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INSTALACIONES TÉRMICAS, MECÁNICAS Y FRIGORÍFICAS

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Ing. Carlos Barrera - 2018

Ing. Carlos Barrera-2018

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INSTALACIONES TÉRMICAS

MECANICAS Y FRIGORIFICAS

De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que:

a) Proporciona flujos de calor elevados en relación con su pesoy volumen.b) Es relativamente fácil de construir en una gran variedad detamaños.c) Fácil de limpiar y de reparar.d) Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamentecon cualquier aplicación.

INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBO


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En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen enla misma dirección y salen por el otro extremo.•Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sinembargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muysensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme yen procesos de ebullición.

FLUJO PARALELO

En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. Estaes la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra.

FLUJO EN CONTRACORRIENTE


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Los intercambiadores de tubo y coraza) se diseñan de acuerdo a los estándarespublicados por la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares,conocida como TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).En Europa, por lo general, se emplean las normas DIN.TEMA presenta tres estándares para la construcción mecánica, los que especificandiseño, fabricación y materiales a utilizar en los intercambiadores de tubo y carcaza.Estos son:

Clase R: Para aplicaciones en petróleo y procesos relacionados.Clase C: Para aplicaciones en procesos comerciales.Clase B: Para servicio en procesos químicos.Aplicables con las siguientes limitaciones:•• Diámetro interno de la carcaza ≤ 1.524 mm (60 in)•• Presión ≤ 207 bar (3.000 psi)•• Relación (diámetro interno carcaza)*(presión) ≤ 105.000 mm bar (60.000 in psi)La intención de cumplir con los parámetros anteriores es limitar el diámetro de lospernos utilizados en el ensamblaje del equipo y el espesor de la carcaza a 50,8mm (in), aproximadamente.


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Intercambiador de múltiples pasos

Intercambiador de tubos fijos de doble paso

Dividiendo los cabezales se consigue aumentar el número de pasos y se pueden construir equipos con 2,4,6,8 o más pasos.


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En los equipos provistos con placas longitudinales, es importante unaestanqueidad en la unión de la placa y la carcaza.Podría suceder que el fluido alcance la salida sin producir un buenintercambio de calorPara lograr un ajuste entre la carcaza y el baffle, se usan juntas de diseñoespecial.


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Intercambiador de cabezal flotante


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DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA DE TEMPERATURA

La diferencia de temperatura entre los dos fluidos, varía a lo largodel intercambiador, enfriándose el fluido caliente y calentándose elfluido frío, por lo tanto se puede adoptar como valor medio de ladiferencia de temperaturas la media logarítmica (MLDT) de losvalores en la sección de entrada y en la sección de salida delintercambiador.


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Los intercambiadores de calor empleados en la industria se los construyede varios pasos de tubos y varios pasos en coraza.En algunos casos las corrientes fluidas no son paralelas, sino normales ouna combinación de ambas.Bajo estas condiciones no se puede utilizar la diferencia media logarítmicade temperatura, sino que dicho valor debe corregirse multiplicándolo porun coeficiente “F”, el cual se obtiene gráficamente.Para obtener la Diferencia Media Efectiva de Temperatura, a la diferenciamedia logarítmica de temperatura (MLDT) calculada para corrientesparalelas o contracorriente para un intercambiador simple, debemultiplicarse por el factor de corrección “F”


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F es menor que 1 porque en algún momento el fluido que circula por los tubos lo haceen paralelo con el que circula por la coraza y no hay una buena transferencia de calor.


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CURVA DE VARIACION DE TEMPERATURA DEL FLUIDO CALIENTE YFLUIDO FRIO EN UN INTERCAMBIADOR DE CONTRACORRIENTE

A: Aumento real de temperatura del fluido frioB: Aumento teórico de temperatura del fluido frio si la superficie de intercambio de calor fuese infinita


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EFICIENCIA TERMICA DE LOS INTERCAMBIADORES

Es la relación entre la velocidad de transferencia del calor realmenteaportado por el fluido caliente al fluido frio y la máxima velocidad detransferencia de calor posible en el mismo.

El caudal de calor máximo no puede alcanzarse en la práctica, para ello senecesitaría un intercambiador de superficie infinita, a través del cualcircularan los dos fluidos en contracorriente.


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El método de la Diferencia Media Logarítmica es útil cuando se conocentodas las temperaturas de los fluidos en las entradas y salidas delintercambiador o cuando pueden calcularse con un balance energético.Bajo estas condiciones se puede determinar el Área de transferencia decalor que se necesita, el flujo de calor transferido o el coeficiente global.En algunas situaciones, se desconocen las temperaturas de los fluidos enlas salidas, por lo tanto se debe trabajar con valores al tanteo.En estos casos, se emplea el método de análisis térmico basado en laeficiencia que tiene un intercambiador de calor para transferir energía.Tal método se conoce como el de EFECTIVIDAD-NUMERO DE UNIDADESDE TRANSFERENCIA.El número de unidades de transferencia de calor en el intercambiador, secalcula:


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Expresión que nos dice que el área encerrada entre las dos curvasrepresentativas de la variación de temperatura de los fluidos esproporcional al calor intercambiado entre ellos.


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El rendimiento de los intercambiadores sueledisminuir con el tiempo debido a la acumulación dedepósitos sobre las superficies de transferencia delcalor. Las capas de incrustaciones tienen bajaconductividad térmica que los fluidos o el tubo. Lacapa de depósito representa una resistenciaadicional para esta transferencia. El efecto neto deestas acumulaciones se representa por un factor deincrustación.El tipo mas común de incrustación es laprecipitación de depósitos sólidos que seencuentran en un fluido sobre las superficies detransferencia de calor.Otra forma de incrustación, es la corrosión y laincrustación química. También existe la incrustaciónbiológica como el crecimiento de algas.El factor de incrustación depende de la temperaturade operación y de la velocidad de los fluidos, asícomo de la duración del servicio. La incrustación seincrementa al aumentar la temperatura y disminuir lavelocidad.


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RESISTENCIA TERMICA DE OBSTRUCCIÓN

Es la resistencia al paso del calor que ofrece el ensuciamiento de lasuperficie de transferencia


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RESISTENCIA TERMICA DE OBSTRUCCIÓN REQUERIDA

Se debe seleccionar el factorde resistencia térmica deobstrucción que se requiereque está en función de lostipos de fluidos que ingresan alintercambiador.


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TEMPERATURA CALORICA

Representa el valor de temperatura promedio más verdadero del fluido calientedesde que entra hasta que sale del intercambiador.

Fc: Factor de temperatura calórica

: Diferencia de temperatura en la terminal fría

:Diferencia de temperatura en la terminal caliente


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Uh: Coeficiente global de transferencia de calor en la terminal caliente

Uc: Coeficiente global de transferencia de calor en la terminal fría


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Para el fluido frío

: Temperatura calórica del fluido frío que representa el valor de temperaturapromedio verdadero del fluido frio desde que entra hasta que sale del intercambiador.

: temperatura de entrada fluido frio

: temperatura de salida fluido frio


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AREA DE FLUJO QUE CIRCULA POR EL LADO DE LA CORAZA

En un intercambiador de coraza y tubos, el ancho de la coraza y el númerode tubos tiene un máximo en el centro de la corazaLa máxima área de flujo se considera en el centro de la coraza.

Fluido Caliente


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Pt: paso entre tubosde: diámetro exterior tubosc: espacio libre entre tubosB: espaciado entre deflectores

A: área de flujo transversal del fluido caliente que circula por el lado de la coraza


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AREA DE FLUJO QUE CIRCULA POR EL INTERIOR DE LOS TUBOS

Fluido Frío

di: diámetro interior del tubo


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Diámetro equivalente para el lado de la coraza

El radio hidráulico es el“radio de un círculo cuyaárea es equivalente al áreano circular por donde circulael fluido y perpendicular a ladirección de éste.


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Viscosidad del fluido caliente

Con el tipo de fluido caliente se obtienen las coordenadas X e Y


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Con el valor de viscosidad sedetermina el Número deReynolds


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FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Fluido Caliente


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Fluido Frío


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CALOR ESPECIFICO Fluido Caliente


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Para hidrocarburos

Para el fluidofrío se procedede igual manera


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CONDUCTIVIDAD

Fluido Caliente


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Para hidrocarburos

Para el fluidofrío se procedede igual manera


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Número de Prandt para el fluido caliente y el frio

COEFICIENTE GLOBAL PARA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR LIMPIA


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COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO

cambio

= A* Nº* L

A: es la superficie de cada tuboNº: Número de tubos del intercambiadorL: largo de los tubos


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Caída de presión en los fluidos

Coeficiente de rozamiento del lado de la coraza


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Coeficiente de rozamiento del lado de los tubos


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Número de CrucesLa caída de presión a través de la coraza es proporcional al número de veces que elfluido caliente cruza el haz de tubos entre los deflectores.

L: Longitud de los tubosB: Espaciado entre deflectoresN: Número de deflectores


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CAIDA DE PRESION LADO DE LA CORAZA

f: coeficiente de rozamiento en el lado de la corazaG: velocidad de masa del fluido calienteDI: Diámetro interior de la corazaN+1: Número de crucesDe: Diámetro equivalente del lado de la corazaρ:Densidad del fluido caliente

: razón de viscosidad para el fluido caliente

Para que el valor obtenido de ΔP sea satisfactorio se debe cumplir

ΔP menor o igual 10 lb/pulg2


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CAIDA DE PRESION EN LOS TUBOS

f: coeficiente de rozamiento en los tubosG: velocidad de masa del fluido fríoL: Longitud de los tubosn: Número de pasos en los tubosdi: Diámetro interior de los tubosSi: Gravedad especifica del fluido frio

: razón de viscosidad para el fluido Frio


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CAIDA DE PRESION POR CAMBIO DE DIRECCION DEL FLUIDO EN LOS TUBOS

v: velocidad fluido frion: Número de pasos en los tubosSi: Gravedad especifica del fluido frio


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Existen básicamente dos métodos de unión entre los tubos y las placas tubulares oespejos(aunque en la mayoría de los casos ambos métodos se complementan).

•Por expansión del tubo contra el agujero de la placa.•Por soldadura.

Por expansión•Se utilizan herramientas especiales denominadas “mandriles” (véase figura), lascuales se colocan en la boca del tubo. Entre el diámetro exterior de los mismos y eldiámetro de los agujeros realizados en las placas existe un huelgo normalizado.•Una vez colocados los mandriles con la ayuda de alguna herramienta comenzamosa ajustar su vástago.•El mandril, irá clavándose cada vez mas dentro de los tubos, a medida que éste varotando, sus rolos expandirán, por rodadura, las paredes interiores de los tubos.•El huelgo entre el diámetro exterior de los tubos y las placas porta tubos irádisminuyendo paulatinamente, hasta que éste desaparece, y ambas piezas continúandeformándose por igual.

FIJACIÓN DE LOS TUBOS A LOS ESPEJOS


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•El material de los tubos es menos resistente que el de las placas porta tubos(sieste no fuera el caso se le realiza un tratamiento térmico de recocido a la punta delos tubos), sobrepasando el primero la tensión de fluencia a la compresión,mientras que el material de las placas se encuentra en el periodo de elasticidad.•Una vez terminada la operación los agujeros de la placa retornan a susdimensiones originales mientras que los tubos quedan con una deformaciónresidual, la cual elimina el huelgo original quedando fijado el tubo a la placa.


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La resistencia y estanqueidadde la unión por mandriladopuede mejorarse si se tallanranuras anulares en losagujeros de la placa antes decolocar los tubos.El material de los tubos seexpande dentro de lasranuras.


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•Existen varias maneras desoldar los tubos, alguna delas cuales se representa enla figura.•La unión por soldadura esmas estanca que la uniónpor mandrilado, pero laposibilidad de soldar lostubos a las placas dependedel material con que sehallan construido ambaspartes.

Por soldadura


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Son herramientas que puedenser neumáticas o manuales yse introducen dentro de lostubos. Constan básicamente deun motor neumático, que al seraccionado por el aireproveniente de un compresor,gira. El par del motor provocaque el brazo del limpiador conun trépano en la punta, gireloco dentro del caño a limpiar.Al chocar el trépano contra lasparedes interiores del tubodesprende las incrustacionesadheridas a las mismas.

LIMPIADORES


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BIBLIOGRAFIA

• Transferencia de Calor KERN

• Principios de transferencia De Calor KREITN

• Catálogos de fabricantes

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