en el haz de tubos, el vapor ya citado,

en contacto con las paredes frías de los tubos se condensan, saliendo la parte liquida o

condensado, por la tobera del fondo del condensador.

Se suele combinar este equipo, con un deposito para el condensado, situado en un plano

inferior al del condensador.


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07 EL REHERVIDOR O “REBOILER”.

En este equipo se vaporiza parcialmente un fluido de proceso, el fluido que aporta el calor

puede ser vapor de agua, o bien, cualquier liquido caliente.

Figura 24; Ejemplo de “reboiler” a termosifón; intercambiador AGM.

Un ejemplo de la razón de uso de este equipo, es que si se tiene una mezcla de varios

componentes, parte de los cuales tienen una

temperatura de ebullición diferente de los otros, se

puede obtener la separación de la parte con punto

de ebullición más bajo, llevando la mezcla a una

temperatura ligeramente superior al punto de

ebullición de los componentes que se deseen

evaporar, pero que sea inferior a aquella de los

componentes que se quieran mantener en estado

liquido.

Figura 25; Esquema de funcionamiento de un “reboiler”.

Figura 26; Esquema de funcionamiento de un “reboiler” horizontal.


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08 EL VAPORIZADOR.

Son equipos semejantes a los “reboilers” y en ocasiones son denominados de ese modo, la

diferencia se encuentra en que en estos equipos se hace vaporizar completamente el fluido de proceso, de modo que a la salida, sea solamente de vapor, por ello en algunos casos son

confundidos con generadores de vapor.

Figura 27; Esquema del funcionamiento del vaporizador tipo kettle (“reboiler”); intercambiador AKU.

Figura 28; Vaporizador tipo kettle (“reboiler”); intercambiador AKT.


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09 EL PRECALENTADOR.

Es un equipo que normalmente forma parte de otro equipo; por ejemplo, puede estar instalado

en un deposito de almacenamiento que contenga un fuel-oil muy viscoso; si tuviéramos quetransportar o conducir este producto desde el deposito, tal y como esta, seria necesario emplear

bombas de elevada potencia, con tubos de gran diámetro.

Para reducir la potencia necesaria en las bombas, es preciso elevar la temperatura del fuel-oil,

de modo que disminuya su viscosidad, esto se consigue, mediante la instalación de un serpen-

tín en el deposito, en un lugar próximo a la tobera de aspiración de la bomba, a dicho serpentín

se le suministra vapor, este vapor al

condensarse cede el calor latente al

fluido circundante y en estas condi-

ciones podrá ser aspirado por la

bomba.

Figura 29; Precalentador en tobera de

salida de tanque.

10 LOS INTERCAMBIADORES DE PLACAS.

Este tipo de intercambiadores se ha utilizado desde hace más de 60 años, pese a lo cual, solo en

los últimos años han ido incorporándose a las plantas químicas y petroquímicas; en este

periodo de tiempo su construcción ha evolucionado, para cubrir un numero creciente de

aplicaciones. Hoy día, el intercambiador de calor de placas (PHE) se utiliza universalmentecomo elemento de calentamiento, enfriamiento y recuperación de calor eficiente, en multitud de

servicios tales como; procesos químicos; petroquímicos; de producción de energía;

climatización, etc.

El intercambiador de placas está formado por un paquete de placas de metal especialmente

corrugadas y provistas de orificios de paso para los dos fluidos, su disposición se puede

apreciar en el dibujo siguiente.


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Figura 30; Despiece del intercambiador de placas.

El conjunto de placas se ensambla en el bastidor entre la placa fija y la placa móvil y se

comprime mediante los pernos de apriete. Las placas incorporan juntas elastoméricas que sellan

los canales al mismo tiempo que dirigen los distintos fluidos por canales alternos.

El número y tamaño de las placas queda determinado cinco aspectos, como son:

j El caudal.

k Las propiedades físicas de los fluidos.

l La pérdida de presión admisible.

mLa temperatura requerida, o el salto térmico necesario.

n La cantidad de calor precisa en el intercambio térmico.

La corrugación de las placas provoca turbulencia en el fluido a la vez que soporta la presión

diferencial.

Figura 31; Placas tipo "tabla de lavar" y "Raspa de pescado" del intercambiador de placas.


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El paquete de placas así como la placa de presión, están suspendidas de la barra guía superior y

apoyadas en la barra guía inferior las cuales a su vez están fijadas a la columna soporte.

Las conexiones se localizan en la placa fija del bastidor, salvo en el caso de que haya más de un

paso, donde se utilizan ambas placas del bastidor.

Una de las principales ventajas de este tipo de intercambiadores es que las placas pueden

suministrarse en cualquier material factible de ser prensado. Los más comunes son:

? Acero inoxidable, calidad; AISI 304; AISI 316, o 18/12/6,5 (Avesta SMO).

? Titanio.

? Titanio-Paladio.

? Aleación de “Incoloy” o “Hastelloy”

? Diabon F100 (grafito y fluoroplasticos).

Se dispone de juntas en una amplia gama de elastómeros para las juntas, como son:

Æ Goma nitrilo.

Æ EPDM.

Æ Hypalon (CSM).

Æ Viton (FPM).

Æ Neopreno (Cloropreno).

La construcción de estos intercambiadores, está homologada por ASME s/ Sección VIII (Sello

U) y esta contemplada en otras normativas de recipientes a presión como; AD-Merkblátter (Alemania);

BS 5500 (Reino Unido) y el Código Sueco de Recipientes a Presión.

Se pueden considerar 5 ventajas sobre los intercambiadores de haz tubular, en de placas, comoson:

j Transferencia eficiente; Hasta cinco veces mayor transferencia de calor; debido a la

conjunción de dos tipos de corrugado en las placas; las placas con corrugación en forma de

"tabla de lavar", que producen una turbulencia porque provoca un cambio continuo en la

velocidad y en la dirección del flujo. Las placas tipo "Raspa de pescado" se montan en

direcciones opuestas, lo que provoca un flujo en remolino. La turbulencia que producen

éstos dos diseños, elimina áreas de estanqueidad, con lo que se reduce el ensuciamiento y se

mantiene la transferencia.


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k Menor tamaño, peso y ahorro de espacio; el intercambiador de placas ocupa un área cinco

veces menor que la requerida por un intercambiador de carcasa y tubos de su misma

capacidad, lo que implica menor inversión en la cimentación.

l Menor espacio para desmontaje ; puede abrirse para inspección, mantenimiento o

modificación, dentro de su propio bastidor, mientras que el intercambiador de carcasa y

tubos requiere un espacio adicional de al menos el doble de su longitud.

m El diseño de las juntas minimiza el riesgo de fuga interna.

â Mientras que una fuga interna es muy difícil de detectar en un intercambiador de carcasa

y tubos, un fallo en una junta en un intercambiador de placas implica una fuga al exterior

fácil de detectar.

â Gran fiabilidad, junto con fácil apertura y

cierre⇒ menor mantenimiento. Simplifica

la reposición en el propio bastidor.

â Reducción de los tiempos de parada ⇒

menor coste de mantenimiento y

operación.

n Seguridad de operación aun en caso de fugas.

Figura 32; Placa del intercambiador de placas.

Figura 33; Distintas soluciones de montaje de placas.


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La placa de construcción modular; situada entre la placa de bastidor fija y placa de presión

móvil; dispone de juntas sin pegamento (contacto por presión), lo que facilita la modificación

para distintos servicios, con una gran variedad de soluciones.

Las características de diseño standard de este tipo de intercambiador, son:

? Presión máxima de operación, 25 a 30 bar (360 a 435 psi).

? Temperatura máxima 160 a 200 ºC (320 a 390 ºF).

? Caudal máximo 3600 m3/h (950.000 US gpm).

? Coeficiente de transferencia; de 3.500 a 7.500 W/m2 ºC (600 a 1.300 BTU/ft2 ºF).

? Area de transferencia; de 0,1 a 2.200 m2 (1 a 24.000 ft2).

? Diámetro máximo de conexiones; 450 mm (18").

curso de tuberías para plantas de proceso - 0114 intercambiadores de calor

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