intercambiadores de calor.ppt [modo de compatibilidad]

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1 ING. CHRISTIAN VILADEGUT G. INTERCAMBIADORES DE CALOR AGOSTO 2014 INGENIERIA Y SIMULACION DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA DE HIDROCARBUROS

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Intercambiadores de Calor

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Page 1: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

1ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

AGOSTO 2014

INGENIERIA Y SIMULACION DE PROCESOS EN LAINDUSTRIA DE HIDROCARBUROS

Page 2: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

2ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

CONTENIDO

1. Consideraciones Básicas de Transferencia de Calora. Mecanismos de transferencia de calorb. Ecuación Básicac. Resistenciasd. Coeficiente Global de Transferencia de Calore. Diferencia Media Efectiva de Temperatura

2. Clasificación de Intercambiadores de Calora. Por Serviciob. Según el tipo de Construcción- Enfriadores por Aire- Doble Tubo- Intercambiadores de Placas- Intercambiadores Tubo y Coraza

Page 3: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

3ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

CONTENIDO

1. Intercambiadores Tubo y Corazaa. Terminología TEMAb. Localización de Fluidosc. Coeficientes Globales de Transferencia de Calord. Factores de Ensuciamientoe. Arreglo Carcasaf. Numero de Pases de Tubosg. Longitud y Diametro de Tubosh. Arreglo de Tubos

Page 4: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

4ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

R

CKm

R

PKq

R

VKi

El flujo de calor responde a las mismas ecuaciones que el flujode fluidos, electrones, y masa

GENERALsistencia

MotrizFuerzaKTasa

Re

FLUIDOS

CORRIENTE

MASA

Page 5: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

5ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Calor Sensible

• Calor Latente

Tcmq p

hmq

Absorcion de Calor

• Conducción• Convección• Radiación

Transferencia de calor

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 6: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

6ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Conducción

dx

dTAk

dt

dQ

Convección

21 TTAhdt

dq

Radiación

4TA

q

42

810173,0Rpiehr

btuo

bE

E

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 7: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

7ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• La transferencia de calor es un proceso que se lleva a caboimpulsado por la diferencia de temperaturas entre las partesinvolucradas.

• En un intercambiador de calor se puede definir la velocidadde transferencia de calor (Q) como una función de ladiferencia de temperaturas, el área de contacto entre losfluidos (proporcionada por el intercambiador), y el inverso delas resistencias al flujo de calor.

• En el caso de un intercambiador de calor donde los fluidosno entran en contacto directo sino que están separados (porejemplo por una pared metálica), se tiene la siguienteecuación:

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 8: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

8ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

totaltotal R

T

R

TT

A

Q

12

totalo R

U1

TAUQ o

Q Velocidad de transferencia de calor Btu/hr

Rtotal Resistencia a la transferencia de calor hr-pie2-oF/btu

Uo Coeficiente global de transferencia de calor Btu/hr-pie2-oF

A Area externa de transferencia de calor pie2

ΔT Diferencia media efectiva de temperatura oF

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 9: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

9ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

T2

T1

LIQUIDO A CALENTAR

GAS CALIENTE

RESISTENCIA FILMICA LIQUIDOENSUCIAMIENTO LIQUIDO

ESPESOR PARED

ENSUCIAMIENTO GAS

RESISTENCIA FILMICA GAS

r ↑

T2

T1

r

COEFICIENTE DE PELICULA EXTERNO ho

ENSUCIAMIENTO EXTERNO ro

CONDUCTIVIDAD TUBERIA: t, kENSUCIAMIENTO INTERNO rio

COEFICIENTE DE PELICULA EXTERNO hio

oow

w

i

oi

i

oitotal Rr

k

t

A

Ar

A

ARR

ioR ior wr

AREA INTERNA = AREA EXTERNAREFERENCIA: Ao

Consideraciones Básicas de Transferencia de CalorResistencias

Page 10: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

10ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

FpieHr

BtuUnidades

o 2:

owiooio

oowioiototalo

rrrhh

RrrrRRU

111

Resistencias

Muy Bajo Típico Muy Alto

Resistencia de Película 0,00050 0,004 0,04

(Inverso = h) -2000 -250 -25

Resistencia Esuciamiento 0,001 0,002 0,01

(Inverso = h) -1000 -500 -100

Resistencia de Pared 0,000030(32000)

0,00027 0,00049

(Inverso = h) -3760 -2030

Resistencia Total 0,00303 0,01227 0,10050

(Inverso = h) -330 -81 -10

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 11: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

11ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

PrRe,,,,,, fNuk

CVdf

k

dhckdVfh p

p

b

p

a

k

CVd

d

kAh

Los coeficientes de película por análisis dimensional→ relación entre Nu, Re,y Pr

Coeficientes Fílmicos de Transferencia

h Coeficiente fílmico, W/m2-K (Btu/h-pie2-oF)

A Constante de proporcionalidad

k Conductividad fluido, W/m-K (Btu/h-pie2-oF)

d Diametro efectivo, m (pie)

V Velocidad del fluido, m/s (pie/s)ρ Densidad, kg/m3, lbm/pie3

Cp Calor especifico, kJ/kg-K (Btu/lbm-oF)

μ Viscosidad, kg/m-s (lbm/pie-h)a Coeficiente de Reynoldsb Coeficiente de Prandtl

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 12: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

12ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Turbulencia incrementa dramaticamente los coeficientes depelicula (h’s y Uo)

• Turbulencia incrementa dramaticamente ΔP• Ensuciamiento para diferentes fluidos con base en datos y

experiencia• Resistencia de pared depende de espesor por conductividad

térmica

oiowoio

rrrhh

U

11

1TAUQ o

Coeficientes Globales (Uo)Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 13: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

13ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Coeficiente de Transferencia Limpio

woioclean

rhhU

111

Uclean >>> Uservicio

El incremento del coeficiente de transferencia reduce el árearequerida, pero los requerimientos de bombeo incrementan

Coeficientes Globales (Uo)Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 14: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

14ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

La diferencia de temperatura entre el fluido frío y el fluido calienteno es constante a lo largo de todo el intercambiador, por ello seestima un promedio que permite calcular el calor transferido.

•Si la configuración es en contracorriente o en co-corriente simple, laΔT se asume igual a la Diferencia de Temperatura Media Logarítmica(DTML)

Page 15: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

15ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

2

1

21

lnT

TTT

DTML

outout

inin

outoutinin

tT

tT

tTtT

ln

outin

inout

outininout

tT

tT

tTtT

ln

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 16: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

16ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

FDTML ococo 51

3080

ln

3080

FDTML o

coco 8,54

5060

ln

5060

100

120

140

160

180

100

120

140

160

180

Co-corriente

tin

tout

Tin

Tout

100

120

140

160

180

100

120

140

160

180

Contra-corriente

tin

tout

Tin

Tout

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Page 17: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

17ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Cuando la configuración del intercambiador tiene varios pasos, porejemplo (para los intercambiadores de tubo y carcasa), varios pasosen los tubos y/o varios pasos en la carcasa, el arreglo hace necesarioincorporar un factor de corrección (F) a la temperatura medialogarítmica calculada.

Tin

Tin

Tout

tout

F < 1

tin

tin

tout

Tout

ΔT

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

DTMLFTT

.

Page 18: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

18ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

67,0100130

160180

R

375,0100180

100130

P

965,0TF

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

FDTMLFT T 9.52.

Page 19: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

19ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

67,0100130

160180

R

375,0100180

100130

P

99,0TF

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

FDTMLFT T 3.54.

Page 20: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

20ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Depende de la configuración del intercambiador y lastemperaturas de las corrientes

• Si el valor de FT es menor a 0,8 indica que la configuraciónescogida no es la más apropiada

• Al incrementar carcasas en serie, FT →1

Tin

Tout

tout

tin

1 Carcaza,2+ Tubos

tin

2 Carcazas, 4+TUBOS

Diferencia Media Efectiva de Temperatura (ΔT)

Consideraciones Básicas de Transferencia de Calor

Tin

Tout

tout

Page 21: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

21ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Refrigerador:

En un refrigerador se enfría el fluido hasta una temperaturamenor a la obtenida con aire o agua como servicio. Para ello seemplea un refrigerante como medio de enfriamiento. Ejemplo:amoníaco, freón o propano.

Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio

Condensador:

En el condensador los vapores entrantes son convertidos total oparcialmente en líquidos con el uso de agua o aire como servicio.

Page 22: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

22ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Enfriador:

En el enfriador el fluido intercambia calor con agua o aire sin quehaya cambio de fase

Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio

Intercambiador:

Implica la transferencia de calor entre dos corrientes de proceso,una de ellas aumenta su temperatura y la otra la disminuye..

Calentador:

El calentador aumenta la temperatura del fluido sin que ocurracambio de fase, usa como servicio vapor de agua o un fluido decalentamiento. Ejemplo: aceite caliente.

Page 23: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

23ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Rehervidor (Reboiler):

Un rehervidor suministra calor latente de vaporización al fondode una columna o torre fraccionadora.

Clasificacion de Intercambiadores de CalorPor Servicio

Vaporizador:

Convierte un fluido líquido en vapor (parcial o totalmente), eltérmino se emplea para servicios distintos al agua.

Page 24: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

24ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Los intercambiadores de calor pueden ser:

Enfriadores por Aire (Air Fin).De Doble Tubo (Double pipe).De Placas (Plate and Frame).De Tubo y Carcaza (Shell and Tube).

En servicio de refinería la mayoría son de carcaza y tubo (S + T).

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 25: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

25ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Consta de un haz de tubos y de ventiladores accionados por motorque pueden ser de tiro inducido o forzado, de flujo contra corrienteo de flujo paralelo con respecto al flujo de aire.

Los tubos normalmente traen aletas circunferenciales. La temperatura de salida del proceso está limitada por la

temperatura de aire a condiciones ambientales. La temperatura de diseño de entrada del aire no debe ser excedido

por un 5% de las horas anuales, más un margen de 5°F para cubrirrecirculación de aire.

Se utilizan para enfriar las corrientes de temperatura media endonde la recuperación de calor no es práctica.

Enfriadores por Aire:

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 26: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

26ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Enfriadores por Aire:

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 27: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

27ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Enfriadores por Aire:

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 28: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

28ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Enfriadores por Aire:

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 29: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

29ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Los intercambiadores de doble tubo están constituidos por un tuboencerrado concéntricamente dentro de otro tubo.

• La transferencia de calor se lleva a cabo entre el fluido que pasa porel interior del tubo de menor diámetro y el fluido que pasa por elespacio vacío entre el tubo interior y el exterior.

• Estas unidades son de bajo costo, resistentes y se puedendesmantelar fácilmente para su limpieza, removiendo la tapacolocada en el extremo en “U” del tubo externo.

• Los intercambiadores de doble tubo son muy convenientes enaquellas aplicaciones que involucran presiones altas, debido a quesus diámetros son relativamente pequeños

De Doble Tubo

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 30: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

30ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

De Doble Tubo

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 31: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

31ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Consta de una serie de planchas (Placas) corrugadas alternadas,separadas por empacaduras que son presionadas por un marco decompresión.

Los fluidos de proceso fluyen por los lados alternos de las planchas, porlos canales que forman las superficies corrugadas.

Se logra flujo contracorriente o paralelo real.

Para ensamblar todo el conjunto de placas, éstas se colocan en unbastidor, que posee una placa fija y otra móvil

Intercambiadores de Placas

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 32: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

32ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Placas

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 33: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

33ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Es el más empleado en la industria debido a su amplio rango deaplicación en presión y temperatura.

• Sus principales cualidades son: su bajo costo, facilidad en la limpiezay que se pueden construir en diferentes tamaños, y para presionesdesde moderadas a altas sin que varíe sustancialmente el costo.

• Consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuchecilíndrico llamado carcasa.

• El arreglo de flujo es complejo, no es paralelo ni contracorriente sinouna combinación de ambos.

Intercambiadores Tubo y Coraza

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 34: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

34ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores Tubo y Coraza

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 35: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

35ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores Tubo y Coraza

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

“CHANNEL HEAD”

“CHANNELHEAD COVER”

“PASSPARTICIONBAFFLE”

“BOCALENTRADA

LADO TUBOS”

“CHANNEL HEADTUBESHEET”

“BOCALENTRADA

LADOCORAZA”

“MAZO DETUBOS”

“BAFLES”“FLOATING HEAD

TUBESHEET”

“CABEZALFLOTANTE”

“TAPA CABEZALFLOTANTE”

Page 36: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

36ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores Tubo y Coraza

Clasificacion de Intercambiadores de CalorSegún el tipo de Contrucción

Page 37: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

37ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

INTERCAMBIADORES DE CALOR TUBO YCORAZA

Page 38: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

38ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

TEMA: TUBULAR EXCHANGER MANUFACTERS ASSOCIATION

• El diseño y construcción se basa en el standard TEMA 8thEdition 1998

• Códigos suplementarios de recipientes a presión también sonutilizados (ASME).

• TEMA establece especificaciones constructivos, prueba einspección, recomendación de tamaño de tubos, coraza, bafles,espaciamiento, terminologías, configuraciones, vibraciones, etc.

• Muchos usuarios/clientes tienen especificaciones propias que losproveedores deben seguir.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA

Page 39: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

39ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Clase TEMA:

Clase R: Generalmente requerimientos severos en larefinación del petróleo y procesos relaciones.

Clase C: Requerimientos moderados en procesos de laindustria en general

Class B: Servicio de procesos químicos

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA

Page 40: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

40ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA

Page 41: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

41ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Se le da una designación de tres letras para especificar laconfiguración del intercambiador.

• Las letras dadas identifican : el tipo de terminal frontal,terminal posterior y tipo de coraza.

CorazaCabezalFrontal

CabezalPosterior

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA

Page 42: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

42ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Tipo-A : Utilizado para operaciones con el lado de tubos sucios. Defacil apertura para acceder al lado de los tubos.

• Tipo-B: Utilizado para operaciones con el lado de tubos sucios..Simples y mas económicos

B

Cabezal y tapa removible Tapa Integral Bonnet

A

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Frontales

Page 43: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

43ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Tipo C con coraza removible para fluidos peligros del lado tubos,mazos pesados o servicios que requieran de limpieza frecuente de lacoraza.

• Tipo N para fluidos peligrosos del lado de la coraza o operaciones dealta presion. Es integral con la carcaza.

• Tipo D El cabezal y la placa de tubo tienen construcción forjadaintegral. Para servicios a alta presión (por encima de 50 bar)

C N D

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Frontales

Page 44: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

44ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Tipo E: Un solo paso por coraza, a ser utilizado preferentemente(caída presión, mantenimiento, construcción)

• Tipo F: Un solo paso por coraza pero dos por el lado tubos. Conbafle separador longitudinal. Estos son difíciles de sellar con lacoraza especialmente después de mantenimientos. Se logra unflujo en contra-corriente neto.

E F

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza

Page 45: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

45ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• El tipo G y H son usados para reboilers horizontales(termosiphon) horizontales. Baja caída de presión.

• El tipo K es un reboiler tipo Kettler donde hay cambio de fase.

HG

Split flow Double split flowLongitudinal

baffles

K

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza

Page 46: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

46ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• El tipo G y H son usados para reboilers de termosiphonhorizontales. Baja presion.

• El tipo J y X se utilizan cuando no se logra alcanzar la caída depresión permitida en una configuración E.

J

HG

X

Split flow Double split flow

Cross flow

Longitudinalbaffles

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Coraza

Page 47: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

47ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Tubos Fijos (L, M, N). L es un espejo de A; M es un espejo de B)

Tubo en U

Cabezal Flotante (P, S, T, W)

• Usar tubos fijos si la temperatura es menor a 50°C, de otra manerautilizar otra configuración que permita un diferencial de expansióntérmica.

• Se pueden utilizar fuelles en la coraza que permitan la expansión,pero al ser accesorios especiales tienen limitaciones de presión (mas35 bar)

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA – Terminales Posteriores

Page 48: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

48ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

AES

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo

Page 49: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

49ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

AKT

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo

Page 50: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

50ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaTerminología TEMA - Ejemplo

Page 51: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

51ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Fluidos sucios por los tubos. Mas fácil de limpiar.

• Corrientes de alta presión por los tubos.

• Fluidos especiales por los tubos (corrosivo o consedimentos)

• Fluidos con bajo coeficiente de transferencia por la coraza,el flujo cruzado incrementa los coeficientes.

• Fluidos que condensan por la coraza

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLocalización de Fluidos

Page 52: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

52ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLocalización de Fluidos

Page 53: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

53ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Fluido enfriándose Fluidocalentándose W/m2-oC Btu/hr-

pie2-oF

Nafta Crudo 340-400 60-70Gasoil Crudo 270-330 48-58

Fondo atmosférico Crudo 150-260 26-45

Crudo reducido Crudo vaporizado 150-260 26-45

Agua Agua 850-1190 150-210Nafta Agua 390-430 68-75

Butanos Agua 240 43Fondo de vacío Agua 110-140 20-25Gasoleo pesado Agua 230 40

DEA Agua 630 110Crudo reducido Agua 160-180 29-32

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaCoeficientes Globales de Transferencia de Calor (Uo)

Page 54: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

54ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Fluido enfriándose Fluido calentándose W/m2-oC Btu/hr-pie2-oFEnfriadores de Gas

Aire Agua 70-130 13-23Gas (PM=30) Agua 220-240 38-43Gas (PM=25) Agua 310-340 55-60

CondensadoresCabecera destilación Agua 450-510 80-90

Cabecera destilación Crudo 200-260 35-45

Cabecera debutanizador Agua 510-570 90-100

Cabecera deetanizador Agua 510-640 90-113

Cabecera depentanizador Agua 620 110Vapor de agua Agua 2270-3410 400-600

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaCoeficientes Globales de Transferencia de Calor (Uo)

Page 55: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

55ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Btu

FpieHrUnidades

o 2

:Crudo

0-250oF 250-350 oFVelocidad (pie/s) Velocidad (pie/s)

< 2 2-4. >4 < 2 2-4. > 4Seco 0,003 0,002 0,002 0,003 0,002 0,002

Salado 0,003 0,002 0,002 0,005 0,004 0,004350-450 oF 450 oF >Velocidad Velocidad

< 2 2-4. >4 < 2 2-4. > 4Seco 0,004 0,003 0,003 0,005 0,004 0,004

Salado 0,006 0,005 0,005 0,007 0,006 0,006

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaFactores de Ensuciamiento

Page 56: Intercambiadores de Calor.ppt [Modo de Compatibilidad]

56ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Btu

FpieHrUnidades

o 2

:AguaTemperatura del fluido Hasta 240 oF 240 – 400 oF

Temperatura del agua 125 oF > 125 oF

Velocidad del agua Velocidad del agua

< 3 pie/s > 3 pie/s < 3 pie/s > 3 pie/s

Agua de mar 0,0005 0,0005 0,001 0,001Agua salubre 0,002 0,001 0,003 0,002

Agua de enfriamiento (tratada) 0,001 0,001 0,002 0,002

Agua de ciudad o pozo 0,001 0,001 0,002 0,002

Agua de río 0,003 0,002 0,004 0,003Condensado 0,0005 0,0005 0,001 0,001

Agua tratada de caldera 0,001 0,0005 0,001 0,001

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaFactores de Ensuciamiento

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Carcasas en Serie:

Depende del factor de corrección de temperatura FT, definidopor el cruce de temperatura (Cross Temperature)

FT > 0,8.

Incrementar el número de carcazas permite aumentar laextensión del cruce y/o el valor de FT

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo Carcasa

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Carcasas en Paralelo:

Se elije esta configuración para disminuir la máxima caída depresión admisible.

Debe minimizarse el uso de configuración en paralelo.

Depende del área de intercambio requerida

Diámetro de carcasa limitado a 48” (como maximo 60” )

Diámetro de tubos limitado a 40 pie

Peso del banco de tubos < 15 ton. AREA HASTA 6000 pie2

Ver φcarcasa vs #tubos

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo Carcasa

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• Determinado por compromiso entre U Y ΔP

• Mínimo 1 pase, máximo 8 pases

• Velocidad Liquidos: 3 – 5 pie/s (Velocidades bajasreducen la turbulencia y se pueden producir incrustaciones)

• Velocidad Gases: 50 – 100 pies/s (Velocidades bajasreducen la turbulencia y se pueden producir hidratos)

• RE > 3700• Si la velocidad no se puede cumplir en un solo paso

incrementar el numero de pasos.

# PASES ↑, V ↑ , U ↑ , Fouling ↓, ΔP ↑ , Hp ↑

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaNumero de Pases de Tubos

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• Tubos lisos. Aletas poco usual

• Disponibles en cualquier tipo de material• Longitud de tubos: 12, 16, 20 y 24 pie. 20 pie estandar• Mayor longitud reduce φcarcasa y costo. Incrementa plot area• Servicios limpios (< 0,003), φtubo = ¾”. servicios sucios

(>0,003) , φtubo = 1”.

• Aletas : A 2,5 ↑ ; Costo 3 ↑, Ensuciamiento↑

• Las aletas pequeñas nunca deben ser usadas enservicios donde la tasa de corrosión exceda 0.05 mm/año

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLongitud y Diámetro de Tubos

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• El diámetro nominal del tubo es el diámetro externo, el cual es fijo.

• El diámetro interno varía con el espesor nominal de la pared del tubo y latolerancia del espesor de pared

Servicio con Agua:

Normalmente ¾" O.D., 14 BWG para tubería de acero y ¾" O.D., 14 BWGpara tubería de cobre.

Servicio con Hidrocarburos:BWG mm plg

8 4,19 0,01659 3,76 0,148

10 3,40 0,13411 3,05 0,12012 2,77 0,10913 2,41 0,09514 2,11 0,08315 1,83 0,07216 1,65 0,06517 1,47 0,05818 1,24 0,049

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaLongitud y Diámetro de Tubos

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62ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Existen cuatro tipos de arreglos de tubos con respecto a la direccióntransversal del flujo del lado carcasa entre las puntas de los distribuidores(baffles).

Es el más usado(excepto en algunosrehervidores) debido aque cuesta menos ytransfiere más calor porunidad de área.

Para haces de tubo fijosy fluidos limpios

Cuando hay flujolaminar, se prefiere elarreglo cuadrado rotado(45°), ya que debido ala turbulencia inducidase mejora latransferencia de calor.

En casos de pérdidade presión limitada, yflujo turbulento, seprefiere el arreglocuadrado (90°).Cuando se requieralimpieza externa.

El arreglo triangularrotado (60°) es pocousado, debido a quesus características detransferencia de calorson bajas comparadacon la alta caída depresión.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo de Tubos (Tube Layout)

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LAYOUT:

SQUARE 90o

Pitch

ROT SQUARE 45o TRIANGULAR 45o

ROT TRIANGULAR 45o

Pitch:

Mas común cuando Δp lo permite

O.D TUBOS TRIANGULAR CUADRADO¾” 15/16 ---¾” 1 11” 1-1/4” 1-1/4”

1-1/2” 1-7/8” 1-7/8”> 1-1/2” 1,25 veces O.D. tubos

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaArreglo de Tubos (Pitch)

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• Los BAFLES o DEFLECTORES son utilizados para generar un flujo cruzadoe inducir un mezclado turbulento en el fluido que va por la coraza, lo cualmejora el intercambio por convección

• La trayectoria del fluido contenido en la carcaza depende del tipo yarreglo de los deflectores.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)

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65ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)

• Los tipos de deflectores más conocidos son: transversales, longitudinales yde ventana.

• Los deflectores transversales o de segmento soportan a los tubos,restringen la vibración de éstos por choque con el fluido y direccionan elflujo, en el lado de la carcaza, transversalmente al haz de tubos.

• El corte del deflector es la porción del deflector “cortada” para permitir elflujo a través del deflector. El rango de corte óptimo es de 15 a 30%, con25%. como el óptimo.

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66ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Intercambiadores de Calor Tubo y CorazaBaffles (Deflectores)

Espaciado:

• El espaciado del deflector, es el espacio longitudinal entre deflectores.

• El espaciado máximo del deflector no debe exceder al diámetro de lacarcaza y debe ser adecuado para proporcionar soporte a los tubos yprevenir la posible vibración de los mismos.

• El mínimo espaciado de deflectores, requerido para mantener una buenadistribución de flujo, es el 20% del Diámetro interno de la carcaza pero nomenor de 50 mm (2 pulg).

Orientación:

Orientación Vertical en condensación, vaporización o solidos en suspensión,Orientación Horizontal si fluidos limpios y rangos de temperatura amplios

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67ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

DISEÑO TERMICO SIMPLIFICADO

SELECCIONAR UESTIMAR LMTD Y CLMTD CON # DE CARCASAS EN SERIEY # DE PASES POR CARCASACALCULAR AREA REQUERIDA Y SELECCIONARARREGLO SERIE PARALELOSELECCIONAR AREA Y LONGITUD DE TUBOSSELECCIONAR DIAMETRO DE CARCASACALCULAR ΔP Y VERIFICAR < ΔPpermitido

VERIFICAR GEOMETRIA U CONTRA EL SUPUESTO

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68ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

Presión máxima• Coraza 300 bar (4500 psia)• Tubos 1400 bar (20000 psia)

Rango de Temperatura• Máxima 600oC (1100oF) or even 650oC• Mínima -100oC (-150oF)

Fluidos• En función al material• En función al material

Tamaño por Unidad 100 - 10000 ft2 (10 - 1000 m2)

Estas condiciones pueden ser extendidas con diseños y materialesespeciales.

Intercambiadores Tubo y Coraza

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69ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

• Intercambiadores a contracorriente puedenmanejar “approach”, “meet” y “cross”

• En general, con una sola carcasa se puedemanejar “approach” y “meet”

• El “cross” de temperatura requiere multiplescarcasas

• Intercambiadores en parelelo solo puedenmanejar “approach”

• En condensación o evaporación (una corrienteisotermica) es indiferente el flujo en paralelo ocontra corriente

tin

Tin

tout

Tout

tin

Tin

tout

Tout

tin

Tin

tout

Tout

“APPROACH”

“MEET”

“CROSS”

tin

Tin

tout

Tout

Operaciones

MinApproach =20 – 40 °F

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70ING. CHRISTIAN VILADEGUT G.

DISEÑO SIMPLIFICADO

AREA Y TIPO (DENOMINACION) TEMALOCALIZACION DE LOS FLUIDOSARREGLO Y DIAMETRO DE CARCASAS(SERIE/PARALELO). MATERIALES# DE PASES#, DIAMETRO, LARGO Y MATERIAL DE LOS TUBOS(MANTENIMIENTO)LAYOUT Y PITCH DE LOS TUBOS (MANTENIMIENTO)LAYOUT Y # DE BAFFLESCAIDA DE PRESION