, MECÁNICAS Y FRIGORÍFICAS INTERCAMBIADOR DE CALOR Ing. Carlos Barrera - 2018
Intercambiador Tubo en Tubo Hoja 2
Ventajas Manejan altas presiones Desventajas Mayor costo de fabricación Disponibles en distintos tamaños Mantenimiento sencillo Cantidad de superficie útil de intercambio de calor es fácilmente modificable Hoja 3
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INSTALACIONES TÉRMICAS Combinaciones para intercambiadores doble tubo Hoja 5
Calor a intercambiar por hora q: Flujo calórico Caudal másico fluido frío. Calor especifico fluido frío correspondiente a su temperatura promedio. Hoja 6
Caudal másico del fluido calefactor Caudal másico fluido caliente. Calor especifico fluido caliente correspondiente a su temperatura promedio. Hoja 7
CALCULO DE LA MLDT Hoja 8
TEMPERATURAS CALORICAS Si no hay fluido viscoso en ambas corrientes en el cabezal frio (viscosidad < 1 cp) y que el rango de temperatura no excede de 50º a 100º F, que corresponde a 10º a 38º C, y la diferencia de temperatura en el cabezal frío es menor de 50 ºF. Bajo estas condiciones de funcionamiento las temperaturas calóricas del fluido frío y del fluido caliente pueden tomarse como sus temperaturas promedios. Hoja 9
AREA DE FLUJO DEL TUBO INTERIOR Adoptamos un tubo interior de diámetro nominal, el cual se selecciona de tablas. Hoja 10
AREA DE FLUJO DE LA SECCION ANULAR Debemos adoptar un diámetro nominal comercial para el tubo exterior. Se sugiere respetar las siguientes relaciones de diámetros nominales entre el tubo exterior e interior Diámetro nominal tubo exterior (inch) Diámetro nominal tubo interior (inch) 2 1 ¼ 2 ½ 1 ¼ 3 2 4 3 Aa: Área de flujo de la sección anular Ai: Área de flujo del tubo interior Hoja 11
DISPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS EN LOS TUBOS DEL INTERCAMBIADOR Criterio técnico Para iguales caídas de presión admisible en ambos fluidos, la decisión de cómo se disponen los mismos en los tubos depende de que en ellos se obtenga casi iguales velocidades de masa Se sugiere que la caída de presión admisible para cada fluido sea de 5 a 10 lb/pulg2 Se recomienda colocar la corriente de fluido que tenga mayor caudal másico en el tubo interior Fluido caliente II Fluido frio I Hoja 12
Diámetro equivalente de la sección anular Velocidad de masa para el fluido caliente que circula por la sección anular Velocidad de masa del fluido caliente Caudal másico del fluido caliente Área de flujo de la sección anular Hoja 13
Velocidad de masa para el fluido frio que circula por la sección circular del tubo interior Viscosidad del fluido caliente que circula por la sección anular Hoja 14
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VISCOSIDAD DEL FLUIDO FRIO QUE CIRCULA POR LA SECCION CIRCULAR DEL TUBO INTERIOR De igual manera que la explicada para el fluido caliente Número de Reynolds para el fluido caliente Hoja 16
FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL FLUIDO CALIENTE Hoja 17
FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL FLUIDO FRIO De igual manera que para el fluido caliente. CALOR ESPECIFICO DEL FLUIDO CALIENTE Hoja 18
CALOR ESPECIFICO DEL FLUIDO FRIO De igual manera que para el fluido caliente COEFICIENTE DE CONDUCCION PARA EL FLUIDO CALIENTE Hoja 19
CONDUCTIVIDAD PARA EL FLUIDO FRIO De igual manera que para el fluido caliente NUMERO DE PRANDTL PARA EL FLUIDO CALIENTE NUMERO DE PRANDTL PARA EL FLUIDO FRIO De igual manera que para el fluido caliente Hoja 20
COEFICIENTE PELICULAR DEL FLUIDO CALIENTE Despejando ho COEFICIENTE PELICULAR DEL FLUIDO FRIO De igual manera que para el fluido caliente CORRECCION COEFICIENTE PELICULAR En un intercambiador tubo en tubo se usa la superficie exterior del tubo interior como superficie de referencia. Hoja 21
COEFICIENTE GLOBAL PARA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR LIMPIA COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO Cuando un intercambiador se encuentra en funcionamiento se producen incrustaciones en el interior y exterior de las tuberías, añadiendo resistencia térmica. Las resistencias adicionales por ensuciamiento reducen el valor de Ul o sea reducen la transmisión de calor entre los fluidos. Por esta razón se introduce una resistencia de incrustación. Rd Hoja 22
Empíricamente se ha determinado: Para lodos que se depositan dentro del tubo anualmente Para lodos que se depositan en el exterior del tubo anualmente Hoja 23
Se puede asignar una resistencia térmica de obstrucción Hoja 24
Superficie de intercambio de calor requerida Longitud de tubo útil requerida Ingresando en la tabla con el diámetro nominal del tubo interior, seleccionamos la superficie por pie lineal, exterior e interior Hoja 25
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Número de horquillas Se considera una longitud útil por cada brazo de una horquilla de 20 pies, con el objeto de que no se pandee el tubo interior y toque el tubo exterior. Entonces la longitud útil de cada horquilla será: 40 pies SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR CORREGIDA Lc: Nº horquillas*40 pies / horquilla Hoja 27
COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO CORREGIDO RESISTENCIA TERMICA POR ENSUCIAMIENTO CORREGIDA Hoja 28
DIAMETRO EQUIVALENTE PARA CALCULAR LA CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO QUE CIRCULA POR LA SECCION ANULAR : Diámetro exterior del tubo interior : Diámetro interior del tubo exterior Número de Reynolds en la sección anular Hoja 29
COEFICIENTE DE ROZAMIENTO EN LA SECCION ANULAR CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO CALIENTE Hoja 30
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CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO CALIENTE AL ENTRAR Y SALIR DE UNA SECCION ANULAR CAIDA TOTAL DE PRESION Hoja 32
COEFICIENTE DE ROZAMIENTO EN LA SECCION CIRCULAR CAIDA DE PRESION EN EL FLUIDO FRIO Hoja 33
CAIDA TOTAL DE PRESION EN EL FLUIDO FRIO Se debe comprobar que: Hoja 34
INTERCAMBIADOR DE PLACAS El intercambiador de calor de placas consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcasa y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos Hoja 35
Ventajas Generalmente desarrollados para la industria alimenticia Desventajas Limitado a temperaturas bajas y presiones bajas < 25 bar Útil donde la corrosión, sedimentación, limpieza y esterilización son prioritarias Fácil de desmantelar y limpiar Gran superficie de intercambio en un espacio reducido Hoja 36
Se fabrican por estampa en frío de una chapa metálica de espesor homogéneo. Son corrugadas para promover la turbulencia y dar rigidez mecánica para soportar la presión. Espesor de las placas: 0,5 3 mm Espaciado entre las placas: 1,5-5 mm Área de las placas: 0,03 1,5 m2 Relación ancho/largo: 2 3 Número efectivo de placas: Ntotal 2 Materiales: Acero inoxidable AISI 304, 316, Titanio, Tinconel, Hastelloy, DiabonF100 (grafito + fluoroplásticos) Hoja 37
INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL Planchas arrolladas formando dos canales espirales concéntricos Bordes de los canales cerrados alternativamente Hoja 38
Características Los fluidos se mueven en contracorriente Las mismas características para cada fluido Se disminuye la tendencia al ensuciamiento Permite gran aproximación entre las temperaturas Es compacto, requiere menos espacio que un intercambiador de tubo y coraza de igual capacidad Se fabrican en cualquier tipo de metal que pueda ser conformado en frío y soldado. Por ejemplo: acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones de níquel y titanio, etc. Aplicaciones Tratamiento de lodos, líquidos con sólidos en suspensión, amplia gama de fluidos viscosos, etc. Hoja 39
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El espacio significa dinero en cualquier planta industrial. El intercambiador de placas ocupa un área cinco veces menor que la requerida por un intercambiador de coraza y tubos. Hoja 41
ALGUNAS CONSIDERACIONES Las BASES deben ser lo suficientemente fuertes como para proporcionar apoyo permanente sin asentamiento y absorber cualquier vibración normal de causas externas. El intercambiador debe ser instalado a nivel y a escuadra de modo que las conexiones de tubería puedan hacerse sin forzarlas para reducir la posibilidad de fugas durante la operación. INSPECCIONE todas las aberturas del intercambiador antes de la instalación para determinar si hay materias extrañas. El sistema total debe ser limpiado antes de comenzar la operación. No retire los tapones y cubiertas protectoras sino hasta momentos antes de la instalación. Los principios operativos estándar son de vital importancia para evitar daños a la unidad: 1. En aplicaciones con vapor, nunca deje el vapor encendido con el lado del líquido apagado. El vapor se debe apagar primero y encender último. 2. En caso de sospecha de golpe de ariete, se debe diagnosticar y eliminar el problema, de lo contrario es posible que se ocasionen daños. Hoja 42
3. Las válvulas deben estar configuradas para abrirse y cerrarse gradualmente. Si abre y cierra las válvulas de manera repentina, el intercambiador sufrirá un choque térmico y mecánico, que puede ocasionar la fatiga de los materiales. El arranque y la parada de los equipos se deben realizar de modo que se minimice la expansión diferencial. Debe proveerse Válvulas de Desvío en ambos circuitos de la unidad para permitir la inspección o reparación periódica sin interrupción del flujo del fluido. Debe instalarse Conexiones de Prueba para introducir termómetros y manómetros cerca del intercambiador en las tuberías de entrada y salida cuando no son integrales con las boquillas del intercambiador. Deben proveerse Salidas de Ventilación para evitar que el gas bloquee la superficie de transferencia de calor con la subsecuente reducción en capacidad térmica en las unidades de condensación. Deben minimizarse las Pulsaciones de Fluido y Vibraciones Mecánicas a los intercambiadores de calor en todas las instalaciones. Para el ajuste de los pernos de las bridas se proponen algunas recomendaciones según el siguiente detalle: Hoja 43
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PUESTA EN MARCHA 1. Compruebe la limpieza del sistema para evitar el atascamiento de tubos y el pasaje de residuos a través de las partes. Se recomienda poner mallas o cedazos protectores en la tubería del intercambiador de calor. 2. Las válvulas de ventilación deben ser abiertas antes de enviar el fluido al intercambiador de calor. 3. Compruebe si todos los pernos de las bridas están apretados. 4. Comience el flujo de fluidos gradualmente introduciendo primero el fluido mas frío. Cuando el sistema esté completamente lleno y todo el aire haya sido ventilado, cierre las válvulas de ventilación. 5. Cuando se alcancen las temperaturas de operación, debe volverse a apretar los pernos y juntas con empaquetaduras para evitar fugas y fallas de éstas. Hoja 45
6. El intercambiador de calor nunca debe ser operado a presiones, temperaturas y flujos en exceso a los especificados en la placa del fabricante y la hoja de especificaciones del diseño. 7. Para intercambiadores de calor usados en servicio de vapor, puede disponerse el drenaje del condensado acumulado antes del arranque. 8. Debe tenerse sumo cuidado para evitar someter el intercambiador de calor a impacto térmico, excesivas presiones y temperaturas. Estas condiciones pueden imponer esfuerzos que resulten en la falla prematura del intercambiador de calor así como de otros componentes del sistema. Hoja 46
MANTENIMIENTO Por lo general, el intercambiador de calor no actúa en forma eficiente de acuerdo a las especificaciones, por uno o más de los siguientes factores: (1) excesiva suciedad, (2) bloqueo de aire o gas resultante de la instalación incorrecta de tubería o falta de salidas de ventilación adecuadas, (3) condiciones de operación que difieren de las condiciones del diseño, (4) mala distribución del flujo en la unidad y (5) problemas de corrosión. La inspección del equipo a intervalos regulares, puede identificar problemas potenciales antes que ocurra algún daño estructural. La inspección debe incluir un examen tanto del interior como del exterior de la unidad. No mantener todos los tubos limpios, puede resultar en restricciones severas del flujo a través de algunos tubos, lo cual podría causar esfuerzos térmicos dañinos resultando en fugas en las juntas de los tubos o daño estructural a otros componentes. Las temperaturas y presiones del fluido que ingresa y sale del equipo deben ser controladas regularmente para evaluar el funcionamiento de la unidad. Por ejemplo, un incremento en la caída de presión a través de la unidad con una correspondiente reducción en el rango de temperatura puede indicar bloqueos de vapor o gas. Hoja 47
Un ligero recubrimiento de lodo o escamas en el tubo reduce mucho la eficiencia de la transferencia de calor. Por lo tanto, los intercambiadores sujetos a lodos o escamas deben ser limpiados periódicamente. Un incremento notable en la caída de presión y/o reducción en el desempeño, generalmente indica que la limpieza es necesaria. La unidad debe ser primero inspeccionada para confirmar si hay bolsones de aire o vapor y que esto no sea la causa de la reducción de desempeño. Desarme y remueva el atado de tubos para su inspección visual y limpieza según sea necesario. El atado debe ser inspeccionado para determinar que no haya excesiva corrosión. Debe tenerse cuidado cuando se maneja el material con sedimentos y el agente de limpieza. Siga las instrucciones de manipulación del producto químico y use toda clase de protección para la vista, respiración y corporal recomendadas Hoja 48
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REMOCIÓN DE LOS TUBOS La remoción del atado de tubos requiere que la junta sea abierta primero teniendo cuidado de no dañar la superficie de la empaquetadura y luego girada o forzada hacia fuera con una palanca. Para remover un atado de tubos rectos/láminas de tubo flotantes, puede usarse los siguientes: Tramos de cables o cadenas pueden ser fijados a ojales enroscados en la lámina de tubos (Fig. A). Pueden pasarse cables a través de varios tubos si lo permite el diámetro del tubo y tirar de ellos hacia afuera. El cable debe ser pasado sobre un bloque de madera en los extremos del tubo para proteger dichos extremos de daños (Fig. B). Hoja 51
La limpieza de los intercambiadores de calor es importante para asegurar que el equipo sea eficiente. El equipo de transferencia de calor puede ser limpiado ya sea por métodos químicos o mecánicos. El método seleccionado debe ser elegido por el operador de la planta y dependerá del tipo de depósito y de las facilidades disponibles en la planta. Estos son algunos métodos sugeridos: Problema Depósitos solubles en agua Solución Lavar con agua tibia Depósitos blandos insolubles en agua Haga circular aceite caliente o destilado liviano a través del tubo y blindaje a alta velocidad y luego enjuague Lodos Si ninguno de los métodos descriptos anteriormente producen resultados, usar soluciones químicas. Escamas duras Si las escamas no ceden con los tratamientos mencionados anteriormente, se debe hacer un análisis químico Hoja 52
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PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS: Realizar siempre pruebas de presión antes de comenzar a operar el equipo, siguiendo la normativa establecida y por un tiempo mínimo de presión sostenida. Las pruebas de presión están reguladas por las normas T.E.M.A RCB-1.3 8VA. EDICION y no exceder la presión de operación. Se recomienda pintar el equipo posterior a las pruebas de presión y antes de la operación con pinturas resistentes a la corrosión y al calor. Las tuberías del sistema en general, se recomienda protegerlas contra daños externos e instalar antivibradores en la succión y descarga. Hoja 54
SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR Un ingeniero tiene una amplia variedad de intercambiadores. Por lo tanto, se deben tomar algunos criterios para una selección apropiada. Podemos mencionar: TRANSFERENCIA DE CALOR Es uno de los aspectos fundamentales para la selección de un intercambiador. Debemos lograr que el intercambiador sea capaz de transferir el calor para lograr el cambio deseado en la temperatura de un fluido COSTO Las limitaciones en el presupuesto suele desempeñar un factor importante para la selección de un intercambiador. Un intercambiador que aparece en catalogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se hacen a pedido. Hoja 55
POTENCIA PARA EL BOMBEO En un intercambiador los dos fluidos suelen circular por la acción de bombas o ventiladores. El costo anual de la electricidad asociada con la operación de las bombas y ventiladores se puede determinar de: Costo de operación= (Potencia de bombeo) * (Horas de operación) * (Precio de la electricidad) La potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los motores de las bombas y los ventiladores Las velocidades de los fluidos que se encuentran en los intercambiadores varían entre 0,7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30 m/s para los gases. Hoja 56
TAMAÑO Y PESO Generalmente, entre más pequeño y liviano es el intercambiador, mejor es. TIPO El tipo de intercambiador que se selecciona depende principalmente del tipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de la presencia de cualquier proceso de cambio de fase. MATERIALES Los materiales que se usen en la construcción del intercambiador puede constituir una consideración importante en la selección del mismo. Por ej. No es necesario considerar los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas inferiores a 150ºC. Pero si es importante tener en cuenta estos efectos por arriba de 70 atm y 500ºC Hoja 57
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BIBLIOGRAFIA Transferencia de Calor Principios de transferencia De Calor Transmisión de calor Catálogos de fabricantes KERN KREITH INCROPERA Hoja 65