Download - Intercambiadores de Calor Presentacion
CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO O SELECCIÓN DE EQUIPO
DE TRASFERENCIA DE CALOR
Los Intercambiadores de calor son considerados los segundos en
importancia en una planta industrial, luego de reactores y recipientes
de procesos, por varias razones adicionales a las de tipo económico:
1. Son los responsables del aprovechamiento y manejo de la energía
2. Normalmente en una planta industrial se encuentran en gran
número.
3. Su costo es elevado comparado con otro tipo de equipos
4. De ellos depende en buen grado la operación satisfactoria, y la
frecuencia de mantenimiento ya sea predictivo, preventivo y
correctivo, de la planta industrial,
CLASIFICACIÓN DEL EQUIPO DE TRASFERENCIA DE CALOR
a) Intercambiadores de calor de tubo concéntrico:
Se usa solo para servicios en los que se trasfiere bajas cargas térmicas del
orden de un millón de BTU/h, además se usan para calentar y enfriar
fluidos sin que lleguen a presentar cambio de fase.
b) Intercambiadores de haz de tubos y envolvente:
Este tipo de intercambiadores son los más usados en la industria de proceso,
su nomenclatura está dada por el código TEMA (Tubular Exchangers
Manufacturers Association), la cual considera tres componentes
principales:
• El Cabezal de entrada
• La envolvente o carcaza
• El cabezal de retorno
El tipo de intercambiador se designa por letras: La primera denota el tipo de
cabezal de entrada de los fluidos (A, B, C y D)
La segunda indica el tipo de envolvente (E, F, G, H, J, y K)
La tercera indica el tipo de cabezal de salida o retorno (L, M, N, P, S, T, y U)
Las combinaciones más frecuentes son:
AES: estándar
AET: Fácil manejo del haz de tubos
AJS: Caídas de presión bajas por el lado del envolvente
AGT: Proporcionan mejor potencial de temperatura de los fluidos
BKU y BKT: rehervidores tipo “kettle”
CEN y AEL: espejo fijo para evitar fugas del fluido de la envolvente.
ELEMENTOS MECÁNICOS DE UN INTERCAMBIADOR DE HAZ Y
ENVOLVENTE
Un intercambiador está compuesto por cuatro partes principales:
1. Los Tubos
2. La envolvente
3. Los cabezales de entrada y de retorno o salida
4. Las mamparas
De acuerdo a los estándares de TEMA, es recomendable que el tamaño
y tipo de intercambiador se designe mediante números y letras. Esto
es el tamaño de la unidad se designa por números que indican el
diámetro nominal que corresponde al diámetro interno en pulgadas,
redondeado al entero mas cercano y la longitud nominal expresa en
pies, que corresponde a la longitud real de los tubos. Las letras
indican el tipo, conforme ya se ha descrito.
Los Tubos:
Son los componentes básicos del intercambiador, son los que proveen la
superficie de transferencia. Se usan generalmente tubos metálicos sin costura de
los siguientes materiales:
• Acero al Carbón
• Aceros de baja aleación
• Acero inoxidable
• Cobre
• Admiralty
• Cuproniquel
• Inconel
• Aluminio en varias aleaciones
• Titanio
• Otros materiales especiales para aplicaciones específicas, como el grafito.
Los tubos pueden ser lisos o aletados, se utilizan estos últimos cuando el fluido
por el lado externo tiene un coeficiente de transferencia de calor sustancialmente
menor al interno.
Tipos de Arreglo y espaciamiento (pitch):
Los tubos no pueden ser colocados muy cerca unos de otros ya que las
perforaciones en el espejo podría debilitar demasiado la estructura del espejo,
por tanto existe una distancia mínima entre tubos.
El pitch es el espacio entre centro a centro entre los tubos, los mismos que
pueden estar en arreglos:
Triangular, Triangular rotado, cuadrado y cuadrado rotado
El pitch triangular se utiliza en intercambiadores de espejos fijos, cuando no se
necesita la limpieza de los tubos ya sea manual o mecánicamente, sin embargo
la limpieza solo puede efectuarse por medios químicos.
El pitch cuadrado es recomendable cuando se tiene un fuerte ensuciamiento del
fluido y se necesita una limpieza mecánica, o donde la caída de presión por el
lado del envolvente está limitada.
La longitud de los tubos está dada por disponibilidad comercial, y ve en
dimensiones de 8, 10, 16, 20 y 24 pies, aunque en diseños especiales se llega
a longitudes de hasta 48 pies.
Espejos:
Los espejos son placas circulares de metal barrenadas y ranuradas para
colocar los tubos y las varillas separadoras, así como el circulo de tornillos y
empaques para que embonen en la envolvente.
Los tubos son sostenidos en su lugar al ser insertados en los orificios
practicados en los espejos y posteriormente son expandidos o soldados.
Cuando se desea evitar fugas en los barrenos de los espejos se debe utilizar
espejos dobles.
Envolventes y boquillas:
La envolvente es el recipiente del fluido externo a los tubos y las boquillas son
la entrada y la salida de él.
La envolvente esta hecha de placas de metal cortada de las dimensiones
requeridas y soldadas de manera longitudinal. La redondez de la envolvente
es fundamental para colocar las mamparas y evitar las fugas entre la
envolvente y la mampara.
La boquilla de entrada con frecuencia tiene una mampara de choque en la
entrada para dispersar el fluido alimentado a fin de evitar el golpe y la erosión
de los tubos.
De acuerdo a TEMA, se tienen seis tipos de envolventes:
Tipo E: de un solo paso
Tipo F: de dos pasos
Tipo G: llamada tipo split.
Tipo H: doble split
Tipo J: de flujo dividido
Tipo K: llamada tipo “kettle”
Tomando como base la envolvente tipo E, puede decirse que se usa la
envolvente tipo F cuando existe cruce de temperaturas y se pretende lograr una
contracorriente entre los fluidos, o bien evitar un valor bajo en el factor de
corrección de la diferencia media de temperaturas.
La envolvente tipo G de flujo aplit, presenta las mismas cualidades que la
tipo F, solo que su uso principal es en la condensación de vapores. También
puede usarse en rehervidores tipo termosifón horizontal.
La envolvente tipo H, doble split, se utiliza para reducir la caída de presión
en condensadores. Las mamparas longitudinales distribuyen el flujo a lo
largo del tubo. También es común utilizarlo en rehervidores termosifón
horizontales.
Un método alternativo para reducir la caída de presión en la envolvente, lo
proporciona la envolvente tipo J de flujo dividido. En esta envolvente el vapor
se puede alimentar por dos boquillas, o si se está vaporizando el fluido se
alimenta en forma contraria.
La envolvente tipo K, se utiliza cuando se requiere generar vapor y mantener
un nivel del líquido que se alimenta
Canales y boquillas:
Los canales y boquillas sirven para controlar el fluido que entra y sale por los
tubos del intercambiador. Generalmente el fluido más corrosivo va por el
lado de los tubos del intercambiador, por lo que los canales y boquillas se
fabrican con alguna aleación compatible con los espejos y los tubos.
Los cabezales del intercambiador son de tres tipos:
1. Espejos fijos
2. Cabezal U (tubos en U)
3. Cabezales flotantes.
Mamparas:
Las mamparas tienen tres funciones:
1. Soportar los tubos en la posición apropiada durante el ensamble y la
operación
2. Prevenir la vibración de los tubos causadas por remolinos en el flujo.
3. Guiar el fluido en la envolvente en forma trasversal al haz de tubos
aumentando la velocidad y el coeficiente de transferencia de calor
Mamparas:
El tipo más común de mamparas es la segmentada, con corte horizontal,
vertical e inclinada.
Las mamparas segmentadas son círculos de diámetro ligeramente menor que la
envolvente, con un corte segmental que puede variar del 10 al 35 %, del área de
la mampara.
El corte de la mampara es generalmente vertical en condensadores,
rehervidores, vaporizadores e intercambiadores que manejan fluidos con sólidos
en suspensión, o fluidos pesados.
CALCULO DE INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO SIN
CAMBIO DE FASE
Los diámetros de las boquillas de entrada y salida se escogen en función de
diámetro de la carcasa, de la tabla siguiente:
Tubos: Las características de los tubos usados en intercambiadores de calor
se escogen de la tabla siguiente, siendo los mas usados, los de ¾ y 1 pulgada.
Continuación
Los arreglos más comunes se describen a continuación:
Diámetro de la Carcasa:
Se determina en función del número de tubos, número de pasos y tipo de
arreglo, se puede hacer uso de las siguientes tablas:
Continuación
Continuación
Continuación
Continuación
Longitud de los Tubos:
Se utilizan longitudes estándar de 8, 12, y 16, pies, más común,
también 20 y 24 pies.
Mamparas o deflectores:
Para mejorar la turbulencia por el lado de la carcasa se utilizan
mamparas que van localizada a 1/5 a 1 diámetro de la carcasa, y lo
más común es mamparas segmentadas con del área trasversal de la
carcasa.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA EL DISEÑO TÉRMICO
HIDRAULICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CARCASA.
1. La Ecuación de Diseño de un Intercambiador de calor esta dado por
la ecuación:
2. Determinar la Diferencia de Temperaturas media
mTUAQ
El término de diferencia de temperatura, ∆Tm, es el que debe ser
aplicado más correctamente, en la mayoría de las veces es una media
logarítmica, pero debe cumplirse varias condiciones para que el
resultado deducido necesite una media logarítmica, estas son:
• El sistema debe encontrarse en régimen permanente
• El coeficiente de transferencia de calor debe ser constante a través
de todo el intercambiador.
• No debe haber cambio de fase.
Para un intercambiador de calor con flujo en contracorriente, los
perfiles de temperatura se ilustran en la siguiente gráfica:
Esta ecuación se aplica fácilmente excepto cuando las curvas son paralelas
y por tanto los incrementos de temperatura son iguales. En este caso la
diferencia media logarítmica de temperatura se vuelve simplemente una
media aritmética o un valor en cada uno de los extremos.
)/ln( ch
ch
mTT
TTTMLDT
chm TTTMLDT
Para el caso de un Intercambiador con las corrientes de flujo en paralelo,
el perfil de temperaturas sería el siguiente:
Como en este caso no se puede lograr en la corriente fría una temperatura
de salida mayor a la temperatura de salida de la corriente caliente, no es muy
frecuente el empleo de esta forma de circulación, y solo se aplica a
materiales sensibles al calor y otros materiales dónde se desea limitar la
temperatura de salida.
)/ln( ch
ch
mTT
TTTMLDT
Para un intercambiador en dónde se realiza cambio de fase, Por ejemplo: un
rehervidor de una columna de destilación, primer efecto de un evaporador
En este caso, se emplea una diferencia de temperatura media como la
indicada en el perfil de temperaturas,
En cambios de fase en dónde se tienen flujos que constituyen mezclas y no
componentes puros, los perfiles de temperatura podrían parecerse a los de la
figura siguiente:
Aquí las temperaturas de ebullición y de condensación cambian con la
concentración y con la ubicación del intercambiador. En este caso se calcula
como MLDT
)/ln(''
''
ch
ch
mTT
TTTMLDT
dónde es la diferencia
de temperaturas de rocío
y es la diferencia
entre temperaturas de
burbuja
'
hT
'
cT
3. Corregir la diferencia de temperaturas
En los intercambiadores que no pueden ser ni a contracorriente ni en paralelo
es necesario una corrección final de la media de la diferencia de temperaturas.
En estos intercambiadores por conveniencia o necesidad mecánica tienen
arreglos de flujo cruzado y flujo mezclado. Un ejemplo típico son los
intercambiadores de carcasa tipo 1-2 u otro tipo.
fMLDTTm *
y el factor f se obtiene gráficamente, en función de parámetros que se
calculan en función de las temperaturas terminales.
Nota: Para operaciones de ebullición y condensación el factor de corrección
es uno, ya que en este caso no importa el arreglo del flujo.
Además, para diseño rara vez se emplean factores de corrección menores a
0,8; más bien se vuelve a diseñar el patrón de flujo para proporcionar una
configuración más eficiente.
4. Calculo del área de transferencia y el número de tubos
Para esto asumir un Coeficiente de transferencia de calor y calcular el área
supuesta.
Se hace uso de la ecuación de diseño del punto 1, y el calor trasferido se
obtiene de un balance de entalpía.
Con el área supuesta se calcula el número de tubos, según la ecuación
TuboslosdelongitudL
longituddeunidadportubodeláreaa
uestaáreaA
TubosdeNúmeroNdondeLa
AN
s
t
s
t
sup
:
5. Con el número de tubos, el tipo de arreglo y el número de pasos
por los tubos, se determina el diámetro de la Carcasa, según la tabla
descrita.
6. Calculo del número de Mamparas
LB
LNM
L = longitud de los tubos
LB = distancia entre
mamparas
7. Calcular el área de flujo por los tubos
n
aNat
ft Nt = número de tubos
af = área de flujo por tubo (tabla de características
de los tubos
n = número de pasos
8. Calculo del número de Reynolds por los tubos
Mi
M
GD
at
MG
Re
M = flujo másico del fluido
Di = diámetro interno del tubo
µ = viscosidad del fluido
9. Calcular el convección interno, se obtiene a partir del factor jH en
función de la siguiente gráfica, en función del número de Reynolds
10. Cálculo del factor de fricción por los tubos: Con el número de Reynolds se
obtiene el factor de fricción de la siguiente figura.
11. Cálculo de caída de presión en tramos rectos
Dg
nLVfP
c
TR2
2
12. Caída de presión en los retornos de los pasos de los tubos
c
Rg
VnP
2
4 2
13. Caída de presión interna total
RTRT PPP
V = velocidad
gc = factor gravitacional
= densidad
14. Calculo del área de flujo de la carcasa
t
s
sP
LBCDa
' LB = distancia entre mamparas
Ds = diámetro interno de la carcasa
Pt = espaciamiento entre tubos
C´ = distancia entre tubos
15. Diámetro equivalente del lado de la carcasa
0
2
0 )4/(4
D
DPD T
e
0
2
0
2
42
186,0
24
D
DP
P
D
t
t
e
Para arreglo
cuadrangular
Para arreglo
triangular
También puede hacerse
usa de la Tabla siguiente
16. Obtención de jH y h0. Para valores de Re, de 2000 a 1000000 y mamparas
de corte segmentado del 25 %, los dato se la siguiente gráfica
También puede obtenerse según la siguiente ecuación
14,0
3/1
55,0
0 36,0s
r
see PGD
k
Dh
17. Calculo de caída de presión por el lado de la carcasa
22
1
ec
ss
ssDg
nDGfP
La caída de presión es proporcional
al número de cruces entre mamparas
N = número de mamparas
fs = factor de fricción por el lado de la
carcasa con mamparas de 25 % de
corte, este factor se obtiene de la
siguiente figura.
18. Calculo del coeficiente total de transferencia de calor
fii
o
ii
oi
f hD
D
hD
D
k
DDD
hhU ,
00
,00 2
)/ln(111
La resistencia térmica de los tubos puede obtenerse de la siguiente tabla
Los factores de ensuciamiento o resistencia térmica de incrustaciones en los
tubos, puede obtenerse de la siguiente tabla
kcal
Chm2
19. Calculo del área del intercambiador
TAUQ calcal
Si el área calculada es igual al área supuesta se detiene el calculo; si no
es así, se obtiene un nuevo numero de tubos, el nuevo diámetro de la
carcasa y se repite el calculo.