Intercambiadores de calor
OBJETIVO
1.- Describir los tipos básicos de Intercambiadores de
Calor,indicando sus aplicaciones principales y criterios de selección.
2.- Exponer el método de cálculo de un intercambiador de
calor,identificando la superficie de intercambio, dimensiones y configuraciones
de tubos y cascos, y pérdidas de carga.
3.- Introducción a la selección de materiales y costes de un
intercambiador de calor
INTRODUCCIÓN
Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para
enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor
a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor
se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos
fluidos.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy
variadas y reciben diferentes nombres:
• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de
calentar y enfriar dos fluidos.
• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
• Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora
proporciona el calor de reebullición que se necesita para la destilación. (Los
hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...)
• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido
CLASIFICACIÓN
1.
Dirección
relativa del flujo de los fluidos
1.1.
Flujos
paralelos: ambos fluidos fluyen en la misma dirección y abandonan el
intercambiador con temperaturas próximas una de otras. es el más económico en superficie de
transferencia
1.2.
Flujos
contrarios: los dos fluidos fluyen en direcciones opuestas. el enfriador
abandona el intercambiador a una temperatura cercana a la temperatura de
entrada del fluido más caliente. cuando se desea obtener la temperatura máxima
del fluido caliente, se usa un intercambiador de flujo contrario.
1.3.
Flujos cruzados:
un fluido fluye perpendicularmente sobre el segundo fluido (un fluido fluye por
el interior de los tubos y el segundo fluido pasa rodeandolos) . Con este tipo
de flujo pueden condensarse grandes volúmenes de vapor. Controlando las
condiciones de operación se puede extraer solamente el calor de vaporización
del fluido caliente
2.
Número de veces
que un fluido pasa a otro fluido
2.1.
pasaje simple: cada fluido pasa al otro fluido solo una
vez
2.2.
pasaje múltiple: un fluido puede ser dirigido ya sea
por diafragmas o por la disposición de los tubos que lo obligan a pasar al
segundo fluido dos o más veces antes de abandonar la unidad
3.
Trayectoria
del calor
3.1.
contacto indirecto: no permite el contacto directo
entre los dos fluidos. el calor es transmitido, de uno a otro, a través de
tubos o láminas de metal
3.2.
contacto directo: los fluidos se mezclan y abandonan la
unidad como un fluido unico
4.
Detalles
generales de construcción de los aparatos
4.1.
Tipo de
cámara y haz de tubos
4.1.1.
1º
Clasificación
4.1.1.1.
Tipo de tubos
rectos: tienen tubos rectos expandidos en las placas de tubos y dispuestos
para que seas de pasaje simple o múltiple. La dilatacion y contraccion es
permitida: anillo de dilatación de la envuelta o cámara; empleando una
construcción flotante( un extremo libre que se puede mover); instalando tubos
ligeramente curvados.
4.1.1.2.
Tipo de tubos en
U: similares a los anteriores, pero tienen una sola placa de tubos y los
tubos tienen la forma de una U, o curva de retorno. La dilatacion y contraccion
es acomodada por las curvas en U.
4.1.1.3.
Tipo de
serpentines múltiples: tubos arrollados en forma de espiral, cada extremo
de los tubos se fija al cabezal distribuidor, o placa de tubos, por medio de
juntas con uniones roscadas. Pueden lastimarse en los puntos de contacto
durante el funcionamiento. las dilataciones y contracciones son absorbidas por
los serpentines en espiral
4.1.1.4.
Tipo a película:
tubos dobles, uno dentro del otro con un fluido fluyendo entre los tubos,
mientras que el otro fluido circula dentro del tubo interior y por fuera del
tubo exterior. Siempre debe haber un huelgo suficiente entre los tubos
exteriores e interiores para un apropiado funcionamiento y evitar el desgaste
de los tubos en los puntos de contacto. La dilatación es facilitada
generalmente por medio de un cabezal flotante
4.1.1.5.
Tipo de doble
tubo: consiste en un tubo exterior dentro de otro, un fluido fluye a través
del tubo interior y el otro fluido en el espacio entre los dos tubos. El tubo
exterior sirve como cámara de la unidad. La dilatación y la contracción es
facilitada por la construcción de tubos curvados en un extremo
4.1.2.
2º
Clasificación
4.1.2.1.
Superficie lisa:
tiene las paredes lisas y suaves
4.1.2.2.
Superficie
ampliada: la transferencia de calor es aumentada por aletas radiadores,
rugosidades u otras extensiones
4.1.3.
Otras
modificacione
4.1.3.1.
Tipo tubo
achatado y tubo apuntalado: son usados en motores de combustión interna y
como enfriadores de aceite en algunas turbinas auxiliares. los tubos de estas
unidades son achatados y tienen su sección transversal de forma oblonga. Un
fluido fluye entre las superficies planas de los tubos, el otro pasa por el
interior. A este se le colocan retardadores
4.2.
Tipo a chorro:
construido en forma tal que ambos fluido penetran dentro de una única cámara y
la abandonan como un solo fluido.El tipo a chorro puede tener ya sea el fluido
más caliente, el fluido más frío, o ambos, que son introducidos dentro de la
cámara en forma de chorro
TIPOS DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Intercambiadores de
tubería doble
Consiste en un tubo pequeño que esta dentro de otro tubo
mayor, circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos.
Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de
área de transferencia son pequeños.
Las curvas características de evolución de temperaturas en
intercambiadores son:
Intercambiadores
enfriados por aire
Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de
aire, que puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener
aletas para aumentar el área de transferencia de calor .
Pueden ser de hasta 12 m de largo y anchos de 2,5 a 5 m.
La selección de un intercambiador enfriado por aire frente a
uno enfriado por agua es una cuestión económica, hay que consideran gastos de
enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la temperatura de salida
del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de temperatura de
unos 8 ºC. Con agua se obtienen diferencias menores.
Intercambiadores de
tipo placa
Llamados también intercambiadores compactos. Pueden ser de
diferentes tipos:
• Intercambiadores de tipo placa y armazón (plate-and-frame)
similares a un filtro prensa.
• Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate
fin).
Admiten una gran variedad de materiales de construcción,
tiene una elevada área de intercambio en una disposición muy compacta. Por la
construcción están limitados a presiones pequeñas.
●
Construcción de
intercambiador de calor de placas
Un intercambiador de calor de placa consiste en un número de
placas de transferencia de calor las cuales son sujetas y puestas entre placas
fijas y una placa liberadora de presión para formar una unidad completa. Cada
placa de transferencia de calor tiene un gasket el cual provee dos sistemas de
canales separados.
El arreglo de las empaquetaduras (el campo y anillo de empaquetadura) da
como resultado un flujo simple a través de los canales, entonces el medio
primario y secundario están en flujo contracorriente. El medio no puede ser
mezclado debido al diseño de las empaquetaduras.
Las placas son corrugadas lo cual crea turbulencia en los
fluidos a medida que fluye a través de la unidad. Esta turbulencia, en
asociación con la razón de volumen del medio al tamaño del intercambiador de
calor, da un coeficiente de transferencia de calor efectivo.
El marco es unido, este consiste en un marco y las placas de
presión, barras guías superior e inferior y las conexiones.
La placa final es la primera placa en ser colgada en el
marco.
Luego las placas correspondientes a las especificaciones y
son posicionados en el marco.
Los pernos de tensión son instalados y el paquete de placas
es apretado por medio de una llave de tuercas o cualquier otra herramienta
adecuada.
El intercambiador de placas se compone de un número variable
de placas, en función de la demanda de calor que se necesita cubrir. Dichas
placas presentan un diseño que permite encajar las unas con las otras formando
con su unión, los canales de fluidos necesarios para el intercambio. El
intercambiador de placas se monta encima de dos ejes, superior y otro inferior,
que une las distintas placas y las fijas con respaldos, anteriores y
posteriores en planchas de acero carbono de 2” de espesor.
De acuerdo con la disposición de las placas se forman dos
canales de flujo independientes, uno para el fluido caliente y otro para el
frío. A través de las conexiones, cada fluido circula por su canal permitiendo
el intercambio de calor, debido a la diferencia de temperaturas entre ellos.
En un ICP (intercambiador de calor de placas) las
superficies de separación de los medios consiste en un paquete, provistas de
juntas, comprimidas mediante pernos entre la placa fija y la placa móvil de un
bastidor.
Las placas pueden ser
de corrugación horizontal proporcionando canales sin puntos de contacto, aptos
para líquidos, conteniendo sólidos en suspensión o de corrugación angular con
múltiples puntos de contacto, lo que permite el trabajo a altas presiones
●
Ventajas del
intercambiador de calor de placas en relación al intercambiador convencional de
coraza y tubo
●
Altos coeficientes globales de transferencia de calor
●
Economía de costos de calentamiento
●
Alta turbulencia
●
Flexibilidad
●
Tamaño compacto
●
Peso
●
Volumen que contiene
●
Corrosión
●
Material de las
placas
• Acero inoxidable
• Titaneo
• Níquel monel
• Incaloy
• Hastelloy C
• Bronce fosforado
• Níquel cobre
• Titaneo estabilizado
El espesor de las placas varia de (0,5 – 3) (mm)
El promedio de separación entre placas va de (1,5 – 5) (mm).
Las áreas superficiales totales hasta 1500 (m2)
●
Aplicaciones
Agua/agua
●
Calefacción centralizada.
●
Enfriamiento centralizado.
●
Toma de agua caliente.
●
Calentamiento solar.
●
Calentamiento de piscinas.
●
Recuperación de calor (motor de enfriamiento)
●
Control de temperaturas para criaderos de peces.
●
Industria del acero-enfriamiento de horno.
●
Industria generadora-enfriamiento central.
●
Industria química-enfriamiento de procesos.
Agua/aceite
●
Enfriamiento de aceite hidráulico.
●
Enfriamiento de aceite para templado.
●
Enfriamiento de aceite de motor en bancos de motores de
prueba.
●
Con aceite sintético puede ser necesario gaskets
especiales.
Los intercambiadores de calor de placas pueden funcionar con
aceites teniendo viscosidades tan altas como 2.500 cp. Emulsiones que también
pueden ser usadas en intercambiadores de calor de placas y puede ser tratadas
como agua cuando las concentraciones son menores a 5%.
Agua/glicol
Cuando existe un riesgo de congelamiento, se añade glicol al
agua. Glicol tiene una diferente capacidad de calentamiento desde el agua y es
por ello que necesita de alguna manera un área de mayor transferencia de calor
para cumplir con los mismos servicios. En la otra mano, las propiedades físicas
de los varios tipos de glicol son bastantes similares.
Intercambiadores de
casco y tubo
Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la
industria química y con las consideraciones de diseño mejor definidas.
Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un
casco de mayor diámetro.
Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The
Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)
Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA
se identifica con tres letras, el diámetro en pulgadas del casco y la longitud
nominal de los tubos en pulgadas.
La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal
estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los
más comunes.
La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más
común es la E (casco de un paso) la F de dos pasos es mas complicada de
mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las perdidas de presión
en el casco. El tipo K es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre
de fraccionamiento.
La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo
posterior, los de tipo S , T y U son los más utilizados. El tipo S (cabezal
flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor que el del
casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin
contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor diámetro de casco
para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el mas
económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran variedad de tubos
en stock.
Los intercambiadores de casco y tubo de TEMA descritos a
continuación tienen la siguiente descripción de sus componentes principales:
●
INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO (tipo AES)
Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de
doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo
de apoyo. tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus
características son:
1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al
casco.
2.- Permite el desmontaje
3.- en lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.
4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso
y su separación modifican la velocidad en el casco y su perdida de carga.
5.- el flujo es contracorriente y a favor de corriente en la
mitad de los tubos.
●
INTERCAMBIADOR DE LAMINA Y TUBO FIJO (tipo BEM)
1.- Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre
ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad
dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor.
2.- Tiene junta de expansión en casco.
3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del
casco.
●
INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE EXTERIOR (tipo AEP)
Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y
puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más
mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.
●
INTERCAMBIADOR DE CABEZAL Y TUBOS INTEGRADOS (tipo CFU)
Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite
un fácil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de
sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos
.
●
REHERVIDOR DE CALDERA (tipo AKT)
Este intercambiador se caracteriza por la configuración del
casco. El conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El
vertedero a la derecha de los tubos mantiene el liquido hirviente sobre los
tubos. El vapor sale por la tobera superior y el liquido caliente sale por la
tobera inferior.
●
CONDENSADOR DE FLUJO DIVIDIDO (tipo AJW)
Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues
disminuye la pérdida de carga (en un factor de 8). Parte del intercambiador se
utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador
central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de
los tubos para enfriarse.
Diseño
El diseño completo de un intercambiador de calor, puede
descomponerse en tres fases principales:
• El análisis térmico
Se ocupa principalmente en determinar el área de superficie
necesaria para transferir calor a una velocidad especifica a determinados
niveles dados de flujo y temperatura de los fluidos
• El diseño mecánico preliminar
Considera las temperaturas de operación, las características
de corrosión de uno o ambos fluidos, las expansiones térmicas relativas y los
esfuerzos térmicos que la acompañan y la relación del cambiador de calor con
otros equipos que intervenga
• El diseño para su contrucción y montaje
Traduce las características y dimensiones físicas a una
unidad que pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la selección de
materiales, acabados y cubierta, elegir el dispositivo mecánico óptimo,
especificar los procedimientos de fabricación e instalación
Distribucion de
Temperatura
• Distribución de temperatura en un condensador de un paso
de tubos
• Distribución de temperatura en un Vaporizador de un paso
de tubos
• Distribución de temperatura enintercambiadores de calor de
flujo en cocorriente de un paso de tubos
Los Tubos
• Los tubos se fabrican en todos los metales corrientes con
un determinado diámetro exterior y un definido espesor de pared, según el
número BWG.
• Los tubos se disponen según una ordenación triangular o
rectangular (regular); cuando el lado de la carcasa tiene gran tendencia a
ensuciarse no se utiliza la disposición triangular por cuanto los espacios
entre tubos son de difícil acceso, cosa que no sucede en la disposición
cuadrada, que a su vez provoca una menor caída de presión en el lado de la
carcasa que la disposición triangular.
• Las normas TEMA especifican una distancia mínima de centro
a centro de los tubos de 1,25 veces el diámetro exterior de los mismos para la
disposición triangular y una anchura mínima de las calles de limpieza de 1/4 de
pulgada para la disposición cuadrada.
COEFICIENTE U DE
TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL
Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis
térmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el
coeficiente de transferencia térmica global entre las dos corrientes fluidas.
Sabemos que el coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido
caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared
plana
Si el coeficiente de transferencia térmica global viene
referido a la superficie exterior
Ae el valor de Ue será y Ai es Ui.
FACTOR DE SUCIEDAD
Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de
transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un
cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico;
durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases,
se van produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie
en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos,
incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros
precipitados, el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el nombre de
incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema;
normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de
suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose
únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios.
La resistencia térmica del depósito se puede determinar,
generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia. Si se realizan
ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten después de que
el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se puede determinar la
resistencia térmica del depósito (o factor de incrustación) RSuc mediante la
relación,
El coeficiente de
efectividad P
Es un indicativo de la eficiencia del intercambio térmico, y
puede variar desde 0, en el caso en que la temperatura se mantenga constante en
uno de los fluidos, a la unidad, en el caso en que la temperatura de entrada
del fluido más caliente, sea igual a la de salida del fluido más frío,
TC1 = TF2.
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