Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________1 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares Contenido Captulo I Nomenclatura y terminologa I.1. Cdigos empleados I.2. Aspectos generales I.3. Nomenclatura e identificacin de cambiadores de calor I.4. Elementos constitutivos de cambiadores de calor Captulo II Materiales de construccin II.1. Formas de suministro II.2. Aspectos generales de la corrosin II.3. Factores que intervienen para una adecuada seleccin de materiales II.4. Recomendaciones generales Captulo III Diseo mecnico de los elementos constitutivos III.1. Mampara de choque III.2. Plantilla de barrenado III.3. Cabezal flotante III.4. Corazas III.5. Domos y cinturones de distribucin III.6. Boquillas III.7. Elementos de refuerzo para instalacin de boquillas III.8. Bridas integrales III.9. Tapas III.10. Espejos III.11. Anillo de prueba III.12. Soportes del equipo III.13. Dimensionamiento Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________2 Captulo IV Fabricacin IV.1. Capacidad y/o recursos de fabricacin IV.2. Inventario de materiales IV.3. Doblado de tubos IV.4. Preparacin IV.5. Rolado en fro y rolado en caliente IV.6. Maquinados IV.7. Ensambles de accesorios IV.8. Soldadura IV.9. Esmerilado IV.10. Tratamientos trmicos IV.11. Ensamble IV.12. Inspeccin Captulo V Mantenimiento y reparacin V.1. Aspectos generales V.2. Recomendaciones para instalacin, operacin y mantenimiento de cambiadores de calores Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________3 ndice Captulo I Nomenclatura y terminologa I.1. Cdigos empleados I.1.1. Cdigo Asme I.1.2.Normastema.(Standardoftubularexchangersmanufactures association) I.2. Aspectos generales I.3. Nomenclatura e identificacin de cambiadores de calor I.4. Elementos constitutivos de cambiadores de calor Captulo II Materiales de construccin II.1. Formas de suministro II.2. Aspectos generales de la corrosin II.2.1. Formas de corrosin II.2.1.1. Corrosin uniforme II.2.1.2. Corrosin galvnica II.2.1.3. Corrosin por erosin II.2.1.4. Corrosin por picadura II.2.1.5. Corrosin de fractura por tensin II.3. Factores que intervienen para una adecuada seleccin de materiales II.3.1. Lista de requisitos II.3.2. Factores adicionales para la seleccin de los materiales II.3.3. Seleccin del material II.4. Recomendaciones generales II.4.1. Recomendaciones para los elementos principales de los cambiadores de calor Captulo III Diseo mecnico de los elementos constitutivos III.1. Mampara de choque III.1.1. Literales utilizadas en este captulo III.1.2. Criterios para el empleo de mampara de choque III.1.3. Procedimientos de clculo y seleccin del dimetro de boquilla III.1.4. Dimensionamiento y localizacin de la mampara de choque III.2. Plantilla de barrenado Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________4 III.2.1. Datos requeridos para el diseo III.2.1.1. Tipos de cabezal III.2.1.2. Arreglo de tubos III.2.1.3. Nmeros de pasos por los tubos III.2.1.4. Tipos de flujo en la coraza III.2.2. Datos finales que deber incluir la plantilla de barrenado III.2.2.1. Trazo de la plantilla de barrenado III.2.2.2. Mamparas transversales III.2.2.3. Varilla tensoras III.2.2.4. Fajas de sello III.2.2.5. Tornillos de ojo III.3. Cabezal flotante III.3.1. Geometra del casquete III.3.2. Espesor del casquete esfrico III.3.3. Bridas del cabezal flotante III.3.4. Contrabrida dividida del cabezal flotante III.4. Corazas III.4.1. Coraza sometida a presin interna (UG-27) III.4.2. Coraza sometida a presin externa (UG-28) III.4.3. Espesores mnimos de tema III.5. Domos y cinturones de distribucin III.5.1. Domos y distribuciones de vapor III.5.2. Cinturones de distribucin de vapor III.5.3. Clculo de espesores en cinturones y domos de vapor (Apndice 9) III.6. Boquillas III.6.1. Conexiones III.6.2. Dimensionado de boquillas III.7. Elementos de refuerzo para instalacin de boquillas III.8. Bridas integrales III.9. Tapas III.9.1. Tapas toriesfricas ASME III.9.2. Tapas semielpticas III.9.3. Tapas 80:16 III.9.4. Espesores mnimos TEMA III.9.5. Tapas planas III.9.5.1. Clculo del espesor de la tapa plana segn TEMA III.9.5.2. Clculo del espesor de la tapa plana segn Cdigo ASME III.10. Espejos III.10.1. Diseo de espejos III.10.1.1. Espejos empacados, flotantes y estacionarios III.10.1.1.1. Espesor efectivo de espejos III.10.1.1.2. Recubrimiento aplicado en espejos (forro) III.10.1.1.3. Espejos con recubrimientos integrados Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________5 III.10.1.1.4. Espesor mnimo de espejos con uniones de tubos rolados III.10.1.1.5. Clculo por flexin III.10.1.1.6. Clculo por cortante III.10.1.1.7.Presindeflexinefectivadediseopara cambiadores con cabezal flotante con empacado exterior III.10.1.1.8. Presin de cortante efectiva de diseo III.10.1.1.9. Espejo flotante empacado con anillo opresor (tipo M) III.10.1.2. Espejos fijos III.10.1.2.1. Presin de expansin diferencial equivalente III.10.1.2.2. Presin equivalente de pernos III.10.1.2.3. Presin efectiva de diseo lado coraza III.10.1.2.4. Presin efectiva de diseo lado tubos III.10.1.2.5. Presin de diseo diferencial efectiva III.10.1.2.6. Esfuerzos longitudinales en la coraza y los tubos III.10.1.2.7. Problemas y soluciones de posibles III.10.2. Tubos en agujeros ranurados III.10.3. Longitud de expansin III.10.4. Espejos III.10.5. Recubrimiento III.11. Anillo de prueba III.12. Soportes del equipo III.13. Dimensionamiento III.13.1. Factores que intervienen en el dimensionamiento III.13.1.1. De construccin III.13.1.2. De operacin III.13.1.3. De mantenimiento Captulo IV Fabricacin IV.1. Capacidad y/o recursos de fabricacin IV.2. Inventario de materiales IV.3. Doblado de tubos IV.4. Preparacin IV.5. Rolado en fro y rolado en caliente IV.6. Maquinados IV.7. Ensambles de accesorios IV.8. Soldadura IV.9. Esmerilado IV.10. Tratamientos trmicos IV.11. Ensamble Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________6 IV.12. Inspeccin Captulo V Mantenimiento y reparacin V.1. Aspectos generales V.2.Recomendacionesparainstalacin,operacinymantenimientode cambiadores de calores V.2.1. Instalacin de cambiadores de calor V.2.2. Operaciones de cambiadores de calor V.2.3. Mantenimiento de cambiadores de calor Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________7 Conceptos Cambiador de calor Esunequipodeprocesoenelquecirculangeneralmentedosfluidosen condiciones de temperatura diferentes, uno por el lado tubos y el otro por el lado coraza,conelfindeintercambiarcaloratravsdelasparedesmetlicasdelos tubos de transferencia, sin que ocurra un contacto directo entre ellos. Lado tubos Llamamosasalosconductospordondecirculaelfluidoquepasaporel interior de los tubos de transferencia. Lado coraza o lado envolvente Se llama as al conducto por donde circula el fluido que baa a los tubos de transferencia. Presin de operacin (Po) Tambinconocidacomopresindetrabajo.Sedefinecomolapresin manomtricaalacualestsometidounequipoencondicionesnormalesde operacin. Debemos tener presente que en el caso de los cambiadores de calor, se manejan dos presiones de operacin, una por el lado de tubos y la otra por el lado de la coraza. Presin de diseo (PD) Se define como la presin que ser utilizada en el diseo del cambiador de calor. Para servicios a vaco se debe especificar una presin externa de diseo de 152lg / Pu Lb (vaco total). Para una presin de operacin arriba de la atmosfrica, la presin de diseo ser: 2lg / 30 pu Lb Po Pd + = si 2lg / 300 pu Lb Po Po Pd 1 , 1 = si 2lg / 300 pu Lb Po > Resultaimportantemencionarquealhablardepresiones,temperaturas, materiales, etc., en cambiadores de calor, debemos siempre especificar si se trata del lado de los tubos o del lado de la coraza, ya que generalmente las condiciones de operacin y consecuentemente las de diseo, son diferentes en un lado y en el otro. Presiones de prueba (Pp) Normalmenteconocidacomopresinhidrostticadeprueba,lacuales llevadaacabounavezquehasidofabricadoelcambiadordecalor, fundamentalmenteconsisteenelllenadodelequipoconagua,almismotiempo Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________8 queselesometeapresin,suvalorsecuantificarpormediodelasiguiente ecuacin: ) / ( 5 . 1 Std Sta Pd Pp = Donde: Sta = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura ambiente Std = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura de diseo Presin de trabajo mxima permisible Es la presin mxima a la que se puede someter un cambiador de calor en condicionesdeoperacin,laevaluacindeestapresin,serdemayorutilidad cuando el equipo se encuentre en las siguientes condiciones: a)En condiciones corrodas b)Bajo los efectos de la temperatura de diseo c)En posicin normal de operacin Temperatura de operacin (To) Eselvalornormaldetemperaturaenlascondicionesdeoperacindel proceso, a la cual el cambiador de calor ser expuesto. Temperatura de diseo(TD) Se define como la temperatura que ser utilizada en el diseo del cambiador de calor, esta temperatura se selecciona como sigue: Para fluidos que operan con una temperatura superior a 32 F(0 C), la temperatura de diseo ser la que resulte mayor de las siguientes: FF TTTooD 150 251 . 1+ Parafluidosqueoperanaunatemperaturade32F(0C)oinferior,se deberespecificarsimultneamentelatemperaturamnimaylamxima anticipada, siendo esta ltima no menor a 150 F (65.5 C) para el lado de la coraza con el objeto de considerar la circulacin de aire caliente durante la operacin de secado, posterior a la prueba hidrosttica. Esfuerzo de diseo a la tensin (S) Es el valor mximo al que puede someterse un material que forma parte de un cambiador de calor en condiciones normales de operacin. Su valor est basado de secado 25% del esfuerzo ltimo a la tensin del material en cuestin. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________9 Eficiencia de las soldaduras(E) Se define como el grado de confiabilidad de las juntas soldadas en relacin algradodeinspeccinyseestablececomounporcentajesegnsedefinea continuacin para el caso de soldadura a tope con penetracin completa. RADIOGRAFIADA AL 100% RADIOGRAFIADA POR PUNTOS SIN RADIOGRAFIAR VALORES DE E1.000.850.7 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________10 CAPTULO I NOMENCLATURA Y TERMINOLOGA I.1.CODIGOS EMPLEADOS El diseo mecnico de recipientes a presin, como el de la gran mayora de losequiposparaprocesosindustriales,seencuentranregidospordiferentes normas y cdigos.Para el caso de los cambiadores de calor tubo y coraza, que es el tema del que nos ocuparemos, el cdigo ms empleado es el ASME Boiler and PressureVesselsCode(CdigoparaCalderasyRecipientesaPresindela Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos). Laaplicacindedichocdigo,requieredeunampliocriterioparala interpretacincorrectadelmismoeneldiseo.Asimismoexistenlasnormas TEMA (Standard of Tubular Exchangers Manufactures Association) cuya finalidad es regular los criterios de diseo y fabricacin de los equipos que nos ocupan. I.1.1.CODIGO ASME ElcdigoASMEesunconjuntodenormas,especificaciones,frmulasde diseoycriteriosbasadosenmuchosaosdeexperiencia,todoestoaplicadoal diseo, fabricacin, instalacin, inspeccin, y certificacin de recipientes sujetos a presin. Fue creado en los Estados Unidos de Norteamrica en el ao de 1907, por iniciativadevariascompaasdesegurosconelfindereducirprdidasy siniestros.Elcomitqueloformaestconstituidoporingenierosdetodaslas especialidadesydetodoslossectores,conelfindemantenerlosiempre actualizado. El cdigo ASME se encuentra dividido en las siguientes secciones: SECCION I Calderas de Potencia. SECCION II Especificacin de Materiales. SECCION III Recipientes para Plantas Nucleares. SECCION IVCalderas de Calentamiento. SECCION V Pruebas No Destructivas. SECCION VICuidado y Mantenimiento de Calderas de Calentamiento. SECCION VII Cuidado y Mantenimiento de Calderas de Potencia. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________11 SECCION VIII Recipientes a Presin (Div. 1 y Div. 2). SECCION IXProcedimientos para Calificar Soldaduras. SECCION X Recipientesa Presin de Fibra de Vidrio con Plstico. SECCION XIReglasparaInspeccindeSistemasdeEnfriamientodeReactores Nucleares. SiendoSECCIONVIIIlaquerigelosequiposquetrataremosenestetrabajo,la describiremos brevemente. La SECCION VIII se encuentra constituida por la DIVISIN 1 Y LA DIVISIN 2. DIVISIN 1 Estaasuvezestdivididaentressubsecciones:LasubseccinAque cubrelosrequisitosgeneralesparatodoslosrecipientessujetosapresin,la subseccinB,quecubrelosrequisitosespecficosparalosdiferentesmtodos utilizados en la fabricacin de dichos recipientes y la subseccin C, que cubre los requisitos especficos para los materiales empleados en la fabricacin. En s, la DIVISIN 1 es un compendio de normas de diseo para las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presin, las cuales estn basadas en la teora de membrana.Las frmulas mandatorias que determinan los espesores en todaslaspartes sujetasapresin, obedecenalosesfuerzosdirectos permisibles, basados en1/4 de Ft (Esfuerzo ltimo a la tensin). Loscriteriosanteriores,secontemplanparaequipos,cuyapresinno exceda 3,000 Lb/pulg2. DIVISIN 2 Estadivisincubresolamentealosrecipientesquesoninstaladosenuna localizacindeterminadayparaunservicioespecfico,dondeexistaunestricto control de los materiales, operacin, construccin y mantenimiento.En relacin a la Divisin 1, sta es ms restrictiva en la seleccin de los materiales y aunque el valor de la intensidad de los esfuerzos permisibles, se basa en 1/3

de Ft, exige una evaluacin de esfuerzos en todos los elementos que constituyen el equipo, siendo aplicable esta Divisin para aquellos cuya presin es 3,000 Lb/pulg2 o mayor. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________12 I.1.2. NORMAS TEMA. (STANDARD OF TUBULAR EXCHANGERS MANUFACTURERS ASSOCIATION) ORIGEN.-Lascausasquemotivaronlarealizacindeestosestndares esencialmentefueron,asociaralosfabricantesdecambiadoresdecalorenlos EstadosUnidosdeNorteamrica,conlafinalidaddeunificarsuscriteriosenla solucindelosproblemaspresentadosporlosusuariosdeequiposque constantementereclamabanporlacalidadytoleranciasproporcionadasenel diseo y fabricacin de los mismos. CONTENIDO GENERAL Estas normas se han dividido en las partes siguientes: *Nomenclatura *Tolerancias de Fabricacin *Fabricacin en General, Informacin Necesaria *Instalacin, Operacin y Mantenimiento *Normas Mecnicas TEMA CLASER *Normas Mecnicas TEMA CLASEC *Normas Mecnicas TEMA CLASEB *Especificacin de Materiales *Normas Trmicas *Propiedades Fsicas de Fluidos *Informacin General *Prcticas Recomendadas ConrespectoalasNormasMecnicas,esimportantesealarquelas diferentesCLASESsedesarrollanconlasmismaspartes;sinembargo,su diferencia radica principalmente en factores de diseo para cada una de ellas.Por otra parte conviene indicar que siempre se deber especificar la categora (CLASE), que desea emplearse de estas normas.Por ejemplo TEMA R, TEMA B o TEMA C, pero nunca especificar solamente TEMA, ya que carecera de sentido. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________13 LaCLASER,espartedelasnormasdondelosrequisitosdediseo, fabricacin y materiales son los ms estrictos. EstaCLASEseespecificageneralmenteparacondicionesseverasde operacin y procesos de petrleo. LaCLASEC,seespecifica paraprocesos yaplicaciones generales,siendo losrequisitosmenosestrictosqueparaelcasoanterior.Estoltimoseaplica tambin para la CLASE B con la nica diferencia que los equipos clasificados para esta categora generalmente se encuentran en procesos qumicos. 1.2. ASPECTOS GENERALES Elequipodetransferenciadecalorsedefinetomandoenconsideracinla funcinquedesempeadentrodeunaplantaindustrial.Elcambiadordecalor tienecomofuncinprincipal,comosunombreloindica,intercambiarcalorentre dos o ms corrientes en un proceso determinado.Como parte integrante de una planta de proceso industrial, su funcin es determinante en todas las etapas. Elcambiadordecalorseclasificaprincipalmentebajo dosconsideraciones; por su funcionamiento trmico y por su tipo de construccin. Por su funcionamiento trmico, se clasifica de la siguiente manera: Evaporadores Rehervidores Calentadores Precalentadores Condensadores Enfriadores Postenfriadores Reactores, Etc. Por su tipo de construccin, se identifican como sigue: - Cambiadores de tubo y coraza o envolvente Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________14 - Cambiadores de tubos concntricos - Cambiadores de Multitubos - Cambiadores enfriados por aire - Cambiadores de placas, etc. Para efectos de este curso, estudiaremos el tipo de mayor difusin y uso en nuestraIndustriaPetrolera,eldetubosycoraza.Este,consuampliorangode servicio y su alta resistencia a diversas condiciones de operacin, ha propiciado el desarrollo de una tecnologa bastante amplia para este tipo de construccin. Con el objeto de visualizar ms a fondo este tipo de construccin, haremos unaclasificacinmenosgeneralizada,enlacualtomaremosenconsideracinlas ventajas y desventajas que cada uno presenta para determinados servicios. Cambiador de Calor Tipo Espejos-Fijos Ventajas:Construccineconmicayunmnimodejuntasempacadas, reduciendo con esto las posibilidades de fuga. Desventajas:Lacorazayelexteriordelostubosdelhaz,nopuedenser limpiadorespormediosmecnicos,niserinspeccionadosfsicamente.Problemas estructuralesoriginadosporlaexpansindiferencialentrelacorazayelhazde tubos para gradientes de temperatura considerables. Cambiador de Calor de Tubos En U Ventajas: Maneja fluidos de alta presin y temperatura lado tubos, absorbe libremente las expansiones trmicas y su costo es relativamente bajo. Desventajas: Dificultad para limpiar mecnicamente el interior de los tubos y limitacin en el nmero de pasos (lado tubos). Cambiadores de Calor de Cabezal Flotante Ventajas:Ampliasfacilidadesdeinspeccin,mantenimientoyreparacin, eliminaproblemasdeexpansindiferencialporefectostrmicosentretubosy coraza mediante el libre desplazamiento del cabezal flotante. Desventajas:Mayorcostodefabricacinqueenloscasosanterioresyun nmero considerable de juntas empacadas que lo hacen poco recomendable para el manejo de fluidos txicos o peligrosos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________15 I.3. NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE CAMBIADORES DE CALOR LanomenclaturautilizadaporTEMA,adoptatresliteralesque representan: La primera, el tipo de cabezal de distribucin o entrada, la segunda, el tipo de coraza y la tercera, el tipo de cabezal de retorno. Ver Fig. I.1. Asporejemplo,uncambiadordecalordeltipoAES,estarconstituido por un cabezal de distribucin A, una coraza E y un cabezal de retorno S. Eltamaodeuncambiadordecalorseindicapordosnmeros:elprimero representaeldimetrointeriordelacorazayelsegundolalongitudrectadelos tubos de transferencia. I.4. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR Elnombrequerecibecadaunodeloselementosqueconstituyeun cambiador de calor de tubos y coraza, se proporciona en las Figs. I.2. y I.3., de los cuales se describirn los de mayor importancia. CORAZA Es un cuerpo cilndrico construido de una sola pieza que puede ser un tubo sincosturaounaplacaroladaquecontendrensuinteriorelhazdetubosya travs de los cuales circula el fluido que baa el exterior de los tubos de dicho haz. HAZ DE TUBOS Es el elemento formado por los tubos de transferencia, situado en el interior de la coraza y orientado paralelamente a ella. Constatambindemamparas,cuyafuncinademsdesoportarlostubos,es crear turbulencias y dirigir el fluido que circula por el exterior de los tubos mismos. ESPEJOS Elhazdetubosrematasusextremosenplacasperforadasllamadas espejos, que sirven por una parte como elemento divisores entre el flujo del lado coraza y el flujo del lado tubos y por otra parte como elementos de sujecin de los tubos; estos cruzan el espejo a travs de sus perforaciones y sellan expansionados contralosespejosomedianteunasoldaduraperimetralenlosextremosdelos tubos para unirlos a los espejos permanentemente. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________16 TUBOS DE TRANSFERENCIA SontubosdelongitudnormalizadaporTEMA,cuyodimetronominal correspondeasudimetroexteriorysuespesorvarasegnelcalibrador Birmingham, que en la prctica se conoce como BWG del tubo. CABEZAL DE DISTRIBUCIN Elementosimilaralacoraza,cuyafuncinesrecibirelfluidoquehade circular por el interior de los tubos, distribuirlo y recolectarlo para mandarlo fuera de el. CABEZAL FLOTANTE Estconstituidoporunatapaquesefijaalespejoflotantepormediode pernos y un anillo dividido, teniendo como funcin retornar el fluido que circula por elinteriordelostuboshaciaelcabezaldedistribucinobienmandarelfluido fuera del cambiador cuando este cuenta con un solo paso lado tubos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________17 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________18 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________19 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________20 CAPTULO II MATERIALES DE CONSTRUCCIN II.1.FORMAS DE SUMINISTRO Losmaterialessefabricanenformascomercialesquesedenominan Formas de Suministro y para ello se han normalizado las de mayor utilidad.En los cambiadores de calor se emplean algunas de dichas formas, que son solicitadas mediantelasespecificacionesdeloscdigos,tomandoenconsideracinlaforma delelementoquehadefabricarse.Acontinuacinsepresentanlasformasde suministro y su utilidad en la fabricacin de los cambiadores de calor. PLACA: Se emplea en la fabricacin de mamparas, silletas, tapas formadas y planas, placas divisorias, tiras de sello, mamparas de choque, espejos y secciones cilndricas (corazas y cabezales) FORJA:Seempleaenlafabricacindebridas,coplesyenalgunoscasos cuandolosespejosytapasplanascuentanconespesoresmayoresa2pulg. (63.5mm.) por limitaciones de disponibilidad en el mercado y por la dificultad que presenta controlar los defectos en el laminado de placas con espesores mayores a 4 pulg (101.6 mm.) TUBOS:Existenenelmercadotubosdecdulaytuboscalibre,ambos fabricadosparadimetrosnormalizadosaunqueconcaractersticasdefabricacin diferentes y utilidad especfica dentro del diseo de los cambiadores de calor. Lostubosdecdulapuedenconseguirseenelmercadodesde1/8pulg. (3.2mm.)hasta42pulg.(1067mm.)(MercadoNacionalhasta18pulg.)(457mm.) dedimetronominal,quenocorrespondealdimetrointernooexternoreal,a excepcindeaquellosmayoresa12pulg.(305mm.)enloscualeseldimetro exterior es comn al dimetro de identificacin (nominal).La utilidad que pueden ofrecerlostubosdecdulaparanuestrasnecesidadesdediseoesvariada, debidoaquelosespesoresquepudieranrequerirseenloselementospor disearse,sepuedenseleccionarenfuncindeldimetronominalyunacdula quesatisfagaelespesorrequerido,yaqueexistenvariascdulasparacada dimetronominalconunespesordefinido(TablaIII.1).Sonfabricadoscon costuraosinella,estossoldadosoestruidos,deloscualesseprefierenlos segundos en el diseo de cuellos de boquillas, espaciadores y secciones cilndricas comocorazasycabezalescuandonoexcedende18pulg.(457mm.)dedimetro nominal. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________21 Lostuboscalibretambinllamadostubosdetransferencia,sefabricanen dimetrosnominalesdesde1/4pulg.(6.55mm.)hasta21/2pulg.(63.5mm.)que correspondealdimetroexteriorycadaunodeellossefabricacondiferentes espesores normalizados, a los cuales se les identifica con un nmero denominado calibre del tubo, tambin existen en el mercado con o sin costura, prefirindose los ltimos para la fabricacin de haces de tubos (Tabla III.6). BARRA:Seutilizaparalafabricacindevarillastensoras,esprragosy tornillos. II.2. ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIN Entrminostcnicos,lacorrosinhasidodefinidacomoeldeterioroo destruccindeunmaterialmetlico,ocasionadoporelataqueelectroqumicodel medio que le rodea. Lavidatildelosequiposenlasindustriaspetrolerassevereducida frecuentementecomoresultadodelascorrosiones,esporelloquesehadado especialatencinasuestudio,logrndoseresultadosimportantesconrespectoa la deteccin y control de las mismas. Para fines prcticos es casi imposible eliminar la corrosin y es por ello que la labor efectiva de la ingeniera en este campo, radica ms en su control que en sueliminacin,deahlaimportanciadelentendimientodelosmecanismosdela corrosin a fin de tomarlos en cuenta desde el diseo de los equipos. Todos los metales y aleaciones son susceptibles a la corrosin, no existiendo materialestilesparatodaslasaplicaciones,porejemplo:elorosecorroe rpidamenteconelmercurio,peroposeeunaexcelenteresistenciaalataque corrosivodelambienteatmosfrico,porotroladoelaceroesmuyresistenteal ataquedelmercurio,peroseoxidafcilmenteestandoexpuestoalambiente atmosfrico. Afortunadamentesecuentaconunaampliagamademetalesquepueden comportarsesatisfactoriamenteenmediosespecficoscontndoseademscon mtodos de control de la corrosin que reducen considerablemente el problema. Con frecuencia, los paros de produccin en las plantas ocurren como resultado de lacorrosin,provocandoprdidasdirectaseindirectasdeaspectoseconmicosy humanos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________22 Dentro de los aspectos que generan prdidas econmicas se tienen: 1)Reposicin del equipo. 2)Coeficientes de seguridad y sobre diseo. 3)Paros de produccin. 4)Contaminacin de productos. Prdidadelaeficienciadelequipo,yaqueelsobrediseoreducela velocidad de transmisin de calor en cambiadores de calor. Dentro de los aspectos que generan prdidas humanas y repercusin social se tienen: 1)Incendios, explosiones y liberacin de productos txicos 2)Contaminacin ambiental Agotamientodelosrecursosnaturalesnorenovables,tantoenmetalescomoencombustibles empleados para la fabricacin de los equipos. Naturalmentelosaspectossocialesyhumanostienentambinconsecuencias econmicas,porloqueresultadifcilnombrartodaslasrazonesquejustificanel estudio de la corrosin y su control. II.2.1.FORMAS DE CORROSIN Cuandolacorrosinsehacepresenteenlosequiposdeunaplanta,es indispensable establecer un criterio de solucin al problema, mismo que depender delconocimientodelasdiversasformasdecorrosinexistentes,lascualesse indican en la Figura II.1 Acontinuacin,sedescribenlostiposdecorrosin,queconmayor frecuencia se presentan en los cambiadores de calor, ya que este es el tema que nos ocupa. II.2.1.1. CORROSIN UNIFORME Sedenominacomocorrosinuniformeogeneralaquellaquesepresenta uniformementesobreunasuperficiemetlica,frecuentementepuedeserprevisto unrangodecorrosinadmisiblemediantegrficasdecorrosinopruebasde laboratorioparaserconsideradoeneldiseodeequipos.Paraestetipode corrosin, el rango se expresa en pulgadas de penetracin por ao o milsimas de Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________23 penetracinporao,locualpuededetectarseenlosequiposmedianteuna inspeccin ultrasnica peridica a fin de vigilar que el rango de corrosin admisible no sea sobrepasado, evitando con ello consecuencias indeseables. El medio corrosivo es el factor ms importante que gobierna la corrosin. La acidez,temperatura,concentracin,movimientorelativodelassuperficies metlicas,gradodelpoderdeoxidacin,aireacinylapresenciaoausenciade inhibidoresoaceleradoressonvariablesquesiempredebernconsiderarse, mismas que frecuentemente interactan en forma compleja, dando como resultado el fenmeno de corrosin uniforme. Paralosmetalessujetosacorrosinuniformeenunmedioqumico, establecen como adecuados los rangos siguientes: 1) Excelente-rango de corrosin menor a 5 milsimas por ao. Los metales en esta categora son apropiados para la fabricacin de partes crticas, tales como tubos de transferencia trmica. 2) Satisfactoria-rango de corrosin de a 50 milsimas por ao. Los metales quecomprendenesterangosonapropiadosgeneralmenteparala fabricacindepartesnocrticas,dondepuedeadmitirseunrangode corrosinprevistodesdeeldiseo,comoeselcasodeloselementosen general de un cambiador de calor. 3)Comnmenteinsatisfactorio-rangodecorrosinmayora50milsimas por ao. Lacorrosinuniformepuedeserdeorigenqumicooelectroqumicoy puede considerarse que su control radica esencialmente en la seleccin adecuada delmaterialenrelacinalmedioquelerodea,obienmedianteelusode inhibidores de corrosin, pinturas anticorrosivas o resinas epxicas. II.2.1.2. CORROSIN GALVNICA Ladiversidaddefluidosmanejadosenplantasqumicasypetroqumicas, hacenecesarioelempleodeunagranvariedaddemetalesyaleacionesquea menudoestnencontactofsico.Elcontactooacoplamientodemetalesde naturalezadistinta,generanvelocidadesdecorrosinconsiderablescuandose encuentranenpresenciadeunfluidoelectroltico,dadoqueseoriginaunflujo elctrico entre ambos metales y con ello la llamada corrosin galvnica. Ladiferenciadepotencialexistenteentredosmetalesoaleaciones,se relacionadirectamenteconelrangodecorrosingalvnicaquepuedellegarsea producir, siendo el metal ms activo el que acta como nodo y por ello el que se Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________24 corroe,mientrasqueelmetalmsnobleactacomoctodoydeestamanera tiende a protegerse. Estetipodecorrosinpuedepresentarseporejemplo;encambiadoresde calor cuyos tubos de transferencia trmica sean de un metal no ferroso y el resto desu fabricacinsea deaceroalcarbono. En estascondiciones lapresenciadel aguadeenfriamientoinicialacorrosingalvnicaporserunbuenelectrolito, quedando el acero al carbono expuesto al ataque corrosivo por hacer la funcin de nodoyelmetalnoferroso,cobreoalgunadesusaleacionesquesonlasms comunes, la funcin de ctodo, conservndose los tubos de transferencia trmica, un tiempo ms prolongado. Esimportantesealarqueelreadelosmetalesexpuestaalambiente electroltico,tambinserelacionadirectamenteconelrangodecorrosin galvnica, por lo que deber tenerse presente que a medida que se incrementa el rea catdica en relacin al rea andica, el ataque corrosivo se hace ms severo. Acontinuacin,seindicanalgunasalternativas,quepuedensertilesen forma aislada o combinada para el control de la corrosin galvnica. 1) Evitar siemprequeseaposibleelusodemateriales de naturaleza distinta. 2) Evitar exponer a un ambienteelectroltico reas andicas pequeas, en relacin a las reas catdicas. 3) Cuando se utilicen metales de distinta naturaleza, emplean materiales de aislamiento (recubrimientos). 4) Instalar nodos de sacrificio para proteger lasreas andicas del equipo. II.2.1.3. CORROSIN POR EROSIN Cuando el ataque corrosivo se genera sobre una superficie metlica, debido alavelocidaddeflujodelmediocorrosivoproduciendoundesgastemecnico, este recibe el nombre de corrosin por erosin. Generalmente este ataque presenta apariencia de picaduras poco profundas de fondo terso, con distribucin direccional, debido a la trayectoria; seguido por el agente agresivo al fluir sobre la superficie metlica. Lacorrosinporerosinseincrementaencondicionesdealtavelocidad, turbulencia,choque,etc.yfrecuentementeseobservaenlaboquillade Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________25 alimentacin(LadoCoraza)deloscambiadoresdecalor,encodosycambiosde direccin de tuberas, por citar algunos ejemplos: La corrosin por erosin puede ser controlada con placas de choque o con la seleccin de materiales ms resistentes a este efecto. II.2.1.4. CORROSIN POR PICADURA Lapicaduraesunaformadeataquecorrosivoextremadamentelocalizado quedalugaraagujerosenel metal,en generalunapicadurapuedeser descrita como una cavidad o agujero con un dimetro superficial aproximadamente igual o menor que su profundidad. La picadura es una de las formas ms destructivas de corrosin que causa fallas por perforacin con slo un pequeo porcentaje de prdida de peso en todo el equipo. Amenudo,esdifcildetectarlaspicadurasdebidoasupequeotamao debidoaquetambinesfrecuentequeestncubiertasconproductosde corrosin, adems resulta difcil medirlas y evaluar la magnitud del picado debido a lavariacinenprofundidadesyalnmerodepicadurasquepuedenocurrirbajo condiciones idnticas. Lamayoradelaspicadurassedesarrollanycrecenhaciaabajodelas superficies horizontales, un menor nmero se inicia en superficies verticales y slo enrarasocasioneslaspicadurassepresentanensuperficieshorizontales superiores. Lapicadurageneralmenterequiereunprolongadoperiododeiniciacin antesdequesehaganvisiblessusefectos,sinembargo;unaveziniciadoel ataque, la picadura se incrementa a una velocidad cada vez mayor. Es importante mencionar que la mayor parte de los problemas de picadura se deben a la presencia de iones halgenos (Cloruros, Bromuros o Hipocloritos), y quesuefectosepuedecontrolarconelusodealeacionesresistentesala picadura,usodeinhibidoresdecorrosin,obienmodificandolavelocidaddel fluido, dado que la picadura esta generalmente asociada con condiciones de flujo laminar o condiciones de flujo estacionario. II.2.1.5. CORROSIN DE FRACTURA POR TENSIN Laaccinconjuntadeunesfuerzodetensinyunmedioambiente corrosivo,darcomoresultado,enalgunoscasos,lafracturadeunaaleacin metlica.Lamayoradelasaleacionessonsusceptiblesaesteataque,pero Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________26 afortunadamente el nmero de combinaciones aleacin-medio corrosivo que causa esteproblemasonrelativamentepocas,sinembargodadoqueciertosequipos fallan bajo este fenmeno se requiere prever que este tipo de corrosin no cause daos considerables. Lafracturaporestetipodecorrosin,puedepreverseoreducirseporla aplicacin de uno o ms de los siguientes mtodos: a)Yaquelosesfuerzosquecausanlasfracturasprovienendetrabajos mecnicos en fro, soldadura, o bien pueden ser aplicados en forma externa durantelaoperacindelequipo,esnecesariorealizaruntratamiento trmico para el relevado de esfuerzos. b) Seleccionar un material ms resistente a este tipo de corrosin. c)Agregarinhibidoresdecorrosinconelfindeneutralizarelfluido corrosivo. II.3. FACTORES QUE INTERVIENEN PARA UNA ADECUADA SELECCIN DE MATERIALES. Losmaterialesquesedebenutilizarenlaconstruccindecambiadoresde calorserealizarnconjuntamenteconelIngenieroMecnico(Diseadordel equipo)yelIngenierodeProceso.Losmaterialesqueseelijan,debernresistir los efectos de la corrosin y debern tener la suficiente resistencia para soportar la temperaturaypresindediseo,teniendoademsqueconduciraundiseo prctico.Unabuenaseleccindemateriales,asegurarbajoscostosde mantenimiento e iniciales. A continuacin, se mencionarn las etapas ms convenientes, para efectuar una seleccin adecuada de materiales para la construccin de cambiador de calor. II.3.1. LISTA DE REQUISITOS. II.3.2.FACTORES ADICIONALES PARA SELECCIN DE LOS MATERIALES II.3.3. SELECCIN DEL MATERIAL II.3.1. LISTA DE REQUISITOS En esta lista, se deben incluir los materiales que satisfagan las condiciones deservicio,yparaqueestosuceda,esnecesarioquelosmaterialesquese sugierantenganlaspropiedadesadecuadas,siendomsimportanteslas siguientes: Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________27 1)PropiedadesMecnicas.Laspropiedadesdelmaterialquems importancia tienen son: *Una alta resistencia a la tensin *Un punto de cedencia alto *Una mnima reduccin de rea *Un alto porcentaje de alargamiento Contando con estas propiedades, establecidos los esfuerzos de diseo para el material en cuestin. 2)PropiedadesFsicas.Siendomsimportante elcoeficientededilatacin trmico del material, ya que este limitar el valor del esfuerzo a la tensin y en consecuencia afectar el diseo del cambiador. 3)ResistenciaalaCorrosin.Losmaterialesquesepropongandebern soportarelataquequmicodelassustanciasalascualesestarnen contacto. 4)FacilidadparasuFabricacin.Deacuerdoalosmediosdisponiblesy elegidosparalafabricacindelequipo,losmaterialesdeberncontarcon las siguientes caractersticas: Maquinabilidad.Sehacenecesariomaquinarciertaspartesdelcambiador (como son: las bridas, espejos, tapas Planas, etc.), para darle la forma o acabado alassuperficiesparaasentamientodelempaque,juntasdeensamble,etc.Para ello,unmaterialdifcildemaquinaresmscostosoensufabricacin,yaque requiere de procedimientos y herramientas costosas. Soldabilidad.Elmaterialquesehadeutilizarparalafabricacindel cambiador, deber tener buenas propiedades de soldabilidad, ya que gran parte de sus elementos son de construccin soldable. EnlaTablaII.1semuestralasoldabilidadyafinidadmetalrgicaparalos diferentes materiales utilizados en la construccin de cambiadores de calor, dicha tablaesunaguaquecontieneinformacintcnicasuficienteparalograrla evaluacin adecuada del concepto. Facilidaddeserformado.Elmaterialsertrabajadomecnicamentepara darlelaformadeseada,comoelroladodelasplacasparalafabricacinde elementos cilndricos, formado de tapas, etc. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________28 CompatibilidaddelEquipoExistente.Sedeberutilizarporconveniencia materiales de una misma clase, para evitar el tener gran cantidad de materiales de reposicin en el almacn. II.3.2. FACTORES ADICIONALES PARA LA SELECCIN DE LOS MATERIALES Enestaetapasetomarencuentalavidatildelaplantadondesern integrados los equipos (Cambiadores de Calor) que se estn diseando, para ello, se fijar la atencin en los siguientes puntos: 1) Vida estimativa de la planta. Generalmente, una planta seproyectapara undeterminadotiempodevidatil,partiendodeestabase,sepuede formar un criterio sobre la clase de los posibles materiales a utilizar. 2)Duracinestimadadelmaterial.Paraconocerlavidaestimadadel material,sernecesarioauxiliarnosdeliteraturaexistentesobreel comportamiento del material en situaciones similares, as como reportes de las experiencias de personas que han operado y conocen los problemas que frecuentemente se presentan en plantas idnticas. 3) Disponibilidad y tiempo de entrega del material. Hay que tener en cuenta laproduccinnacionaldelosmaterialesparalafabricacindelos cambiadores, debido a que existir la posibilidad de utilizar los materiales de loscualessedisponesintenergrandestiemposdeentregayauncosto menor que las importaciones. 4)Costodelmaterialyfabricacin.Frecuentementeaunaltocostode materiallecorrespondeunaltocostodefabricacin.EnlasTablasII.2.y II.3.,semuestranloscostosrelativosparalosdiferentesmateriales utilizados en la construccin de cambiadores de calor. 5) Informacin necesaria para estimar el comportamiento de los materiales antelacorrosin.Parapoderefectuarunaevaluacincorrectadelos materiales, es necesario disponer de la mayor informacin posible en lo que serefierealascondicionesdeproceso,dichainformacin,lapodemos desglosar de acuerdo a su procedencia como sigue: a) Caractersticas del fluido. a.1.)Principalmentecompuesto.Serequieredeunanlisisqumico parapoderconocerlacomposicindelfluido,yasdeterminarlas caractersticas corrosivas de este. a.2.)Impurezas.Dichoanlisis,nosservirparaconocertanto cualitativacomocuantitativamenteelgradodeimpurezasdelfluido, y de esta manera determinar si son corrosivas. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________29 a.3.)Temperatura.Dichacondicinesunfactorqueafecta directamentelacorrosin,yaqueconunavariacindetemperatura puede alterarse la velocidad de corrosin en ciertos casos. a.4.) PH (Potencia de Hidrgeno). Una sustancia es ms corrosiva en la medida en que disminuye su PH (Aumento de Acidez). a.5.) Velocidad del fluido. La erosin aumenta con un incremento de velocidad,debidoaqueelfluidotiendeasermsturbulento provocando con esto un desprendimiento de las partculas corrosivas y exponiendo nuevamente el material al contacto del fluido. b)Funcin de la parte del equipo. La funcin que desempea cadauna de las partes que componen el equipo, nos obligan a tomar decisiones conservadoras sobre los materiales a elegir. c) Experiencia. c.1.) Si el material ha sido utilizado en servicios idnticos se deben a revisarlosreportesdeinspeccinquesehayanefectuadoalequipo para conocer los resultados que se tienen, y con esto saber si an el equipo se encuentra en servicio. c.2.)SielmaterialhasidoutilizadoensituacionessimilaresQu diferencia existe entre la situacin actual y la posibilidad de hacer una eleccin idntica? c.3.)Lasexperienciasvividasenplanta,enplantaspiloto,datosde pruebadecorrosinenplantasylaboratoriosascomoliteratura disponible,sonlasfuentesmsconfiablesparaformarseuncriterio en la seleccin de los materiales. II.3.3.SELECCIN DEL MATERIAL Ladecisinfinalquesetomarparalaseleccindelmaterial,seharde acuerdo a lo siguiente: 1)Materialmsadecuado.Esteseraqulquecumplaconelmayor porcentajederequisitostcnicos,yaquedeestosdependeelbuen funcionamiento del equipo. 2)Requisitoseconmicos.Elmaterialqueimpliquemenoresgastoscomo son: iniciales, de operacin, de mantenimiento y un mayor reembolso de inversin, sin que por este concepto se tenga que sacrificar el punto anterior. II.4. RECOMENDACIONES GENERALES En este captulo, se mostr en forma general los parmetros que se debern tomarencuentaparaunaseleccinadecuadadelosmaterialesdeconstruccin.Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________30 Resultadifcilestablecerrecetasquecontemplentodosloscasosde materiales expuestos a la gran cantidad de fluidos que se manejan en la industria engeneral,esporelloquealefectuarlaseleccincorrespondiente,esnecesario hacerunanlisisdetalladotomandoencuentaloestablecidoenelpresente captulo. Sinembargocuandoseaseguraquelascorrientes(ladocorazaylado tubos)quecirculanenuncambiadordecalor,noposeenpropiedadescorrosivas (las cuales generalmente determinan el tipo de material a utilizar), la seleccin del material se facilita, ya que debido a un sinnmero de experiencias se han logrado clasificar los materiales ms utilizados en los cambiadores de calor fabricados con acero al carbono y sus aleaciones. En la Tabla II.4., se muestran estos, limitando su seleccin a la temperatura de diseo del equipo. Un segundo servicio que ha sido estudiado detalladamente es el manejo de aguaparaelenfriamientoporelladodelostubos,sinembargoserequiere verificar elcomportamiento delosmaterialespropuestosenla TablaII.5., conla corriente por el lado de la coraza. Otro servicio considerado en el estudio de materiales, que se presenta con frecuencia en los procesos industriales es el manejo de servicios de hidrgeno, el cualquedadelineadomedianteeldiagramadeG.A.Nelsonpresentadoenla Tabla II.6. Eldiagramaantesreferidoagrupalosmaterialesapropiadosenrelacinala temperatura de diseo y la presin parcial del hidrgeno presente en las corrientes del servicio en cuestin. II.4.1. RECOMENDACIONES PARA LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE LOS CAMBIADORES DE CALOR a) TUBOS.- En la seleccin del material de los tubos, se deber atender con especialcuidadoelataquecorrosivoalascondicionesdeservicio(Presiny Temperatura) de cada fluido, ya que ambos estn en contacto con ellos, uno por elinterioryelotroporsuexterior.Adems,sedebertomarencuentaque comercialmentenosecuentaconespesoresnormalizadosqueproporcionenel material disponible para corrosin, por lo que est deber resultar imperceptible. b)ESPEJOS.-Enlaseleccindelmaterialdelosespejos,tambindebe atenderseconespecialcuidadoelataquecorrosivoalascondicionesdeservicio (PresinyTemperatura)deambosfluidosyenespecial,paraelmscrtico,ya que un fluido ataca una de sus caras y el otro la opuesta.A estos elementos, se lespuedenincrementarelespesorparasoportarlacorrosin(cuandoestosse fabrican de acero al carbn), asimismo debido a que los tubos irn insertados en Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________31 ellos, quedando expuestas sus uniones a la accin de los fluidos, el material de los espejosdeberserelmismoqueeldelostubosuotrodelasmismas caractersticas electroqumicas, para evitar que se desarrolle la corrosin galvnica. Cuando los tubos son de acero al carbono o de acero inoxidable, no existen problemasenseleccionarlosespejosdelmismomaterial,perocuandolostubos son de cobre o de alguna de sus aleaciones, surgen problemas para seleccionar el materialdelosespejos,debidoaquetienenbajosesfuerzospermisiblesybajan msanalelevarselatemperatura,porloquesenecesitarunespesormayor queeldelaceroalcarbono,esentoncescuandodichosespejosseproporcionan de acero al carbono un recubrimiento integral de cobre o alguna de sus aleaciones, aunque en ciertas ocasiones se proporcione totalmente de estos ltimos materiales (cuando el espesor total del mismo es menor o igual a 2 (51 mm), o cuando por ambosladossetienepresentelacorrosingalvnica).Comogeneralmentese utilizaelcobreysusaleacionesparaserviciosdeaguaparaenfriamiento,el recubrimiento integral (con material base de acero al carbono), nicamente ya que el acero al carbono resiste los esfuerzos (Figura II.2.). c)EMPAQUES.En las juntas desmontables de los cambiadores de calor se utilizan empaques de metal slido o de asbesto comprimido recubierto de un metal (enchaquetado).Losempaquesllamadosenchaquetados,debentenerbuena plasticidadparaquealsercomprimidos,puedandeformarseyfluirhastallenar todosloshuecosexistentesenlascarasdeasentamiento,evitandoascualquier fuga. El metal que recubre el asbesto deber seleccionarse para resistir el ataque corrosivo del fluido que se maneja, por lo que, generalmente se adopta un metal igual o de las mismas caractersticas electroqumicas que las de los elementos en que se asienta, para evitar que se genere la corrosin galvnica. d) BRIDAS. Son fabricadas de un acero al carbono, similar al de las partes a lasquehandesoldarseynicamenteencasosmuyespecialessefabricarnde otromaterial,puestoqueselespuedeadicionarmaterialdisponibleparala corrosin. Siempre que un espejo y empaque de material diferente al acero al carbono debanformarjuntaconunabrida, stapodrserfabricadadeaceroalcarbono, recubrindolaenlacaradeasentamientodelempaqueconmaterialigualode caractersticassimilaresalasdelempaquedetalformaquesteseapoyeensu totalidad sobre el recubrimiento, para evitar que se produzca la corrosin galvnica (FiguraII.2a.).Elespesordelmaterialderecubrimientosernormalmentede1/8pulg. (3mm.) y ser aplicado mediante soldadura. e)CORAZAS,CABEZALES,TAPASYBOQUILLAS.Estoselementos contendrn a los fluidos de proceso; a diferencia de los tubos de transferencia, en estoselementossiesposibleproporcionarmaterialadicionalparasoportarel Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________32 ataquecorrosivo,perocuandoserequieredematerialesdealeacinesms adecuadoelusoderecubrimientosintegrales(conmaterialbasedeaceroal carbn, recubierto con aleacin). Laconstruccindeestoselementossellevaacaboapartirdediversas formas de suministro, como el caso de las corazas y cabezales que algunas veces se obtienen de tubos de cdula (cuando el equipo es menor de 18pulg. (457mm.) de dimetro interno, sin que esto sea una limitante, ya que su eleccin depender delosrecursosconloscuales,cuentaelfabricante),porloquesedeber seleccionar la forma de suministro. f)TAPASCABEZALFLOTANTE.Estastapasnoquedanincluidasentrelas anteriores,porlafuncinquedesempean,yaqueademsdesepararunfluido delotro,soportanelataquecorrosivoylascondicionesdeserviciodeambos fluidos,porloquesedebernseleccionarsusmaterialesdeconstruccinpara soportarlascondicionesmscrticassonseleccionadoscomnmentedeaceroal carbono,puestoqueesposibleadicionarmaterialdisponibleparalacorrosin, perocuandoelefectocorrosivoquepuedenpresentarambosfluidosesalto, tendrn que adicionar dicho material en las dos caras de la tapa. Esto puede traer como consecuencia una placa demasiado gruesa en ocasiones, lo quedespusderolarlaparadarlelageometrarequerida,presentaresfuerzos residuales que ser necesario eliminar mediante tratamiento trmico y con lo cual se incrementar su costo, por lo que ser necesario en estos casos seleccionar un materialmsresistentealacorrosin,adoptandonormalmenteelmismo seleccionado para los tubos y espejos a fin de evitar la corrosin galvnica. g)MAMPARAS.Seseleccionancomnmentedeaceroalcarbonoporser elementos no sujetos a presin y adems por el material disponible a la corrosin quepuedeserincluidoensuespesor,aunquealgunasvecesseconstruyendel mismo material o de caractersticas similares a las de los tubos, cuando el fluido de la coraza es un buen electrolito para evitar que se desarrollo la corrosin galvnica ycon ello, la destruccin de las mamparas que son difciles de reemplazar. h)PLACASDIVISORIAS.Seseleccionandelmismomaterialquelos cabezales y tapas a los cuales habrn de soldarse. Cuando estas placas divisorias sonproporcionadasdeaceroalcarbnylosespejosenlascualesseempacan stas, son de material diferente al de ellas, ser indispensable proporcionar en el extremo(delaplacadivisoria)unmaterialigualosimilaraldelespejo, manteniendodeaceroalcarbonoelrestodelaplacadivisoriayuniendoambas partesmediantesoldadura,paraposteriormenterecubrirlauninconresina epxica (Figura II.2.b.), para evitar con ello la corrosin bimetlica y la presencia de puentes electrolticos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________33 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________34 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________35 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________36 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________37 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________39 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________40 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________41 Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________42 CAPTULO III DISEO MECNICO DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS En el presente captulo, se describirn las caractersticas de cada uno de los elementos mecnicos que constituyen los cambiadores de calor de tubo y coraza, as como el procedimiento de diseo para cada uno de ellos. Para iniciar el diseo de un equipo, ser indispensable contar con la Hoja de Datos delmismo,queesunarecopilacindeinformacinobtenidaduranteelestudio trmicodelprocesoquedeberefectuarseymedianteelcualsehabr determinadoeltipodecambiadordecalorrequeridoconformealaidentificacin descrita en el Captulo I.3., con lo que ser posible entonces conocer los elementos mecnicos que tendrn que disearse individualmente. Enseguidasepresentarelmtododediseoparacadaelementoque puedesernecesarioenlosequiposdetransmisintrmicaqueaquseestudian, aunquenotodosellosseimplicarnencadaequipodiseado,debern seleccionarseconformealasnecesidadesyrequerimientosespecificadosenla HojadeDatos.Loanteriorsignificaporejemplo,queparauncambiadortipo NEN, no ser necesario disear un cabezal flotante o una tapa toriesfrica, que son elementos que tambin se describen en este captulo para cuando se requiera un equipo constituido por estos elementos. III.1. MAMPARA DE CHOQUE La mampara de choque es una placa que se instala normal a la descarga de laboquillaalimentadoraenlacoraza,afindeevitarquelacorrientedelfluido choque directamente sobre los tubos del haz y los dae por efectos erosivos. III.1.1. LITERALES UTILIZADAS EN ESTE CAPTULO - Densidad del fluido entrante a la coraza Lb/pie3 Kg/m3) - Densidad del aguaLb/pie3 (Kg/m3) - Velocidad del fluido a la entrada de la coraza pies/s (m/s) - Flujo de masa a la coraza Lb/Hr (Kg/Hr) Q Gasto de entrada a la coraza pie3 /s (m3/s) S.G Gravedad especfica (densidad relativa) del fluido entrante A rea transversal interna de la boquilla alimentadora Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________43 D Dimetro interior de la boquilla alimentadora III.1.2. CRITERIOS PARA EL EMPLEO DE MAMPARA DE CHOQUE Cuandoalgunodelostrescasossiguientessepresente,sernecesario instalar mampara de choque (TEMA R-4.61). 1)2 >1,500Lb/pies.2 (2,250Kg/ms2).Cuandosetienenfluidosno corrosivos, no abrasivos y de una sola fase. 2) 2 > 500 Lb/pies.2 (750 Kg/m.s2). Cuando se tienen fluidos de dos fases, incluyendo lquidos en punto de ebullicin. 3) Para gases y vapores, incluyendo todos los vapores saturados y mezclas de vapores. NOTA: Para ningn caso podr aceptarse un valor de 2 > mayor a 4,000 Lb/pies2 (6,000Kg/ms2),debindoseincrementareldimetrodelaboquillaalimentadora en esos casos, a fin de reducir la velocidad de entrada y con ello el producto. Deberevitarseenloscasosqueseaposiblelamamparadechoque, seleccionando el dimetro de boquilla adecuado que proporcione un producto 2 dentro de los lmites antes establecidos, esto es cuando el dimetro puede elegirse ynoesundato,delocontrariosetendrqueevaluarelproductoyse determinarsisernecesarioonolamampara,conformealoanteriormente expuesto. III.1.3. PROCEDIMIENTO DE CLCULO Y SELECCIN DEL DIMETRO DE BOQUILLA Datos:LosdatosproporcionadosporlaHojadeDatosyquesernde utilidad para el clculo de la boquilla que no requerir mampara de choque son: , SG y . Se har la conversin del flujo de masa en Lb/Hr a gasto en pie3/s o (Kg/Hr a m3/s). = SG x H Q = W/ ( x 3600) Q = Gastos en pie3/s (m3/s) Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________44 Dependiendodelfluidoentrantealacoraza,seigualaelproducto2 al valor correspondiente, conforme lo indica el punto III.1.2 2 = 1,500 Lb/(pie s2) o (2,250 Kg/m s2) 2 = 500 Lb/(pie s2) o (750 Kg/m s2) Delasecuacionesanteriores,segncorrespondapodrdespejarsela variableVparaobtenerelvalordelavelocidaddelfluidoenlaboquilla alimentadora. Se sabe que Q = V x A A = Q / V Sabindose que el rea de un crculo es: A = 0.785 D2 Se despeja finalmente el dimetro interior de la boquilla D requerido para evitar la necesidad de utilizar mampara de choque. D = (A / 0.785) pie (m) Seprocedeahoraaconvertireldimetroobtenidoapulgadas(mm)para consultarcualquiertabladeCaractersticasMecnicasdeTubos(TablaIII.1)y elegir el tubo con dimetro interno ms prximo al calculado. Se evaluar ahora el rea transversal interna del tubo seleccionado para la fabricacin de la boquilla, la cual deber ser mayor al rea requerida, en cuyo caso se tendr la dimensin de boquilla que no requerir mampara de choque. En caso de tener la boquilla de un dimetro ya establecido deber calcularse la posicin de la mampara de choque, as como su dimensin, despus de conocer el producto2 y comprobar que es necesaria (Fig. III.1.b.). III.1.4.DIMENSIONAMIENTO Y LOCALIZACIN DE LA MAMPARA DE CHOQUE La mampara deber cubrir un rea mayor a la comprendida por el dimetro interiordelaboquilla,afindeasegurarlaproteccindelostubosdelhazen direccinaladescargade esta mismaboquilla. Por otraparte,esinconveniente unamamparademasiadogrande,querestarreaenelinteriordelacoraza, dificultando la distribucin de tubos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________45 Tomandoencuentalosfactoresanteriores,sehaconsideradosuficiente tomar1.25veceseldimetrointeriordelaboquillaparaelvalordiametraldela mampara,queparafacilitarsuinstalacinsercuadrada,teniendoporladoeste valor diametral calculado. El rea de flujo limitada por la proyeccin de la boquilla sobre la mampara y laalturaHpp(Fig.III.1.b.)queestablecelalocalizacindesta,deberseral menosigualalreatransversalinternadelaboquilla,conlafinalidaddeevitar alteraciones del patrn de flujo presin, velocidad, esto es: D =( D2) / 4 = ( ( D2)/4) / D =D/4 Esrecomendablefabricarestasmamparasconlamismacurvaturaque presentelacorazaparahacermenosbruscoelcambiodedireccinenelflujoy evitar prdidas de energa excesivas. Cuandolaboquillaalimentadoraesdedimetrograndeenrelacinal dimetrodelacorazayexistalanecesidaddeutilizarmamparadechoque,esta sertambindegrandedimensionesyporconsecuenciaocuparunespacio dentrodelacorazatal,queharmuydifcilladistribucindelostubosque requerir el haz, es entonces cuando se deber recurrir a otras soluciones, como lo soneldiseodecinturonesdedistribucinodomosquesevernmsadelante (Cap. III.5). III.2.PLANTILLA DE BARRENADO LaPlantilladeBarrenadoeseldibujoquemuestralaposicinenqueir situado cada uno de los tubos de transferencia con que contar el equipo y servir de base para laperforacin delas placasquehande soportarlos alensamblarel haz completo (espejos y mamparas). III.2.1. DATOS REQUERIDOS PARA EL DISEO (PROPORCIONADOS EN LA HOJA DE DATOS) 1) Nmero de tubos requeridos. 2) Dimetro de los tubos. 3) Requiere mampara de choque o no (III.1). 4) Dimetro interior de la coraza. 5) Tipo de cabezal (III.2.1.1). Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________46 6) Arreglo de los tubos (III.2.1.2). 7) Nmero de pasos por los tubos (III.2.1.3). 8) Tipo de flujo en la coraza (III.2.1.4). III.2.1.1. TIPOS DE CABEZAL El nmero de tubos que especfica la hoja de datos para el haz, debe estar comprendidoenuncrculocuyodimetroseestableceenfuncindelas toleranciasdefabricacinymontajequedebenconsiderarseparaeltipode cabezal requerido, as como por las dimensiones del empaque, el cual se reduce al anchomnimopermisible(TEMAR-6.3)paraobtenerelmayorCrculoLmitede Tubos, (CLT) y as contener los tubos necesarios. El ancho mnimo de los empaques especificados por las normas es 3/8pulg. (9.5mm.)paraequiposcon23pulg.(584mm.)dedimetronominalomenoresy 1/2pulg (13mm.) para aqullos de mayor dimetro, pero ser necesario comprobar posteriormentequeestosempaquescumplanlasnecesidadesdeselloaldisear los cabezales flotantes que los incluyen (Cap. III.3). a) Cabezal Tipo S Este cabezal ser diseado tenindose presente que ser desmontable y por lomismo,requerirtoleranciasensudimensionadoquelepermitaalespejo flotante,salirlibrementeatravsdelacorazaalextraerseelhaz,despusde desmontarelboneteylasbridasdeestecabezalflotante,quetambincontarn con tolerancias de fabricacin para el fcil acoplamiento y desmontaje. Clculo del Mximo Crculo Lmite de Tubos. Considerando la Figura III.2-a, se calcular el CLTde la manera siguiente: Dimetro del espejo flotante (DE) DE = DI 3/8 (DI 9.5 mm) Dimetro exterior del empaque (DEE) DEE = DE Dimetro interior del empaque (DIE) DIE = DEE 2N Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________47 Dimetro macho del espejo flotante (DM) DM = DIE 3/8 (DIE 9.5 mm) Dimetro del mximo crculo lmite de tubos (CLT) CLT = DM 1/4 (DM 6.3mm.) b) Cabezal Tipo T Deberdisearsedetalformaquealserextradoelhazdetubosparala operacin de limpieza y mantenimiento, el espejo del cabezal flotante, pueda salir librementeatravsdelacorazaestandoacopladoconlabridadelatapadel cabezal mediante sus esprragos. La tolerancia de 3/16pulg. (4.8mm.) mnima que se indica en la Figura III.2-a y b entre la cara interna de la coraza y el radio del espejo, es una dimensin que permitir librar pequeos obstculos que pudieran presentarse en la longitud de la corazaalextraerelhaz,debidosairregularidadesenella,talescomo deformacionescausadasporgolpes,porcambiosdetemperaturaalaplicarla soldaduraobiendefectosenlaformacilndricadelamisma.Lastolerancias indicadas sobre el cabezal flotante permitirn el fcil acoplamiento y desensamble del espejo y la brida, adems de facilitar su fabricacin. Literales utilizadas en la Figura III.2-b. BDimetrodelesprrago,quepodrtomarseporelmomentocomo 3/4pulg. (19mm.) por ser el mnimo permitido en las normas, para evitar el peligro de sobreesfuerzo que existe en esprragos de menor dimetro, adems de poder conseguir as una brida menos alta y con ello un CLT ms amplio, aunque tendr que verificarse al disear la brida del cabezal flotante (Cap. III.3) E Dimensin correspondiente al dimetro de esprrago seleccionado para proporcionarapoyosuficientealastuercasydarresistenciaalabridaenla seccin acotada (Figura III.20). N Ancho del empaque DI Dimetro interior de la unidad CToleranciaeneldimetrodelasperforacionesdelespejoylabrida paraellibrecrucedelosesprragos,queserde1/16pulg.(1.6mm.)en dimetrosmenoresoigualesa1pulg,(25.4mm.)y1/8pulg.(3mm.)para dimetros de esprragos mayores. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________48 Clculo del Mximo Crculo Lmite de Tubos. Considerando la Figura III.2-b se calcula el CLT de la siguiente manera: CLT = DI-3/8 2E (B + c) -1/8 2N-1/4 1/8 CLT = DI 2E - B c 2N 1 3/8pulg. c)Cabezales Tipo L, M, N. Siendoestoscabezalesdeespejosfijos,slotendrqueconsiderarseuna toleranciaparaelclculodelCLT,entrelacarainternadelacorazaylacara externa de los tubos ms prximos a ella (Figura III. 1-a) con el fin de evitar que alaplicarselasoldaduradeuninentreelespejoylacoraza,afectepor temperatura las uniones tubos espejo o bien para facilitar la soldadura y/o rolado de los tubos al espejo, adems de no permitir que las perforaciones para los tubos de transferencia en las mamparas lleguen a su permetro. CLT = DI 2 (3/8) = DI 3/4 III.2.1.2. ARREGLO DE TUBOS Elarreglocorrespondealaformaquepresentalalneadeuninentrelos centros de tubos ms prximos entre s, en su corte transversal y est en funcin deladireccindelfluidoquecirculaporlacoraza.EnlaFiguraIII.1.-c,se muestran los diferentes arreglos de tubos, denominado como Pasoa la distancia comprendida de centro a centro de cada tubo. III.2.1.3. NMERO DE PASOS POR LOS TUBOS Elarreglodelasplacasdivisoriasenloscabezalesdedistribucinyde retorno(ocabezalflotante),determinanelnmerodevecesqueelfluidolado tuboscambiadedireccinalcircularporelinteriordeellos,aloquesellamar nmerodepasos.EnlaFiguraIII.3.,seilustranlosarreglosmsusualesde placas divisorias para diferente nmero de pasos por los tubos. III.2.1.4. TIPOS DE FLUJO EN LA CORAZA EnlaFiguraIII.4.sepresentanvariosdibujosilustrativosquemuestran arreglosdiferentesdelasmamparasparalograreltipodeflujodeseadoenla coraza, el cual se indica en cada esquema. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________49 III.2.2. DATOS FINALES QUE DEBER INCLUIR LA PLANTILLA DE BARRENADO 1) Nmero, calibre y dimetro de tubos de transferencia. 2)Localizacinydimensionesdelamamparadechoquesiserequiere (III.1.2.). 3) Arreglo de los tubos (III.2.1.2.). 4) Paso de los tubos en su arreglo (III.2.1.2.). 5) Nmero de pasos por los tubos (III.2.1.3.). 6)Dimetroylneadecortedelasmamparastransversales,indicandoen ellos el CLT real(III.2.2.2.). 7) Nmero, dimetro y localizacin de las varillas tensoras (III.2.2.3.). 8) Dimensiones y localizacin de fajas de sello (III.2.2.4.). 9) Dimetro y localizacin de barrenos para tornillos de ojo (III.2.2.5.). III.2.2.1. TRAZO DE LA PLANTILLA DE BARRENADO Conociendolosdatosindispensablesparaeldiseodelaplantillade barrenado(III.2.1.)yhabiendocalculadoeldimetrodelmximoCrculoLmite deTubos(CLT)correspondientealcabezalderetorno(oflotante)requerido,se estar en posibilidad de trazar la plantilla. Cuando el nmero de pasos por los tubos es la unidad y el haz no involucra mamparadechoquenimamparalongitudinal(Fig.III.4.dye),laplantillase obtiene siguiendo los pasos indicados a continuacin: 1) Trazar un sistema de ejes cartesianos x, y. 2)Dibujarelcontornodelmximo"CLT"concentroenlainterseccinde los ejes indicados en el punto anterior. 3)Trazarfamiliasderectasconformeelarreglodetubos;hastallenarel rea comprendida por el mximo "CLT". 4) Dibujarel contornode tubos calibre en su seccin transversal haciendo centroparasuradioexteriorenlainterseccindelas rectas que Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________50 establecenelarreglodetubos(punto3),cuidandoqueningunodeellos sobrepase el permetro marcado por el mximo "CLT". Lacantidaddetuboscomprendidosdel"CLT",serelmximonmerode ellos con el que podr contar el equipo, por lo que debern buscarse alternativas que convengan a las necesidades que se tengan. En la FiguraIII.5se presentan dosalternativas(c y d) parala distribucin de tubos con el mismo arreglo y crculo lmite de tubos, en las que se obtienen un nmerodiferentedetuboscomoconsecuenciadelaposicinrelativadeleje"y" respecto a la lnea de centros de la columna de tubos ms prximos a este. Cuandoelnmerodepasosporlostubosseadiferentedelaunidad,se distribuir el nmero de tubos solicitado en la Hoja de Datos, de tal forma que se tenga la misma cantidad de stos en cada paso, aunque no siempre ser posible y entonces podr aceptarse una diferencia del 3% mximo entre el nmero de tubos de un paso y otro. Paraeltrazadodelaplantillaenestoscasos,tendrnqueserlocalizados primeramentelaslneasdecentrodelasplacasdivisorias,paraacontinuacin dibujarelarreglodetubosconformeasupaso,tenindosepresentequela distancia"W4"delalneadecentrosdecualquierplacadivisoriaalalneade centrosdelahileradetubosmsprximosaella,deberincluirlos espaciamientosyclarosmnimosrecomendadosparalograrelensambledelas placas divisorias con el espejo (Fig. III.6). Elespesormnimoadmisibleparalasplacasdivisoriasencabezalesy bonetes de cabezal flotante "W1" (TEMA R.8.131) no deber ser menor al indicado por la tabla III.2. TABLA III.2. DIMETRO NOMINAL DEL CABEZAL ACERO AL CARBN MATERIALES DE ALEACIN Hasta 23pulg. (584mm.)3/8pulg.(9.5mm.)pulg. (6.3mm.) 24 a 60 (610 a 1524 mm) (13 mm)3/8pulg. (9.5mm.) 61 a 100 (1549 a 2540 mm) 5/8 (16 mm) (13 mm) ElanchomnimopermisibleenlavenadelempaqueNpp(FiguraIII.6) para la placa de particin (TEMA R.6.4), no podr ser menor al indicado en la tabla III.3. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________51 En la Figura III.5 se incluyen dos ejemplos de plantilla de barrenado donde (b) presenta un desafamiento de la lnea central de la placa divisoria, respecto a la lneadecentroshorizontaldelhazdetubos,afindeobtenerunaalturaHpp mayorqueenlaFigura(a),dondeserposiblecolocarunamamparadechoque (Fig. III.1-b) Obsrvese tambin que se ha eliminado cuatro tubos del paso inferior y dos del superior, debido a que los primeros interfieren con el CLTy los segundos se hanevitadoparacumplirconladescompensacinmximapermisibledel3%de un paso a otro. TABLA III.3. DIMETRONOMINAL DEL CABEZAL ANCHO MNIMO DEL EMPAQUE Npp Hasta 23 (584 mm) (6.3 mm) 24 a 60 (610 a 1524 mm) 3/8(9.5 mm) 61 a 100 (1549 a 2540 mm) 1/2 (13 mm) Tenindoseencuentaqueeltrazadodeunaplantillasehalimitadoal estudio de los tubos comprendidos en el mximo Crculo Lmite de Tubo Real, que es menor al anterior y por lo tanto ser necesario su evaluacin. Medianteunclculomatemticosimple(TeoremadePitgoras)podr conocerse ladistanciaradialdesdeel centrodel haz detubos hastaelcentrodel tubomsprximoalCLTmximo,lacualhabrdemultiplicarsepordosy sumrseleeldimetrodeltubodetransferencia,resultandoaseldimetrodel Crculo Lmite de Tubos Real (Figura III.7-a). III.2.2.2. MAMPARAS TRANSVERSALES El rea de ventana, es el rea del segmento o seccin libre de la mampara menoselreatransversaldelostuboscomprendidosenellayseindicaen porcentajedecortedeldimetrointeriordelacoraza.Esteporcentajeest especificado en la Hoja de Datos, aunque por dificultad geomtricas ser necesario localizarelcorte,sobrelalneadecentrosdelafilaocolumnadetubosms prximaalporcientoespecificado,obiensobrelospuntoscentralesdelos espacioslibrescomprendidosentreellas,todoestoconlafinalidaddeevitar seccionesaguadasyproblemasdeensambleocasionadosporlatangenciao proximidadaelladelalneadecortedelamamparaconlasperforacionesdel mismo (Figura III.7-b). Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________52 Lasiguienteexpresinproporcionalaalturadecorteenmamparas segmentadas (Figura III.8.-a). H = D/2 - % de D El reducir o aumentar el rea de ventana como resultado de la modificacin del corte terico (Hoja de Datos) en la mampara, hace necesaria la revisin de las reas de ventana y de flujo cruzado, las cuales debern ser equivalentes a fin de evitar las contracciones y expansiones del fluido que provocaran cadas de presin y problemas de vibracin en el haz de tubos. Acontinuacinseexpondrelprocedimientodeclculoparaambasreas (Figura III.9.), donde las literales empleadas son: D Dimetro interior de la coraza. Hc Altura de corte real en la mampara. Dt Dimetro exterior de los tubos de transferencia. Nt Nmero de tubos de transferencia localizados en el rea de la ventana. Nt FC Nmerode tubos de transferencia localizados sobre el rea de flujo cruzado. Espaciamiento de las mamparas (incluido en Hoja de Datos). CLCULO DEL REA DE VENTANA El rea total de medio crculo es: ( D2 / 4 )/ 2 = D2 / 8 El rea de los tringulos superiores es: Hc ((D/2)2-Hc2) =(Hc(D2-4Hc2) )/2 El rea de los dos arcos del crculo es: ( D2/4) (2/360) = ( D2/4) (2 sen 1 (2 Hc/D))/360 = ( D2/4) (Sen 1 (2 Hc/D))/360 El rea de los tubos de transferencia localizados en la ventana ser: Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________53 (dt2Nt)/4 Sumando algebraicamente estas reas se obtendr el rea de ventana: Av = ( D2/8)-(Hc(D2-4Hc2) )/2 ( D2/2)(Sen 1(2Hc/D)) /360) ( dt2 Nt)/4 CLCULO DEL REA DE FLUJO CRUZADO AFC =L(D-dtNt FC) Paradefinireldimetrodelasmamparastransversales(Dm)ylaplaca soporte,setendrpresentequelaholguraquestospresentenconeldimetro interior de la coraza no deber exceder los valores indicados en la Tabla III.4, a fin de evitar prdidas de flujo por desajustes mayores: TABLA III.4. DIAMETRO DE LA CORAZA D-DmDIMETRO DE LA CORAZA D-Dm 8 13 (203 330mm) 0.100 (2.5 mm) 24 39 (610 991 mm) 0.175 (4.4 mm) 14 17 (356-432 mm) 0.125 (3.2 mm) 40 54 (1016 1372 mm)0.225 (5.7 mm) 18 23 (457 584 mm) 0.150 (3.8 mm) 55 (1397 mm) y mayores 0.300 (7.6 mm) III.2.2.3.VARILLAS TENSORAS Lafuncindeestasvarillaseslograrunarmaznrgidoentremamparas, placasoporteyuno delosespejos,haciendoposibleel manejodelhazdetubos como un slo elemento. El nmero de varillas requeridas as como su dimetro estn en funcin del dimetro de la coraza (Tabla III.5) y debern ser distribuidas en toda la periferia de la plantilla de barrenado, teniendo cuidado en localizarlas tambin prximas al corte de las mamparas para evitar problemas de vibracin. Unodelosextremosdeestasvarillasirnempotradosalespejofijo empacado, cuando se trata de un haz de tubos removible y este empotramiento se har en el espejo prximo a la boquilla alimentadora de la coraza cuando se trata de un equipo de espejos fijos. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________54 Solamente cuando el equipo en diseo sea de cabezal flotante, se estar en posibilidaddelocalizarestasvarillasfueradelCrculoLmitedeTubossifuera necesarioporcondicionesdeespacio,cuidandonicamentequenosobresalgan delpermetrodelasmamparaslostubosespaciadoresquecubrenestasvarillas, as como las tuercas de sus extremos no empotrados. TABLA III.5. DIMETRO DE LA CORAZADIMETRO DE VARILLASNMERO MNIMO DE VARILLAS 8 153/8(9.5 mm)4 16 273/8(9.5 mm)6 28 331/2 (13 mm)6 34 481/2 (13 mm)8 49 601/2 (13 mm)10 61 1005/8(16 mm)12 III.2.2.4. FAJAS DE SELLO Sonelementosmecnicosalargadosqueseinstalanlongitudinalmenteal haz,soportadasporlasmamparasmedianteranurasefectuadasenellas,su funcin consiste en obligar cruzar a travs del haz a los fluidos que circulan por los espacios libres comprendidos entre los tubos exteriores del haz y la pared interna de la coraza, minimizada as los flujos intiles (Figura III.10). Normalmente contarn con un espesor de 3/8" (9.5 mm), su ancho depende delespaciolibredisponible(11/2"mayor)ysulongitudcomprenderla distancia existente entre la primera y ltima mampara(o placa soporte con un excedente en cada extremo de 1/2" (13 mm) normalmente. III.2.2.5. TORNILLOS DE OJO En todo cambiador de calor con haz de tubos removible es necesario contar conaccesoriosquefacilitenlaextraccindelhazdesucoraza,paralas operaciones de limpieza y mantenimiento. Los tornillos de ojo (Figura III.11). se emplean como un medio de sujecin, instalados sobre el espejo fijo empacado del haz de tubos por el lado del cabezal, a fin de poder aplicar una fuerza de tensin sobre ellos y as lograr la extraccin. Los agujeros roscados que se efectan para la instalacin de estos tornillos, deberncontarconunaprofundidadmnimaigualasudimetroenespejosde acero al carbono y de 1.25 veces su dimetro en espejos de material no ferroso. Al establecer sobre la plantilla de barrenadola localizacin de estos barrenos, ser necesario conseguir el mayor espaciamiento entre ellos (Figura III.10). Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________55 III.3. CABEZAL FLOTANTE Sedenominancomoflotantes,aquelloscabezalesdiseadosdetalforma quepermitenlalibreexpansinycontraccinquesufreelhazdetubosa consecuenciadelosgradientesdetemperaturaexistentesentreelfluidolado tubos y lado coraza. Loscabezalesflotantes,segnlasnormasTEMA,estnclasificadosde acuerdo a los siguientes tipos: S, T, W y P. Elcabezalflotantetipo"S"estconstituidogeneralmenteporuncasquete esfricounidoaunabridatipoanilloystos,yacomounsoloelemento,van ensambladosaunespejoflotante,auxiliadosporunacontrabridadividida(Ver Figura III. 12-b). Elcabezalflotantetipo"T"seformaconlosmismoselementosqueel anterior, con la diferencia de que este es ensamblado directamente al espejo por medio de esprragos (Ver Figura III.12.a). Elcabezalflotantetipo"W",noesmsqueunespejoflotanteempacado medianteunanillodecierrehidrulico,logrndoseelselloconelaprietedelos esprragosqueensamblanlabridadelacorazayladelcabezal,(VerFigura III.12-c). El cabezal flotante tipo "p" es parecido al "W", solamente que el sello en la corazaselograexteriormenteconlaayudadeunacontrabridayelselloenel cabezal,conunabridadeslizableyunempaquetipoanilloslidodividido(Ver Figura III.12-d). Paraefectosdeordenamiento,setratarnenestetemalosdosprimeros cabezalesdescritos,considerandoquelosdemscuentanconelementosquese estudiarn separadamente en subcaptulos posteriores. III.3.1. GEOMETRA DEL CASQUETE La geometra del casquete ms utilizada en cabezales flotantes, es la de un segmentoesfricodondelaflecha"c",resultaserunacuartapartedeldimetro interiorde labridaa lacual va unida.Esto se deriva del hecho de quedesdeel puntodevistaestructural,elcasqueteesfricopresentamejorresistenciaalas cargas actuantes. Tomando como punto de referencia la Figura III.13., se puede encontrar la dimensin del radio de abombado "L" para el casquete esfrico. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________56 2 222848|.|

\|+ |.|

\| =L L 4816 22 22 2+ + =B BLL L 4 16 202 2B B BL+ + = 2 24 8 0 B B BL + + = B L L B858 52= =Paracabezalesflotantesconpasosmltiples(queinvolucranplacas divisorias), la profundidad interior del mismo deber ser tal que el rea transversal mnima entre pasos adyacentes, sea al menos 1.3 veces el rea transversal interna delostubosdeunsolopaso.Paracabezalesflotantesdeunsolopaso,la profundidadmedidasobrelalneadecentrosdelaboquilla,debersercomo mnimo 1/3 del dimetro interior de la misma boquilla (TEMA R-5.11). III.3.2.ESPESOR DEL CASQUETE ESFRICO Por Presin Interna. ElCdigoASMEVIII,Div.1,establecelassiguientesecuacionesparael clculo del espesor de un cascarn esfrico sujeto a presin interna (ASME UG-27(d)). P SEPRt2 . 0 2 = SPLt65= t-Espesormnimorequeridosintoleranciaalacorrosin,eligiendoel mayor de los resultados obtenidos, pulg. P -Presin de diseo en el interior de tubos, Lb/pulg2. R = L Radio interior del casquete en condiciones corrodas, pulg. S-Esfuerzomximopermitidodelmaterialempleadoalatemperaturade diseo (ASME VIII, Subseccin C), Lb/pulg2. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________57 E - Eficiencia de la junta soldada (ASME, U-12) en %. C-Corrosinpermisible(frecuentementeseconsidera1/8"(3.2mm)en acero al carbono) pulg. Por Presin Externa. El espesor mnimo requerido de un cascarn esfrico bajo presin externa, ya sea sin costura o de construccin armada con juntas o tope, debe determinarse mediante el siguiente procedimiento: PASO1.SupongaunvalorinicialdetycalculeelvalordelfactorA empleando la ecuacin siguiente: t RAo /125 . 0= Donde: Ro Radio exterior del cascarn en condiciones corrodas. t Espesor supuesto PASO 2. Utilizando el valor de A calculado en el paso 1, entre a la grfica correspondiente en el apndice y del Cdigo ASME SECCIN VIII, Divisin 1para el material bajo consideracin (ver ejemplo Fig. III.15 para acero al carbono y baja aleacin). Trace una lnea imaginaria verticalmente hacia arriba hasta intersectar a la curva material / temperatura (utilice la temperatura de diseo). EncasosdondeelvalordeAselocalicealaizquierdadelacurva material/temperatura, ver el paso 5. PASO 3. De la interseccin obtenida en el paso 2, trace una lnea horizontal imaginaria hacia la derecha y lea el valor del factor B. PASO4.UtilizandoelfactorB,calculeelvalordelapresinexterna mxima permisible Pa(Lb/pulg). mediante la siguiente ecuacin: t RBPa/0= PASO 5. Para valores de A localizados a la izquierda de la curva material/ temperatura, el valor de Pa (Lb/pulg), puede calcularse por: Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________58 20) / ( 0625 . 0t REPa =Donde: E = Mdulo de elasticidad del material a la temperatura de diseo. PASO6.ComparePaobtenidaenlospaso4y5conp(presinde diseoladocoraza).SiPa M , entonces en el punto 9.2 del formato sustituir MA por MROP, paradeterminarnuevamenteelespesor"T"finalrequeridoporlabrida(Punto 9.3). Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________61 16) Conocido el espesor (T) verifique el espaciamiento de esprragos. III.3.4. CONTRABRIDA DIVIDIDA DEL CABEZAL FLOTANTE La funcin de la contrabrida dividida es anclar los esprragos de la brida del cabezal flotante, por lo tanto, est sujeta a la accin de los mismos esprragos y a la reaccin que presenta el espejo flotante. Lacontrabridaestformadapordosseccionessemicirculares,afinde poderdesmontarlayremoverelhazdetubosenlasoperacionesde mantenimiento.Sudimensin"a"(FiguraIII.22-d)debesertalqueimpidael deslizamiento de la brida sobre el espejo, pero sin llegar a interferir con los tubos del haz, siendo por esto recomendable que su dimetro interior sea el mismo que el de la brida del cabezal (B). Unin Contrabrida Espejo. En algunas ocasiones, dependiendo de las dimensiones del equipo as como para evitar al mximo que la contrabrida salga de su posicin debido a la torsin, sediseauntipodeunincomoelquesemuestraenlaFiguraIII.22-a, comprendiendo un ngulo , maquinado tanto para el espejo como para la misma contrabrida. Clculo del Espesor de la Contrabrida. ComoseveenlaFiguraIII.22-d,lacontrabridaestsujetaacargas concentradas debidas a la fuerza transmitida por cada uno de los esprragos y a la reaccin que presente el espejo. Aunquelosesprragosestndiseadostomandoenconsideracinlas presionesqueactanenelcambiadordecaloryelfactordeasentamientodel empaqueparaquetrabajenelesfuerzopermisibledelmaterial,esconveniente considerarlacargamximaquepuedensoportarlospernos,esdecir,surea transversal por su esfuerzo de cedencia. Elespesor"h"(FiguraIII.22-d)sepuededisearporesfuerzocortante empleando la siguiente expresin: ) )( )( () )( )( (fs DEfy Ap Nh=Donde: N= Nmero de esprragos Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________62 Ap = rea transversal de cada esprrago pulg2. Sfa=esfuerzomximopermisibledelosesprragos,alatemperatura ambiente, Lb/ pulg2. Fy=Esfuerzodecedenciaparalosesprragos,especificadoenelCdigo ASME, Lb/ pulg2. DE = Dimetro exterior del espejo flotante, pulg. Fs = Esfuerzo permisible al corte del material de la contrabrida, Lb/ pulg2. = 0.4 x Sfa. El espesor obtenido mediante la frmula anterior pudiera resultar pequeo y tomandoenconsideracinlasseverascondicionesdeoperacinaqueest sometido el equipo, no es conveniente tener espesores muy delgados, por lo que serecomiendaqueelvalorcalculadoconlaexpresinanteriornoseamenoral dimetro de los esprragos ms 7/16pulg. (11 mm). H Dp+7/16" Donde: Dp=Dimetro de esprragos III.4. CORAZAS Se denomina con el nombre de coraza al elemento generalmente cilndrico, que constituye esencialmente el cuerpo de un cambiador de calor, el cual aloja en su interior al haz de tubos. Desdeelpuntodevistaestructural,lacorazaesuncascerncilndrico,el cualsecomportecomounamembrana.ElCdigoASME,Div.1,especficalas frmulas adecuadas para el diseo de este elemento. III.4.1. CORAZAS SOMETIDAS A PRESIN INTERNA (UG-27) El espesor mnimo requerido por presin interna para un elemento cilndrico, podr determinarse por medio de las siguientes ecuaciones: a)En funcin del radio interior. P SE PRt6 . 0 =Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________63 b) En funcin del radio exterior. P SEPRto4 . 0 += Siendo: T= Espesor mnimo requerido por presin, sin corrosin pulg. P= Presin interna de diseo, Lb/pulg2. R= Radio interior de la coraza en condiciones corrodas pulg. Ro= Radio exterior de la coraza, pulg. S= Esfuerzomximopermisibledel materialala temperaturade diseo, Lb/pulg2. E = Eficiencia de la junta soldada, % C = Corrosin permisible, pulg. III.4.2. CORAZAS SOMETIDAS A PRESIN EXTERNA (UG-28) Elespesordeparedmnimorequeridoporpresinexternadeberser calculado de acuerdo al prrafo UG-28 y a las grficas del apndice V del Cdigo ASME. Los smbolos utilizados para este procedimiento son los siguientes: A= Factor determinado por la figura UGO-28.0 en el apndice V. B= Factor determinado por las grficas del apndice V. ) / ( 3 2t DAEPao= Do= Dimetro exterior de la coraza cilndrica. E= Mdulo de elasticidad del material a la temperatura de diseo. L= Longitud de la seccin considerada del recipiente. P=Presin de diseo externa. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________64 Pa= Presin mxima permisible T= Espesor mnimo de pared El procedimiento para el clculo del espesor de pared por presin externa es el siguiente: Para cilindros que tienen relaciones de Do/t > 10 (Ver Figura III.14). PASO 1. Considere un valor t y determine las relaciones L/Do yDo/t. PASO2.EntraralaFiguraIII.14UGO-28.0con elvalorL/Dodeterminado en el primer paso.Para valores de L/Do mayores que 50, entrar a la misma grfica con un valor de L/Do=50. PASO3.UsandoelvalordeA,calculadoenelpasoanterior,entrarala grficaparaelmaterialytemperaturarequeridosdelmismoapndiceV, traceunalneaperpendicularhaciaarribaeintersectelacurvamaterial-temperatura a la temperatura de diseo. EncasodequeelvalordeAselocalicealaizquierdadelacurvaantes mencionada, ver el paso 7. PASO 5. De la interseccin obtenida en el paso 4, trazar una lnea horizontal a la derecha y leer el valor de B. PASO6.UsandoestevalordeB,calcularelvalordePa,presinmxima admisible, empleando la siguiente frmula: ) / ( 3 4t DBPao= PASO7.ParavaloresdeAqueselocalicenalaizquierdadelacurva materialtemperatura,elvalordePa,puedecalcularsemediantela expresin siguiente: PASO 8. Comparar el valor calculado de Pa, obtenido en los pasos 6 y 7 con lapresindediseoexterna.SiPaP,elespesortsupuestoesel correcto; si Pa 0.5 rea de la boquilla (Ab). rea de la ventana (Av) 1.25 rea del domo. b)Deberemplearseunaventanacuandolaboquilladealimentacinsea menor o igual a 14 (356 mm) dimetro nominal. rea del domo > rea de la boquilla. rea de la ventana 1.25 rea del domo. Clculo de reas. 1)Deber calcularse el rea transversal interna de la boquilla (Ab) 42dAb= 2) El clculo del rea requeridos por el domo deber efectuarse de acuerdo a las caractersticas geomtricas del inciso a o b anteriores que se tengan, haciendolaigualdadqueapliquedelasdossiguientes,obteniendoasel rea mnima permisible para el domo (Adm). Ab Adm =Ab Adm5 . 0 = 3) Habiendo conocido el rea mnima permitida en el domo, se proceder a la seleccin de un tubo estndar mayor en dimetro a la boquilla y menor al del equipo, para verificar a continuacin si el rea de domo que proporciona laseccinlongitudinaldedichotubo,essuficienteparacubrirlas necesidades de rea que se tienen en el punto dos anterior. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________67 Elreadedomoqueproporcioneeltuboseleccionadosecalcularpor mtodos geomtricos, teniendo como datos el radio exterior de la coraza y el radio interno de la seccin de tubo para el domo en cuestin (Fig. III.23-a).Siguiendo la frmula indicada a continuacin podr obtenerse el valor del rea buscada. ((

=2 22 236022r R rR rAd Donde: Rrsen p = 4)Debercomprobarseahoraqueladesigualdadsiguientesecumpla,en cuyo caso quedar indicado que la seleccin del tubo para el domo fue adecuada. Ad Adm Pudieraresultartambinquenosecumplieraladesigualdad,debiendo entonceselegirseundimetromayorparaeldomoyascalcularnuevamenteel rea Ada fin de hacer cumplir la desigualdad. 5) Habiendo cumplido el punto 4, deber calcularse el rea de las ventanas necesarias,quecomnmentesondeformarectangular,orientadas transversalmentealacoraza(FiguraIII.23-ayb).Lasdimensionesde longitudyanchodelasventanasestarnlimitadasnicamenteporelarco de la coraza comprendido dentro del domo o comprendido por el ngulo 2 , lo cual dar una idea de la longitud de ventana que podr darse, ya que bastarcondejarlibreunclaroCL(FiguraIII.23-a)acadaextremodel arco para obtener una longitud probable de ventana y slo restar conocer el ancho de la misma, que deber ser tal que se cumpla lo siguiente: rea de la ventana rea del domo. a ven de Longituddomo del Areaa ven de Minimo Anchotan _ __ _tan _ _ _ = III.5.2. CINTURONES DE DISTRIBUCIN DE VAPOR El uso de cinturones de distribucin es mandatorio en equipos que manejan fluidosgaseososovaporesaaltasvelocidadesyqueprovocanproblemasde vibracin. Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares _________________________________________________________________68 Lafinalidaddeutilizarcinturonesdedistribucinescomosunombrelo indica, proporcionar una distribucin uniforme del fluido en la periferia del haza. Loscinturonesdedistribucin,ademsdeactuarcomodistribuidoresde vapor, sirven para proteger contra la erosin a los tubos de transferencia, al igual que un domo. Requerimientos Geomtricos de un Cinturn de Distribucin. Losrequerimientosgeomtricosenuncinturndedistribucin,dependen directamentedelreainternadelaseccintransversalenlaboquillade alimentacin(ladocoraza)ylosrequerimientosqueparalasoldadurase presentan. ElreadelcinturnindicadoenlaFiguraIII.24-beselreadecruce disponibleparalacirculacindelfluido,quealentraralanillosedivideendos partes para entrar a continuacin en la coraza por las ventanas existentes, para lo cual debern tenerse reas de cruce apropiadas tanto en el cinturn como en las ventanas, debiendo considerarse los requerimientos geomtricos siguientes. rea del cinturn 0.5 rea de boquilla. Suma del rea de ventana rea de boquilla. Clculo de reas en Cinturones de Distribucin. El clculo de las dimensiones del cinturn de distribucin como se muestra enlaFiguraIII.24-bdependesiempredelascondicionesdelservicioquese presente en el equipo.Como ejemplo, se tiene la dimensin O, la cual depende de que se cumplan las condiciones del rea transversal de la boquilla de entrada.La distancia L, depende del dimetro exterior de la boquilla y el tipo de soldadura entre el carrete del cinturn y la tapa. Elreadelasventanas,dependerdelnm