Manual de Consulta Intecambiadores de Calor

MANUAL DE CONSULTA

Intercambiadores de Calor

Clayton de México, S.A. de C.V. México, D. F. www.clayton.com.mx

Clayton Industries City of Industry, Ca., U.S.A. www.claytonindustries.com

Clayton of Belgium N. V. Bornem, Belgium www.clayton.be

MCxSP/10-08 RevA

Marco Introductorio

Clayton de México, en su carácter de empresa especializada en termodinámica aplicada, sistemas y aplicaciones térmicas, hidráulicas e hidrónicas se ha constituido como un referente obligado en materia de “Criterios de Selección, Condiciones y Características” de los principales componentes de un cuarto de máquinas. En virtud de lo anterior y ante la enorme diversidad de alternativas, configuraciones y opciones, nuestra compañía a través de sus diferentes áreas de ingeniería térmica, manufactura, proyectos, aplicaciones e instalaciones especiales han logrado integrar este compendio sobre los aspectos más relevantes en materia de diseño, configuración, desempeño y aplicaciones de los principales intercambiadores de calor disponibles y vigentes en el mercado. A lo largo de este libro se analizará desde un punto de vista práctico y sintético, los tipos básicos de intercambios caloríficos, disposiciones de las corrientes, coeficientes respectivos de transferencia térmica, criterios de valoración y cálculo de transmisión de calor entre fluidos en movimiento con temperaturas variables, detallando criterios para el cálculo de superficie de intercambio y resistencia controlante, entre otros factores de notable relevancia. Se profundizará en temas críticos como la distribución y características del flujo de fluidos, ahondando en doctrinas de cálculo de intercambiadores de diversos tipos y en consecuencia derivando en los costos y las conveniencias de cada modelo. En el transcurso de esta aventura, se estudiarán las características de los principales tipos de intercambiadores de calor entre los que destacan; Intercambiadores con tubos lisos rectos, de serpentines sumergidos, con superficies extendidas, de placa, compactos, de chaquetas, de tubos en “U”, de cabezal fijo, de cabezal flotante, de doble tubo aleteados y enfriadores de cascada, entre otros. Sin más preámbulo, iniciemos este viaje al apasionante mundo del intercambio calorífico, sus condiciones, características y aplicaciones, recordando la premisa fundamental que reza;

“Ingeniería que No se Aplica, No es Ingeniería es Teoría”

Jorge M. Henríquez Gerente General para México y América Latina

Propósito

El objetivo fundamental de este libro radica en constituirse como un compendio a modo de manual de consulta dinámico y sinóptico sobre los principales conceptos, diseños, tipos, características y aplicaciones de los intercambiadores de calor más comunes en el mercado actual. Clayton de México, siempre atento a su cabal compromiso por dotar de los mejores instrumentos a nuestros clientes, asociados, distribuidores, instaladores, contratistas, ingenieros relacionados, especificadores electromecánicos e hidrosanitarios, así como a instituciones educativas y al público en general interesado en aplicaciones termodinámicas, ha integrado un compendio a modo de guía referencial de los temas más relevantes sobre intercambio calorífico. Consideramos este libro como una guía indispensable para cualquier ingeniero teórico o de campo relacionado al medio termodinámico, sus accesorios y componentes.

NOMENCLATURA

Δ P coraza

Caída de presión del lado de la coraza en un intercambiador de coraza y tubos

Δ P ideal

Caída de presión uniforme en la batería de tubos en un intercambiador de coraza y tubos

N def

Número de deflectores

k* T 1 T 2 Je

Constante del orden de 0.2 a 0.3 Temperatura de entrada en °C

Temperatura de salida en °C

Número de Jensen

NTU

Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units)

Pérdida de carga en un intercambiador de placa en kg/m 2

Δ P

Flujo másico en kg/h m 2

G

L

Longitud del canal de pasaje en m

D

Diámetro equivalente del canal de flujo en m

Densidad del fluido en kg/m 3 Constante gravitacional en m/h 2

ρ g

Re

Número de Reynolds

f

Factor de fricción

• Q

Transferencia de Calor por unidad de tiempo

A i

Área de la superficie de intercambio interior Área de la superficie de intercambio exterior

A e

r i

Radio interior Radio exterior

r e U

Coeficiente total en kcal/hora m 2 °C

U e

Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie interior

U i

U Func

Coeficiente global de transmisión de calor con el equipo funcionando

U Limpio

Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección exterior Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito Coeficiente pelicular de convección del lado interno de la superficie en kcal/hora m 2 °C

U suc

h Ci h Ce

Coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo Coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo

h ci

Coeficiente pelicular de convección del lado externo de la superficie en kcal/hora m 2 °C

h Fe

R e

Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del tubo

R i

Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del tubo

R equiv

Resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado los depósitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en m 2 °C h/kcal, basada en el área de la superficie exterior del tubo

R sucio

Resistencia térmica del depósito o factor de incrustación Coeficiente pelicular externo (enfriadores de cascada)

h

W

Caudal de masa de agua en kg/h

L

Longitud de tubo en m Diámetro externo en m Masa de agua caliente

D e

m C m F

Masa de agua fría

LMTD

Diferencia media logarítmica de temperatura

ϕ

Parámetro adimensional empleado en el cálculo de la LMTD

Cp C Cp F

Capacidad calorífica del fluido caliente

Capacidad calorífica del fluido frío

P

Coeficiente de efectividad

z

Relación de capacidades térmicas

k' e F

Seudo coeficiente de conductividad del material de la superficie

Espesor del material, metros

Factor o cociente de ensuciamiento que permite prever la resistencia adicional que ofrecerá el sarro o incrustaciones al final del periodo de actividad en kcal/hora m 2 °C

Re

Número de Reynolds Número de Prandtl

Pr

ε

Efectividad térmica

N

Número de placas

μ

Viscosidad

INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE TEMÁTICO

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

CONCEPTOS FUNDAMENTALES ............................................................................ 1 DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES................................................................... 1 TIPOS DE INTERCAMBIADORES............................................................................. 2 SERPENTINES ............................................................................................................ 4 INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS .............................................................. 4 Intercambiadores de Paso Simple .................................................................... 4 Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza .................................................. 5 Intercambiadores de Tubos en U.................................................................... 10 Intercambiadores de Cabezal Fijo .................................................................. 11 Intercambiadores de Cabezal Flotante ........................................................... 12 Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2) .................. 14 Intercambiador (2-4) ....................................................................................... 16 Intercambiador de Flujos Cruzados ................................................................ 17 INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS .................................... 18 Intercambiadores de Doble Tubo Aletado ...................................................... 18 Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados................................................. 19 Tubos Aletados Helicoidalmente .................................................................... 19

Aleta tipo “G” ....................................................................................... 19 Aleta tipo “L” ........................................................................................ 19 Aleta tipo “KL”...................................................................................... 20 Aleta tipo “LL” ...................................................................................... 20 Aleta tipo “Semi Engarzada” ............................................................... 20 Aleta tipo “Extruida”............................................................................. 20

INTERCAMBIADORES COMPACTOS EN ESPIRAL................................................ 21 Disposiciones de las Corrientes...................................................................... 23 Aplicaciones.................................................................................................... 24 INTERCAMBIADORES DE PLACA ........................................................................... 25 Construcción de los Intercambiadores............................................................ 27 1. Materiales y dimensiones de las placas.......................................... 27 2. Diseño de las placas ....................................................................... 27 3. Materiales de Juntas ....................................................................... 29 Operación de los Intercambiadores de Placas ............................................... 30 1. Distribución y características del flujo de fluidos............................. 30

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2. Flujo de fluidos y transferencia de calor .......................................... 31 3. Ensuciamiento en los equipos (fouling) ........................................... 33 4. Aplicaciones principales .................................................................. 33

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL....................................37 FACTOR DE SUCIEDAD ........................................................................................... 38 TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED ...........................40 FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD ............................................................... 43 FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES............................................................................ 46 CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO...............................................49 MÉTODO APROXIMADO DE CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO .............................................................................. 50 Concepto de Resistencia Controlante............................................................. 50 Factor de Suciedad ......................................................................................... 51 Coeficiente Total ............................................................................................. 51 Seudo coeficiente de conductividad .................................................... 52 Coeficiente de Película ................................................................................... 52

Intercambiadores de doble tubo .......................................................... 52 Intercambiadores de haz de tubos y coraza........................................ 54 Enfriadores de cascada....................................................................... 54 Recipientes enchaquetados o encamisados ....................................... 55 Intercambiadores de serpentines sumergidos..................................... 55 Líquidos en ebullición .......................................................................... 56 Condensadores ................................................................................... 57 Calentadores de gas con bancos de tubos ......................................... 57

CÁLCULO APROXIMADO DE INTERCAMBIADORES DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA ..............................................................................57 CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS...............................................61 MÉTODO DE RAJU & CHAND .................................................................................. 61 A – Método del Factor de Corrección (F t ) ....................................................... 61 B – Método de la Eficiencia de la Transferencia de Calor ( ε ) ......................... 63 MÉTODO DE HASLEGO & POLLEY ......................................................................... 64 Costos de los Intercambiadores de Placas..................................................... 67 Costos de Intercambiadores de Calor de Casco y Tubos y de Placas ........... 67

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SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR ................................................................... 68 PRIMER PASO: DEFINIR EL TIPO DE INTERCAMBIO DE CALOR ........................ 68 SEGUNDO PASO: OBTENER PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CALCULAR Q, U Y A .................................................................. 69 TERCER PASO: ELEGIR UNA CONFIGURACIÓN (TIPO DE INTERCAMBIADOR) ADECUADA ............................................................ 70 Intercambiadores de doble tubo ..................................................................... 70 Intercambiadores de haz de tubos v coraza ................................................... 71 CUARTO PASO: CONFIRMAR O MODIFICAR LA SELECCIÓN ............................. 74 RECOMENDACIONES PARA ESPECIFICARINTERCAMBIADORES DE HAZ Y CORAZA ................................................................................................... 74 REDES DE INTERCAMBIADORES. TÉCNICA DE PELLIZCO................................. 75 Significado del Término .................................................................................. 77 Base de la Técnica del Pellizco ...................................................................... 77 Usos y Limitaciones de la Técnica del Pellizco .............................................. 78 EL TUBO DE CALOR................................................................................................. 78 Principales Características de Diseño ............................................................ 79 Aplicaciones.................................................................................................... 81 INTERCAMBIADORES DE CALOR CLAYTON ...................................................... 83 MATERIAL.................................................................................................................. 83 INFORMACIÓN DISPONIBLE ................................................................................... 83 SOPORTERÍA Y MONTAJE ...................................................................................... 84 INTERCAMBIADORES IC – 6.................................................................................... 85 INTERCAMBIADORES IC – 8.................................................................................... 87 INTERCAMBIADORES IC – 10.................................................................................. 89 INTERCAMBIADORES IA – 6.................................................................................... 91 INTERCAMBIADORES IA – 8.................................................................................... 93 INTERCAMBIADORES IA – 10.................................................................................. 95 INTERCAMBIADORES DE SUCCIÓN....................................................................... 97 APÉNDICE................................................................................................................ 99 COEFICIENTES DE ENSUCIAMIENTO.................................................................. 101 COEFICIENTES TÍPICOS GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” ............................. 102 COEFICIENTES INDIVIDUALES DE PELÍCULA “h” ............................................... 102 COEFICIENTES GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” – INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO .............................................................. 103 DATOS DE COEFICIENTE GLOBAL “U” – PARA INDUSTRIA DE DESTILACIÓN DE PETRÓLEO E INDUSTRIA PETROQUÍMICA .................... 103

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INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1. Esquema de Corrientes de Flujo....................................................................................................1 2. Esquema de Corrientes de Flujo a Contracorrientes y Corrientes Paralelas ................................2 3. Esquema de Corrientes de Flujo a Corrientes Cruzadas ..............................................................2 4. Intercambiador Simple de Tubos Concéntricos .............................................................................4 5. Intercambiador de Doble Tubo.......................................................................................................4 6. Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) con Mezcla de Fluidos ..................................................6 7. Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) sin Mezcla de uno de los Fluidos..................................7 8. Distribución de Temperaturas en: a) condensadores de un paso de tubos ......................................................................................7 b) vaporizadores de un paso de tubos ........................................................................................7 c) intercambiadores de calor de flujos en equicorriente y de un paso de tubos .........................7 9. Disposición del Haz de Tubos........................................................................................................7 10. Pantallas utilizadas en los Intercambiadores de Coraza y Tubos .................................................9 11. Intercambiador de Tubos en “U” ..................................................................................................10 12. Intercambiador de Cabezal Fijo ...................................................................................................11 13. Intercambiador de Cabezal Flotante ............................................................................................12 14. Intercambiador de Cabezal Flotante de Empaquetadura ............................................................12 15. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (1-2), Función de la Disposición de las Tuberías ..................................................................................15 16. Intercambiador de Carcasa y Tubos (1-2) ...................................................................................15 17. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (2-4) ...........................................................16 18. Intercambiador de Carcasa y Tubos (2-4) ...................................................................................16 19. Modelos de Intercambiadores......................................................................................................16 20. Intercambiadores de Flujos Cruzados .........................................................................................17 21. Disposición Geométrica de las Aletas en un Tubo ......................................................................18 22. Aleta tipo G...................................................................................................................................19 23. Aleta tipo L ...................................................................................................................................19 24. Aleta tipo KL .................................................................................................................................20 25. Aleta tipo LL .................................................................................................................................20 26. Aleta tipo Semi-Engarzada ..........................................................................................................20 27. Aleta tipo Extruida ........................................................................................................................20 28. Intercambiador Compacto en Espiral...........................................................................................21 29. Intercambiador de Placa en Espiral .............................................................................................22 30. Detalle de Intercambiador de Placa en Espiral ............................................................................22 31. Comparación de Espacio ocupado por un Intercambiador de Placa en Espiral y Casco y Tubos ...............................................................................................22 32. Intercambiador con Tapas Bridadas ............................................................................................22 33. Intercambiador de Placa en Espiral con Disposición a Contracorriente......................................23 34. Variantes de Arreglos de Corrientes en un Intercambiador.........................................................24

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35. Intercambiador de Placas con Juntas..........................................................................................26 36. PHE Armado ................................................................................................................................26 37. Selección Precisa de la Placa en un Intercambiador de Placas .................................................29 38. Placas Dobles para Prevención de Mezclas de Fluidos..............................................................30 39. Disposición Multilfujo ...................................................................................................................31 40. Arreglos de Flujo en PHE ............................................................................................................32 41. Transmisión de Calor entre la Cámara de Combustión y el Agua de un Caldera con Incrustaciones Calcáreas ........................................................................................38 42. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores de Calor con Flujos en Contracorriente y de un solo Paso de Tubos...............................................................41 43A .- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..................................................................................................46 43B .- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador (1-3), con Dos de los Pasos en Contracorriente...........................................................................................46 43C .- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador en Contracorriente (2-4), y un Múltiplo Par de Pasos de Tubos .......................................................46 43D .- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador (3-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..........................................................................................47 43E .- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (4-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..........................................................................................47 43F .- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (6-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..................................................................................................47 43G .- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Paso de Tubos .............................................................................................................................48 43H .- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de Ambos Fluidos y un Paso de Tubos ...........................................................................48 43I .- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ......................................................................................................48 43J .- Factor de Corrección de La LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ......................................................................................................49 44. Diagrama Calor-Temperatura para el Sistema............................................................................68 45. Diagrama Calor-Temperatura para Zonas Parciales...................................................................69 46. Redes de Intercambiadores, Técnica del Pellizco.......................................................................75 47. Tubo de Calor ..............................................................................................................................79

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INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1. Materiales de Juntas para Intercambiadores de Placas ..............................................................29 2. Guía de Selección de Intercambiadores de Placas .....................................................................35 3. Tabla Comparativa de PHE vs. Carcasa y Tubos .......................................................................36 4. Factores de Resistencia por Ensuciamiento................................................................................39 5. Factores de Ensuciamiento para PHE.........................................................................................40 6. Rango de Factor de Ensuciamiento por Sustancia......................................................................51 7. Valores de Coeficiente Pelicular para Líquidos Comunes...........................................................52 8. Área Transversal de Flujo y Superficie para Tubos Calibre 16 BWG..........................................59 9. Diámetro de Tubo Externo en un Intercambiador de Contracorriente.........................................71 10. Propiedades de Algunos Fluidos de Trabajo usados en Tubos de Calor....................................80

INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE GRÁFICAS

GRÁFICA 1. Cálculo del valor de k’ ..................................................................................................................52 2. Factor de Corrección para Velocidades de Flujo distintas de 0.91 mps......................................53 3. Factor de Corrección para Diámetros distintos de 1” ..................................................................53 4. U para Agua o Soluciones Acuosas Hirviendo, Calentadas con Vapor ......................................56 5. Cantidad de Tubos a través del Casco........................................................................................58 6. Corrección de Espacio entre Bafles.............................................................................................58 7. Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 0.25 < NTU < 2.0 .........................65 8. Coeficiente de Convección para Hidrocarburos, 0.25 < NTU < 2.0.............................................65 9. Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 2.0 < NTU < 4.0 ...........................66 10. Coeficiente de Convección para Hidrocarburos, 2.0 < NTU < 4.0...............................................67

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Intercambiadores de Calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTRODUCCIÓN En un proyecto de ingeniería de equipamiento térmico son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, por lo que habrá que conjugar ambas adecuadamente. El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero esto a su vez implica un costo mayor, tanto de tipo económico, como energético. Dentro del grupo de intercambiadores de calor existen cantidad, entre ellos están los clásicos formados por la coraza y tubos, y otros como son por ejemplo los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc. Si bien, el funcionamiento de los intercambiadores de calor es de lo más común, se debe aclarar que estos son diseñados de acuerdo a las necesidades de cada proceso, y es precisamente donde radica su complejidad. Antes de entrar en el tema, se darán algunas definiciones. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Un intercambiador se puede definir de modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Un esquema de intercambiador de calor sumamente primitivo puede ser el siguiente:

FIGURA 1

T 1F y T 2F = temperaturas de entrada y salida del fluido frío T 1C y T 2C = temperaturas de entrada y salida del fluido caliente

DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES En el esquema anterior se tiene una situación que se ha dado en llamar “contracorriente” o “corrientes opuestas”. En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de “corrientes paralelas” o “equicorrientes”.

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CONTRACORRIENTE

- FIGURA 2 -

CORRIENTES PARALELAS

También se presenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en ángulo recto. En ese caso se habla de “corrientes cruzadas”. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con líquidos, como se ve en el siguiente esquema.

FIGURA 3

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes. Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje energía en cualquiera de sus formas. Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en la industria, que su diseño ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas ideadas y aceptadas por TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association) que especifican con detalle los materiales, métodos de construcción, técnicas de diseño y sus dimensiones. Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. En ciertas ramas de la industria se han desarrollado intercambiadores muy especializados para ciertas aplicaciones puntuales. Tratar todos los tipos sería imposible, por la cantidad y variedad de ellos que se puede encontrar.

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Intercambiadores de Serpentines Sumergidos Los intercambiadores de serpentín se usan en casos en que no hay tiempo o dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácilmente removibles y transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. El rendimiento del intercambio es bueno y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza interior generalmente no es problema, ya que la aplicación más frecuente es para calentamiento, generalmente con vapor. El vapor no ensucia, pero es bastante corrosivo. Intercambiadores con Tubos Lisos Rectos Los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más abundantes. La causa de su generalización es su mayor flexibilidad. Pueden ser de doble tubo o de haz de tubos y coraza. Más adelante se describen con mayor detalle. Intercambiadores con Superficies Extendidas Después de los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más frecuentes. Existen muchos medios para aumentar la superficie de intercambio; el usado más a menudo son las aletas. Estas pueden ser transversales o longitudinales, según que el plano de las aletas sea normal al eje central del tubo o pase por el mismo. Intercambiadores Compactos Los intercambiadores compactos han sido desarrollados para servicios muy específicos y no son habituales. Existen muchísimos diseños distintos, para los que no hay ninguna metodología general. Cada fabricante tiene sus diseños y métodos de cálculo propios. Para imaginar un intercambiador compacto suponga tener una corriente de gas a elevada temperatura (> 1000 °C) que se desea intercambie calor con aire a temperatura normal. El espacio es sumamente escaso, por lo que se compra un intercambiador construido horadando orificios en un cubo de grafito. Los orificios (tubos en realidad, practicados en la masa de grafito) corren entre dos caras opuestas de modo que existe la posibilidad de agregar una tercera corriente. El cálculo de este intercambiador es relativamente simple. Otras geometrías más complejas requieren métodos de cálculo muy elaborados. Intercambiadores de Placa Un intercambiador de placa consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Se trata de equipos muy fáciles de desarmar para su limpieza. En la disposición más simple hay sólo dos corrientes circulando, y su cálculo es relativamente sencillo. Chaquetas Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. El propósito de este equipo generalmente es calentar el contenido del recipiente. Son bastante menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resultan bastante difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la camisa es complicado. En comparación con los serpentines, las camisas son una pobre elección. Un serpentín de la misma superficie tiene un intercambio de calor bastante mayor, alrededor de un 125% calculado en base a la camisa.

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Enfriadores de cascada Estos equipos consisten en bancos de tubos horizontales, dispuestos en un plano vertical, con agua que cae resbalando en forma de cortina sobre los tubos formando una película. Se pueden construir con tubos de cualquier tamaño pero son comunes de 2 a 4" de diámetro. Constituyen un método barato, fácil de improvisar pero de baja eficiencia para enfriar líquidos o gases con agua que puede ser sucia, o cualquier líquido frío. SERPENTINES Un intercambiador de serpentín es un simple tubo que se dobla en forma helicoidal y se sumerge en el líquido. Se usa normalmente para tanques y puede operar por convección natural o forzada. Debido a su bajo costo y rápida construcción se improvisa fácilmente con materiales abundantes en cualquier taller de mantenimiento. Usualmente se emplea tubería lisa de 3/4 a 2 pulgadas. INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS Los intercambiadores más habituales son, como se dijo, los que usan tubos. Estos comprenden a los serpentines, intercambiadores de doble tubo y los intercambiadores de tubo y coraza. Se describirá brevemente cada uno de ellos, y se discutirán los usos y aplicaciones de cada uno. Intercambiadores de Paso Simple El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.

FIGURA 4. INTERCAMBIADOR SIMPLE DE TUBOS CONCÉNTRICOS

El intercambiador de doble tubo es el tipo más simple que se puede encontrar de tubos rectos. Básicamente consiste en dos tubos concéntricos, lisos o aletados. Normalmente el fluido frío se coloca en el espacio anular, y el fluido caliente va en el interior del tubo interno. La disposición geométrica es la siguiente:

FIGURA 5

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El intercambiador está formado por varias unidades como las mostradas en el esquema. Cada una de ellas se llama "horquilla" y se arma con tubo roscado o bridado común y corriente. Las uniones también pueden ser soldadas, pero esto no es habitual pues dificulta el armado y desarmado para su limpieza. El flujo en este tipo y similares por lo general es a contracorriente pura, excepto cuando hay caudales grandes que demandan un arreglo en serie-paralelo. El flujo en contracorriente pura resulta en hasta un 20% más de intercambio comparado con el arreglo en equicorrientes de modo que si se manejan corrientes pequeñas este equipo es el mejor, y también el más económico. Las longitudes de horquilla máximas son del orden de 5.5 a 6.1 metros (18 a 20 ft). Si se usan largos no soportados mayores, el tubo interno se dobla y distorsiona el espacio anular, causando mala distribución del flujo en el mismo debido a su excentricidad y disminuyendo el coeficiente global. Algunas de sus ventajas son: ¾ Son flexibles, fáciles de armar y mantener. ¾ La cantidad de superficie útil de intercambio es fácil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operación, simplemente conectando más horquillas o anulándolas; desconectarlas lleva minutos. Algunas de sus aplicaciones son: cuando un fluido es un gas, o un líquido viscoso, o su caudal es pequeño, mientras el otro es un líquido de baja viscosidad, o con alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento 1 , con Iodos sedimentables o sólidos o alquitranes por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza química o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operación. Son bastante comunes en procesos frigoríficos. En una variante del intercambiador de doble tubo, intermedia entre estos y los intercambiadores de haz de tubos y coraza, se reemplaza el tubo interior único por una cantidad pequeña de tubos finos. Esto se hace para aumentar la superficie de intercambio y la velocidad lineal en el espacio de la coraza, lo que a su vez aumenta también el intercambio de calor. Las diferencias entre estos intercambiadores y los de haz de tubos y coraza son las siguientes. 1) En los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples lo mismo pueden estar más cerca unos de otros que en los de haz de tubos y coraza. En los intercambiadores de haz de tubos y coraza la relación (espaciado de tubos) / (diámetro de tubos internos) normalmente es del orden de 1.25 a 1.5, mientras que en los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples esta relación puede ser menor de 1.25. 2) El largo no soportado de tubos admisible en el tipo horquilla no es tan grande como en los de tipo casco y tubos, debido a la ausencia de bafles y estructuras auxiliares de soporte. Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza El intercambiador más sencillo que consta de dos tubos concéntricos, no es adecuado cuando el gasto másico es elevado. Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de los tubos que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico el construirlos formando un conjunto de tubos ubicados en un haz, rodeados por un tubo de gran diámetro ¾ Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller. ¾ No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento. ¾ Los repuestos son fácilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo.

1 Más adelante se explicará ampliamente éste término.

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denominado coraza; éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la coraza y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 1-1. Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales mucho mayores de lo que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descritos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor. De este modo los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, están contenidos en la coraza. En la siguiente ilustración se ve un intercambiador de haz de tubos y coraza. A este intercambiador se lo denomina tipo 1-1, por tener un solo paso por la coraza y por los tubos. De tener dos pasos por los tubos y uno por la coraza se llamaría tipo 2-1.

FIGURA 6. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) CON MEZCLA DE DOS FLUIDOS

En este tipo de intercambiador, uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluido se ve forzado a circular entre la coraza y la parte exterior de los tubos, normalmente a ellos. Cuando las temperaturas T C del fluido del lado caliente y T F del fluido del lado frío son variables de un punto a otro, a medida que el calor va pasando del fluido más caliente al más frío, la velocidad de intercambio térmico entre los fluidos también variará a lo largo del intercambiador, porque su valor depende, en cada sección, de la diferencia de temperaturas entre los fluidos caliente y frío. En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente. Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor. En un intercambiador en contracorriente, los coeficientes de transmisión de calor del lado de la coraza y del lado de los tubos deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes para obtener un coeficiente global satisfactorio. La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la coraza son tan importantes como las del líquido del lado de los tubos. Para evitar el debilitamiento de las placas tubulares es preciso mantener una distancia mínima entre los tubos, por lo que no resulta práctico colocar los tubos tan juntos que la sección libre para el flujo del fluido por el exterior de los tubos sea tan pequeña, como la del interior de los mismos.

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FIGURA 7. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) SIN MEZCLA DE UNO DE LOS FLUIDOS

FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN: a) CONDENSADORES DE UN PASO DE TUBOS; b) VAPORIZADORES DE UN PASO DE TUBOS c) INTERCAMBIADORES DE CALOR DE FLUJOS EN EQUICORRIENTE Y DE UN PASO DE TUBOS

Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del lado de la coraza es menor que la del lado de los tubos; por esta razón se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la sección de flujo del líquido del lado de la coraza y obligarlo a circular en dirección cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor más elevado en flujo cruzado Figura 8c, que en circulación paralela a los tubos, Figura 8a. El flujo pasa perpendicularmente a los tubos, circulando hacia abajo en la primera sección, hacia arriba en la segunda, y así sucesivamente; la turbulencia adicional que se crea mediante este tipo de flujo aumenta el coeficiente de transmisión de calor del lado de la coraza. Las disposiciones del haz se pueden observar en el siguiente esquema.

FIGURA 9. DISPOSICIÓN DEL HAZ DE TUBOS

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Las pantallas, (placas deflectoras), son discos circulares de una plancha metálica a los que se ha cortado, para estos intercambiadores, un cierto segmento circular, Figura 8c, de forma que la altura de este segmento sea igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza, por lo que las placas deflectoras así obtenidas se denominan placas del 25%, viniendo perforadas para recibir los tubos; para evitar fugas, o hacer que estas sean mínimas, las holguras entre las placas y la coraza, y entre las placas y los tubos deben ser pequeñas. Este tipo de construcción resulta práctico solamente para corazas pequeñas. 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 (tresbolillo) o rectangular (regular); cuando el lado de la coraza 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 coraza 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. La coraza tiene un diámetro normalizado; la distancia o espaciado entre placas no debe ser menor de 1/5 del diámetro de la coraza ni mayor que el diámetro interior de la misma. Los tubos se unen a la placa tubular acanalando los orificios y acampanando en su interior los extremos de los tubos mediante un mandril cónico rotatorio que fuerza al metal del tubo más allá de su límite elástico, de forma que el metal se introduce en las acanaladuras; en los intercambiadores que van a trabajar a presiones elevadas, los tubos se sueldan a la placa tubular.

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FIGURA 10. PANTALLAS UTILIZADAS EN LOS INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBOS

En general, el intercambiador de calor de coraza y tubos tiene unas placas (cabezales) en donde se fijan los tubos por ambos extremos, mediante soldadura u otro tipo de fijación; este tipo de construcción tiene un bajo costo inicial, pero sólo se puede utilizar para diferencias pequeñas de temperatura entre el fluido caliente y el frío, puesto que no se ha hecho ninguna previsión para evitar las tensiones mecánicas de origen térmico debidas a la dilatación entre los tubos y la coraza. Otra desventaja consiste en que el montaje del haz de tubos no se puede desmontar para su limpieza; estos inconvenientes se solucionan fácilmente haciendo que una de las placas de tubos esté fija, mientras que la otra se sujeta mediante pernos a un cabezal flotante que permite el movimiento relativo entre el haz de tubos y la coraza; la placa de tubos flotante está sujeta con mordazas entre la cabeza flotante y unas bridas, de modo que es posible retirar el haz de tubos para su limpieza. La caída de presión en el lado de la coraza Δ P coraza para una distribución de tubos con deflectores, se puede estimar por la ecuación de Delaware, como suma de las siguientes aportaciones: ¾ Caída de presión en las secciones de entrada y salida ¾ Caída de presión asociada a las secciones interiores delimitadas por los deflectores ¾ Caída de presión asociada con el cortocircuito y las fugas ( ) ideal coraza Δ Ndef 1 P k * Δ P + = (1) En la que Δ P ideal es la caída de presión uniforme en la batería de tubos, N def es el número de deflectores y k* una constante del orden de 0.2 a 0.3 que indica que la caída de presión real es sólo un 20% a un 30% de la que se obtendría en la misma batería de tubos si el flujo fuese uniforme. Existen tres tipos básicos de intercambiadores de haz de tubos y coraza. Dentro de cada uno de ellos hay numerosos subtipos diseñados para circunstancias de operación específicas. Los tres tipos básicos son: ¾ Tubos en U ¾ De cabezal fijo ¾ De cabezal flotante

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Intercambiadores de Tubos en U Los intercambiadores de tubos en U tienen los tubos del haz doblados formando una U para evitar una de las dos placas de tubos, que al separar el espacio del fluido de la coraza del espacio del fluido de tubos ofrece un punto débil en la unión de los tubos con la placa que puede ser causa de fugas. Además, los tubos en U presentan cambios de dirección más graduales, porque la curva que forman en el extremo es muy abierta, lo que ofrece menor resistencia al flujo. El siguiente croquis muestra un típico intercambiador de tubos en U.

FIGURA 11

Los números en cada círculo identifican las partes principales del equipo, cuyo significado se aclara más adelante. Es uno de los tipos de intercambiador más usados. Los servicios en los que se pueden usar son los siguientes: ¾ Servicio limpio, ninguna corriente ensucia. ¾ Presión extrema en un lado. Por ejemplo, del lado del casco. ¾ Condiciones de temperatura que causan severos esfuerzos térmicos, particularmente cambios repetitivos o de inversión cíclica de temperatura que requieren aliviarse por expansión. El haz en U se expande libremente, evitando así elevados esfuerzos de corte en el cabezal. ¾ A veces para servicios con hidrógeno a presiones extremas (síntesis de amoníaco, por ejemplo) usando una construcción totalmente soldada con haz no removible. Este tipo de servicio prácticamente no ensucia. ¾ Para permitir localizar la boca de entrada de coraza lejos del haz de tubos. Esto a veces es necesario cuando la velocidad del fluido de casco es demasiado alta, lo que puede causar vibraciones destructivas en el haz de tubos. Problemas con este tipo de intercambiador: ¾ La limpieza mecánica del interior del haz es dificultosa si se produce ensuciamiento en el sector recto, y a menudo imposible si se produce en las curvas. ¾ La limpieza mecánica del exterior del haz es muy difícil en el sector curvo. ¾ Es imposible tener contracorriente pura (un paso en los tubos, un paso en la coraza) con la disposición en U que por naturaleza debe tener al menos dos pasos en los tubos. ¾ Los tubos no son fáciles de cambiar, y a veces no se pueden cambiar de ninguna manera. Si un tubo no se puede cambiar, habrá que cerrarlo. Si se espera que haya daño en los tubos, habrá que prever un exceso razonable de cantidad de tubos para cubrir la posible disminución de número de tubos debido a tubos clausurados.

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