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PROYECTO DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR TUBULAR INDUSTRIAL AGUA PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes PROYECTO FIN DE CARRERA: DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR TUBULAR INDUSTRIAL AGUA - ACEITE JESÚS ESTEBAN FUERTES Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 1 CARRERA: DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR TUBULAR ACEITE JESÚS ESTEBAN FUERTES ÍNDICE 1. Introducción ................................ 2. Objetivo del proyecto ................................ 2.1. Industrial ................................ 2.2. Económico ................................ 2.3. Laboral ................................ 3. Fundamentos de transferencia de calor 3.1. Conducción ................................ 3.2. Convección ................................ 3.3. Radiación ................................ 4. Antecedentes ................................ 4.1. ¿Qué es un intercambiador? 4.2. Principales aplicaciones de un intercambiador de calor 4.2.1. Precalentador ................................ 4.2.2. Radiador ................................ 4.2.3. Aire acon dicionado, evaporador y condensador 4.2.4. Condensadores de vapor 4.3. Clasificación de los intercambiadores de calor 4.3.1. De acuerdo al proceso de transferencia 4.3.1.1. De contacto directo 4.3.1.2. De contacto indirecto 4.3.2. De acuerdo a los mecanismos de transferencia de calor 4.3.3. De acuerdo al número de fluidos involucrados 4.3.4. De acuerdo a la disposición de los fluidos 4.3.4.1. Intercambiadores de calor de paso único 4.3.4.2. Intercambiadores de calor de pasos múltiples 4.3.5. De acuerdo al tipo de construcción PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ............................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ Fundamentos de transferencia de calor ................................ ............................... ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ intercambiador? ................................ ................................ Principales aplicaciones de un intercambiador de calor .............................. ................................ ................................ ........................... ................................ ................................ ................................ dicionado, evaporador y condensador ................................ Condensadores de vapor ................................ ................................ Clasificación de los intercambiadores de calor ................................ De acuerdo al proceso de transferencia ................................ .................... De contacto directo ................................ ................................ De contacto indirecto ................................ ................................ De acuerdo a los mecanismos de transferencia de calor .......................... De acuerdo al número de fluidos involucrados ................................ De acuerdo a la disposición de los fluidos ................................ Intercambiadores de calor de paso único ................................ Intercambiadores de calor de pasos múltiples ................................ De acuerdo al tipo de construcción ................................ ........................... Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 2 ................................ .......... 5 ............................ 6 ................................ ....... 6 ................................ .... 6 ................................ ......... 6 ............................... 7 ................................ ... 8 ................................ ... 9 ................................ ... 10 ................................ ..... 11 ................................ ...... 11 .............................. 12 ........................... 12 ................................ ... 14 ................................ ....... 14 ................................ .......... 15 ................................ ........... 17 .................... 17 ................................ .............. 17 ................................ ........... 17 .......................... 17 ................................ .......... 18 ................................ ................ 18 ................................ ............ 18 ................................ ..... 19 ........................... 19 4.3.5.1. Intercambiadores de dob 4.3.5.2. Intercambiadores de Tubo y Carcasa ó de Tubo y Coraza 4.3.5.3. Intercambiadores enfriados por aire y radiadores 4.3.5.4. Intercambiadores de placas 4.3.5.5. Intercambiadores en espiral 4.3.5.6. Otros tipos de intercambiadores 5. Intercambiadores de carcasa y tubos 5.1. Normativa ................................ 5.2. Clasificación de los intercambiadores de tubos según norma TEMA. 5.3. Partes de un intercambiador de carcasa y tubos 5.3.1. Tubos y banco de tubos 5.3.2. Placa tubular ................................ 5.3.3. Deflectores ................................ 5.3.4. Carcasa ................................ 5.3.5. Canales del lado de los tubos y boquillas 5.3.6. Cubiertas de canal 5.3.7. Bridas ................................ 5.3.8. Conexiones ................................ 6. Calculo de intercambiadores 6.1. Planteamiento del problema 6.2. Parámetros de diseño 6.3. Métodos de cálculo generales 6.3.1. Selección de un conjunto de parámetros de diseño 6.3.2. Cálculo térmico (transferencia de calor) 6.3.3. Ensuciamiento y consecuencias en el diseño: 6.3.4. Caída de presión 6.4. Métodos de cálculo para el coeficiente de transfe 6.4.1. El método Donohue (1949) PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Intercambiadores de dob le tubo................................ ........................... Intercambiadores de Tubo y Carcasa ó de Tubo y Coraza Intercambiadores enfriados por aire y radiadores ................................ Intercambiadores de placas ................................ ................................ Intercambiadores en espiral ................................ ................................ Otros tipos de intercambiadores ................................ .......................... Intercambiadores de carcasa y tubos ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ Clasificación de los intercambiadores de tubos según norma TEMA. Partes de un intercambiador de carcasa y tubos ................................ y banco de tubos ................................ ................................ ................................ ................................ ............................. ................................ ................................ ............................... ................................ ................................ ................................ lado de los tubos y boquillas ................................ Cubiertas de canal ................................................................ .................... ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ............................... intercambiadores ................................ ................................ Planteamiento del problema ................................ ................................ Parámetros de diseño ................................ ................................ Métodos de cálculo generales ................................ ................................ Selección de un conjunto de parámetros de diseño ................................ Cálculo térmico (transferencia de calor) ................................ .................... Ensuciamiento y consecuencias en el diseño: ................................ Caída de presión ................................................................ ...................... Métodos de cálculo para el coeficiente de transfe rencia en la carcasa El método Donohue (1949) ................................ ................................ Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 3 ........................... 19 Intercambiadores de Tubo y Carcasa ó de Tubo y Coraza .................. 21 ................................ 22 ................................ . 24 ................................ . 26 .......................... 26 ................................ . 30 ................................ ... 30 Clasificación de los intercambiadores de tubos según norma TEMA. ......... 33 ................................ ........ 35 ................................ ............ 35 ............................. 38 ............................... 39 ................................ .... 41 ................................ ................. 41 .................... 41 ................................ ....... 42 ............................... 42 ................................ .............. 44 ................................ ....... 44 ................................ ................. 45 ................................ .... 47 ................................ .. 47 .................... 49 ................................ .......... 51 ...................... 53 rencia en la carcasa ....... 55 ................................ ....... 55 6.4.2. Método Tinker ................................ 6.4.3. El mé todo Kern (1950) 6.4.4. Método de Bell- Delaware 6.5. Determinación del flujo de los fluidos 6.6. Rendimiento de intercambiadores de calor 6.7. Descripción del cálculo 6.7.1. Introducción de datos 6.7.2. Salida de datos ................................ 6.7.3. Proceso detallado de las operaciones realizadas 6.7.4. Nomenclatura ................................ 6.8. Validación de la herramienta 7. Conclusiones ................................ 8. Bibliografía ................................ PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes ................................ ................................ ........................... todo Kern (1950) ................................ ................................ Delaware ................................ ................................ Determinación del flujo de los fluidos ................................ .......................... Rendimiento de intercambiadores de calor ................................ Descripción del cálculo ................................ ................................ Introducción de datos ................................ ................................ ................................ ................................ ......................... Proceso detallado de las operaciones realizadas ................................ ................................ ................................ ........................... Validación de la herramienta ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ ................................ Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 4 ........................... 56 ................................ .............. 57 ................................ .......... 58 .......................... 60 ................................ ................. 62 ................................ ............... 62 ................................ ................ 62 ......................... 65 ................................ ..... 66 ........................... 82 ................................ ...... 85 ................................ ...... 86 ................................ ......... 87 1. INTRODUCCIÓN La temperatura de un decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía. Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante los mecanismos de conducción y de convec intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el entorno. La transferencia de calor es de gran importancia en los procesos industriales. A veces, tratamos de ace reducirla al mínimo. Las leyes fundamentales de la transferencia de calor son igualmente aplicables en ambos casos. El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación. La conducción del calor i nvolucra la transferencia de energía de una molécula a otra. La convección del calor, es la transferencia que ocurre cuando el fluido se mueve sobre una superficie recibiendo o entregando calor. La radiación es un fenómeno que involucra la energía térmica PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes INTRODUCCIÓN cuerpo que está más caliente que su entorno tiende a decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía. Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante los mecanismos de conducción y de convec ción, en los que la magnitud del intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el La transferencia de calor es de gran importancia en los procesos industriales. A veces, tratamos de ace lerar la transferencia de calor, e n otros casos, tratamos de reducirla al mínimo. Las leyes fundamentales de la transferencia de calor son igualmente aplicables en ambos casos. El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación. La nvolucra la transferencia de energía de una molécula a otra. La convección del calor, es la transferencia que ocurre cuando el fluido se mueve sobre una superficie recibiendo o entregando calor. La radiación es un fenómeno que involucra la energía térmica irradiada por un cuerpo. Figura.01 Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 5 cuerpo que está más caliente que su entorno tiende a decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía. Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante ción, en los que la magnitud del intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el La transferencia de calor es de gran importancia en los procesos industriales. A n otros casos, tratamos de reducirla al mínimo. Las leyes fundamentales de la transferencia de calor son El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación. La nvolucra la transferencia de energía de una molécula a otra. La convección del calor, es la transferencia que ocurre cuando el fluido se mueve sobre una superficie recibiendo o entregando calor. La radiación es un fenómeno 2. OBJETIVO DEL PROYECT El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un programa de cálculo de dimensionado de intercambiadores de calor de coraza y tubos diseño con el fin de integrarlos en que se dedica a la fabricación de sistemas de engrase y lubricación 2.1. INDUSTRIAL El objetivo industrial de este proyecto es la incorporación de la fabricación de intercambiadores de calor tubulares dentro del sistema de empresa con el fin de incluir nuevos productos dentro de su oferta al mercado. 2.2. ECONÓMICO El objetivo de todo proyecto es obtener un beneficio económico de él. En este caso, el objetivo del proyecto es la fabricación propia de intercamb para reducir sus costes respecto a otros tipos que podemos encontrar en el mercado. 2.3. LABORAL Ya como un objetivo más particular dentro de la empresa, la incorporación de la fabricación de estos productos permitirá la creación de nuevos puestos de así como el aumento de trabajo para otros puestos. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes OBJETIVO DEL PROYECT O El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un programa de cálculo de intercambiadores de calor de coraza y tubos diseño con el fin de integrarlos en el proceso de fabricación de la empresa Nortek que se dedica a la fabricación de sistemas de engrase y lubricación . INDUSTRIAL El objetivo industrial de este proyecto es la incorporación de la fabricación de intercambiadores de calor tubulares dentro del sistema de fabricación de la empresa con el fin de incluir nuevos productos dentro de su oferta al mercado. ECONÓMICO El objetivo de todo proyecto es obtener un beneficio económico de él. En este caso, el objetivo del proyecto es la fabricación propia de intercamb para reducir sus costes respecto a otros tipos que podemos encontrar en el Ya como un objetivo más particular dentro de la empresa, la incorporación de la fabricación de estos productos permitirá la creación de nuevos puestos de así como el aumento de trabajo para otros puestos. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 6 El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un programa de cálculo de intercambiadores de calor de coraza y tubos , así como su fabricación de la empresa Nortek , . El objetivo industrial de este proyecto es la incorporación de la fabricación de fabricación de la empresa con el fin de incluir nuevos productos dentro de su oferta al mercado. El objetivo de todo proyecto es obtener un beneficio económico de él. En este caso, el objetivo del proyecto es la fabricación propia de intercamb iadores para reducir sus costes respecto a otros tipos que podemos encontrar en el Ya como un objetivo más particular dentro de la empresa, la incorporación de la fabricación de estos productos permitirá la creación de nuevos puestos de trabajo, 3. FUNDAMENTOS DE TRANS CALOR La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos de conducción, convección transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a vece como un tipo de convección. La transferencia de calor es de particular interés para los ingenieros, quienes intentan comprender y controlar el flujo de calor a través de los aislamientos térmicos, intercambiadores de calor A continuación vamos a definir alguno de los términos imprescindibles para hablar de transferencia de calor: • Calor: transferencia de energía térmica (es decir, de energía y entropía). Ocurre siempre desde un material caliente a uno más frío. La transferencia de calor puede cambiar la energía int • Energía interna : los que están compuestos los materiales por el hecho de esta continuamente (excepto en el caso de que estos se encontrasen en el absoluto y, entonces, estarían totalmente inmóviles). • Conducción : transferencia de calor por difusión electrones. • Convección: tran movimiento, como un fluido. • Radiación: transferencia de calor por radiación electromagnética o, equi valentemente, por fotones. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes FUNDAMENTOS DE TRANS FERENCIA DE La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos convección , radiación o cualquier combinación de ellos. La transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a vece como un tipo de convección. La transferencia de calor es de particular interés para los ingenieros, quienes intentan comprender y controlar el flujo de calor a través de los aislamientos intercambiadores de calor , y otros dispositivos. A continuación vamos a definir alguno de los términos imprescindibles para hablar de transferencia de calor: transferencia de energía térmica (es decir, de energía y entropía). Ocurre siempre desde un material caliente a uno más frío. La transferencia de calor puede cambiar la energía int erna de los materiales. : la energía que poseen todas las moléculas y electrones de los que están compuestos los materiales por el hecho de esta continuamente (excepto en el caso de que estos se encontrasen en el y, entonces, estarían totalmente inmóviles). : transferencia de calor por difusión o vibración de los tran sferencia de calor por conducción en un medio en movimiento, como un fluido. transferencia de calor por radiación electromagnética o, valentemente, por fotones. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 7 FERENCIA DE La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos o cualquier combinación de ellos. La transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a vece s se considera La transferencia de calor es de particular interés para los ingenieros, quienes intentan comprender y controlar el flujo de calor a través de los aislamientos A continuación vamos a definir alguno de los términos imprescindibles para hablar transferencia de energía térmica (es decir, de energía y entropía). Ocurre siempre desde un material caliente a uno más frío. La transferencia la energía que poseen todas las moléculas y electrones de los que están compuestos los materiales por el hecho de esta r vibrando continuamente (excepto en el caso de que estos se encontrasen en el cero o vibración de los sferencia de calor por conducción en un medio en transferencia de calor por radiación electromagnética o, 3.1. CONDUCCIÓN La conducción es la transferencia de calor desde una región de alta temperatura a una región de temperatura más baja a través de comunicación molecular directa en el interior de un medio o entre medios en contacto físico directo sin flujo del medio materia l. La transferencia de energía puede ser, en primera instancia, por impacto elástico como en un fluido; por difusión libre de electrones como predomina en los materiales, o por vibraciones de electrones como predomina en los aisladores. En otras palabras, el calor es transferido por conducción cuando átomos adyacentes vibran unos contra otros, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es mayor en sólidos, cuando los átomos están en contacto constante. En líquidos (excepto cuando s moléculas están aleatoriamente separadas, dándole una menor oportunidad a estas el chocar y el transferir la energía térmica. Los metales (por ejemplo el cobre) son usualmente los mejores energía térmica, e sto es debido a la manera químicamente. L os enlaces metálicos (a diferencia del del enlace iónico ) tienen electrones en movimiento libre y forman una estructura cristalina, ayu dando, en gran medida, a la transferencia de energía térmica. Los fluidos (líquidos y gases) no son típicamente buenos conductores gran distancia entre átomos hay menos conducción. A medida conducción. La conductividad de los gases aumenta con la temperatura pero solo levemente a presiones cercanas o por encima de la atmosférica. Para cuantificar la facilidad con la cual un medio en particular ingenieros emplean la conductividad térmica, conocida también como conductividad o coeficiente de conducción, Se define k como "la cantidad de calor, Q, transferida en un tiempo t, a través de una longitud L, en una dirección perpendicular a una superficie de área A, debido a una diferencia de temperatura PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes CONDUCCIÓN La conducción es la transferencia de calor desde una región de alta temperatura a una región de temperatura más baja a través de comunicación molecular directa en el interior de un medio o entre medios en contacto físico directo sin flujo del medio l. La transferencia de energía puede ser, en primera instancia, por impacto elástico como en un fluido; por difusión libre de electrones como predomina en los vibraciones de electrones como predomina en los aisladores. En el calor es transferido por conducción cuando átomos adyacentes vibran unos contra otros, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es mayor en sólidos, cuando los átomos están en contacto constante. En líquidos (excepto cuando s on líquidos metálicos) y gases, las moléculas están aleatoriamente separadas, dándole una menor oportunidad a estas el chocar y el transferir la energía térmica. Los metales (por ejemplo el cobre) son usualmente los mejores sto es debido a la manera en la que están enlazados os enlaces metálicos (a diferencia del enlace covalente ) tienen electrones en movimiento libre y forman una estructura dando, en gran medida, a la transferencia de energía térmica. Los fluidos (líquidos y gases) no son típicamente buenos conductores gran distancia entre átomos . En los gases como hay menores colisiones de átomos hay menos conducción. A medida que la densidad disminuye también conducción. La conductividad de los gases aumenta con la temperatura pero solo levemente a presiones cercanas o por encima de la atmosférica. Para cuantificar la facilidad con la cual un medio en particular conduce el calor, los conductividad térmica, conocida también como coeficiente de conducción, k. como "la cantidad de calor, Q, transferida en un tiempo t, a través de L, en una dirección perpendicular a una superficie de área A, debido a una diferencia de temperatura ∆T [...]." La conductividad t érmica es una propiedad Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 8 La conducción es la transferencia de calor desde una región de alta temperatura a una región de temperatura más baja a través de comunicación molecular directa en el interior de un medio o entre medios en contacto físico directo sin flujo del medio l. La transferencia de energía puede ser, en primera instancia, por impacto elástico como en un fluido; por difusión libre de electrones como predomina en los vibraciones de electrones como predomina en los aisladores. En el calor es transferido por conducción cuando átomos adyacentes vibran unos contra otros, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es mayor en sólidos, cuando los átomos están en contacto on líquidos metálicos) y gases, las moléculas están aleatoriamente separadas, dándole una menor oportunidad a estas Los metales (por ejemplo el cobre) son usualmente los mejores conductores de están enlazados enlace covalente o ) tienen electrones en movimiento libre y forman una estructura dando, en gran medida, a la transferencia de energía térmica. Los fluidos (líquidos y gases) no son típicamente buenos conductores , debido a la menores colisiones de átomos que la densidad disminuye también disminuye la conducción. La conductividad de los gases aumenta con la temperatura pero solo conduce el calor, los conductividad térmica, conocida también como constante de como "la cantidad de calor, Q, transferida en un tiempo t, a través de L, en una dirección perpendicular a una superficie de área A, debido a érmica es una propiedad de los materiales que es primordialmente dependiente de la fase del medio, la temperatura, la densida d y la interacción molecular. Un tubo de calor es un dispositivo pasivo que se construye de manera que actúe como si tuviera conductividad térmica extremadamente alta. 3.2. CONVECCIÓN La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partículas calientes hacia áreas más frías en un medio material. A diferencia de fluido e n movimiento está adicionalmente envuelto en la convección. Este movimiento ocurre en fluidos estos, las partículas mantiene permite el movimiento o el flujo en masa de las mismas, y por lo tanto la conexión no puede ocurrir. La convección sucede en dos formas: convección natural y convección forzada. • En la convección natural, se vuelve menos denso y se eleva. Entonces en los alrededores, el fluido más frío se mueve para remplazarlo. Este fluido frío continúa, formando la convección. La fuerza impulsora natural es la flotabilidad, como resultado de las diferencias en la densidad del fluido cuando la gravedad o cualquier otro tipo de aceleración está presente en el sistema. • La convección forzada, en contraste, ocurre cuando bombas, venti otros mecanismos son usados para impulsar el fluido y crear una convección artificialmente inducida. En algunos sistemas de transferencia de calor, tanto la convección forzada como la natural contribuyen significativamente al índice de transfere PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes de los materiales que es primordialmente dependiente de la fase del medio, la d y la interacción molecular. Un tubo de calor es un dispositivo pasivo que se construye de manera que actúe como si tuviera conductividad térmica extremadamente alta. CONVECCIÓN La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partículas calientes hacia áreas más frías en un medio material. A diferencia de la conducción pura, n movimiento está adicionalmente envuelto en la convección. Este fluidos o en el interior de ellos, pero no en sólidos. porque en estos, las partículas mantiene n su posición relativa hasta tal punto que no se permite el movimiento o el flujo en masa de las mismas, y por lo tanto la conexión La convección sucede en dos formas: convección natural y convección forzada. convección natural, el fluido circula alrededor de una fuente de calor, se vuelve menos denso y se eleva. Entonces en los alrededores, el fluido más frío se mueve para remplazarlo. Este fluido frío se calienta continúa, formando la convección. La fuerza impulsora de la convección natural es la flotabilidad, como resultado de las diferencias en la densidad del fluido cuando la gravedad o cualquier otro tipo de aceleración está presente en el sistema. convección forzada, en contraste, ocurre cuando bombas, venti otros mecanismos son usados para impulsar el fluido y crear una convección artificialmente inducida. En algunos sistemas de transferencia de calor, tanto la convección forzada como la natural contribuyen significativamente al índice de transfere ncia de calor. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 9 de los materiales que es primordialmente dependiente de la fase del medio, la Un tubo de calor es un dispositivo pasivo que se construye de manera que actúe La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partículas calientes conducción pura, el n movimiento está adicionalmente envuelto en la convección. Este pero no en sólidos. porque en n su posición relativa hasta tal punto que no se permite el movimiento o el flujo en masa de las mismas, y por lo tanto la conexión La convección sucede en dos formas: convección natural y convección forzada. el fluido circula alrededor de una fuente de calor, se vuelve menos denso y se eleva. Entonces en los alrededores, el fluido se calienta y el proceso de la convección natural es la flotabilidad, como resultado de las diferencias en la densidad del fluido cuando la gravedad o cualquier otro tipo de aceleración está convección forzada, en contraste, ocurre cuando bombas, venti ladores u otros mecanismos son usados para impulsar el fluido y crear una En algunos sistemas de transferencia de calor, tanto la convección forzada como la ncia de calor. denomina de un solo paso. agua y el área donde se c se colocan los tubos. Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos con el agua de enfriamiento. Si s e acumulan gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá, mientras que la temperatura de la saturación se incrementará. Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, reduciendo así el área superficial para la transferenci superficial también puede ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reducción en la superficie una reducción en el flu jo del agua de enfriamiento. Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva incrementará la dificultad de mantener el vacío del condensador. La temperatura y el caudal del agua de enfr controla la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de la saturación (vacío) del condensador. Figura.03 Condensador de paso simple o de un solo paso. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes denomina de un solo paso. La separación entre las áreas de las cavidades con agua y el área donde se c ondensa el vapor, se realiza mediante una tapa en la cual Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos con el agua de e acumulan gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá, mientras que la temperatura de la saturación se incrementará. Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, reduciendo así el área superficial para la transferenci a térmica del condensador. Esta área superficial también puede ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reducción en la superficie de l intercambio térmico tiene el mismo efecto que jo del agua de enfriamiento. Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva incrementará la dificultad de mantener el La temperatura y el caudal del agua de enfr iamiento que pasa por el condensador controla la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de la saturación (vacío) del condensador. Condensador de paso simple o de un solo paso. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 16 La separación entre las áreas de las cavidades con ondensa el vapor, se realiza mediante una tapa en la cual Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos con el agua de e acumulan gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá, Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, reduciendo a térmica del condensador. Esta área superficial también puede ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los l intercambio térmico tiene el mismo efecto que Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva incrementará la dificultad de mantener el iamiento que pasa por el condensador controla la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de Condensador de paso simple o de un solo paso. 4.3. CLASIFICACIÓN DE LOS DE CALOR 4.3.1. De a cuerdo al 4.3.1.1. De En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácil mente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural 4.3.1.2. De En este tipo de intercambiadores, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cu equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo intermitencia en el flujo de calor es posible tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fr pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores 4.3.2. De a cuerdo a los calor Los mecanismos básicos de t son: • Convección en una sola fase, forzada o libre. • Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación ó ebullición. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES cuerdo al proceso de t ransferencia De contacto directo En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión mente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural . De contacto indirecto intercambiadores, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cu ando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fr ía a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o recuperadores , éstos son los más usados a nivel industrial cuerdo a los mecanismos de t ransferencia de Los mecanismos básicos de t ransferencia de calor entre un fluido y una superficie Convección en una sola fase, forzada o libre. Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación ó ebullición. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 17 INTERCAMBIADORES ransferencia En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión mente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo intercambiadores, las corrientes permanecen separadas y la una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es ando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo regenerador . La debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo ía a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o son los más usados a nivel industrial ransferencia de ransferencia de calor entre un fluido y una superficie Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación ó ebullición. • Una combinación de convección y radiación. Cualquiera de estos mecanis a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Convección monofásica de un lado y bifásica del ot evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, etc. 4.3.3. De a cuerdo al La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire amonio, etc. 4.3.4. De a cuerdo a la 4.3.4.1. Intercambiadores de Se distinguen tres tipos básicos: • Flujo en p aralelo o corriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensiona Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la misma efectivid intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el inicio de la nucleación. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Una combinación de convección y radiación. Cualquiera de estos mecanis mos o una combinación de ellos puede a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Convección monofásica de un lado y bifásica del ot ro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, etc. cuerdo al número de fluidos inv olucrados La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire - helio, síntesis de cuerdo a la disposición de los f luidos Intercambiadores de calor de paso ú nico Se distinguen tres tipos básicos: aralelo o corriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensiona Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la misma efectivid ad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el inicio de la Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 18 mos o una combinación de ellos puede n estar activos a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. ro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel importante en olucrados La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos helio, síntesis de luidos nico aralelo o corriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensiona les Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme; cuando se ad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el inicio de la • Flujo en c ontracorriente o direcciones opuestas el uno del otro. Las variaci idealizadas como unidimensionales Esta es la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra. • Flujo c ruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son Termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores. 4.3.4.2. Intercambiadores de Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del in tercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelo contracorrienteparalelo, contracorriente 4.3.5. De a cuerdo al De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a describir algunos de los más importantes y más usados a nivel industrial 4.3.5.1. Intercambiadores de doble tubo Este es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya c onstrucción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil. La tubería interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a través de una conexión localizada en la parte externa del intercambiador. Las “T” tienen conexiones que permiten la e cruce de una sección a la otra a través de un cabezal de retorno. La tubería interior PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes ontracorriente o c ontraflujo: En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. Las variaci ones de temperatura son idealizadas como unidimensionales Esta es la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra. ruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales. Termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las Intercambiadores de calor de pasos m Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del tercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelo paralelo, contracorriente - cruzado y combinaciones de éstos. cuerdo al tipo de construcción De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a describir algunos de los más importantes y más usados a nivel industrial Intercambiadores de doble tubo Este es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un tipo de onstrucción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil. La tubería interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a través de una conexión localizada en la parte externa del intercambiador. Las “T” tienen conexiones que permiten la e ntrada y salida del fluido que circula por el ánulo y el cruce de una sección a la otra a través de un cabezal de retorno. La tubería interior Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 19 ontraflujo: En este tipo los fluidos fluyen en ones de temperatura son idealizadas como unidimensionales Esta es la disposición de flujo ruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al idealizadas como bidimensionales. Termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las m últiples Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del tercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelo -cruzado, cruzado y combinaciones de éstos. De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a describir algunos de los más importantes y más usados a nivel industrial Este es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un tipo de onstrucción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil. La tubería interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a través de una conexión localizada en la parte externa del intercambiador. Las “T” tienen ntrada y salida del fluido que circula por el ánulo y el cruce de una sección a la otra a través de un cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en “U” que generalmente se encuentra expuesta al ambiente y que no proporciona s Estos equipos son sumamente útiles, ya que se pueden fabricar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar transferencia de calor a un costo muy bajo. Ge longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, en donde longitud efectiva se define como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor, excluyendo la conexión en “U” del tubo interno y sus prolongaciones. Cuando emplean en longitudes mayores de 20 pies, el tubo interior tiende a pandear, lo que se origina una mala distribución de flujo en el ánulo. Figura.0 La principal desventaja del uso de este tip superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran número de éstos conectados en serie, lo que necesariamente involucra físico en la planta. Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza periódica son prohibitivos comparados con otro tipo de equipos. No obstante estos intercambiadores encu la superficie total de transferencia requerida es pequeña. Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeñas, estas unidades son diseñadas para operar con altas presiones; además, los intercambi PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes se conecta mediante una conexión en “U” que generalmente se encuentra expuesta y que no proporciona s uperficie efectiva de transferencia de calor. Estos equipos son sumamente útiles, ya que se pueden fabricar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar figura.02 obteniendo así superficies de transferencia de calor a un costo muy bajo. Ge neralmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, en donde longitud efectiva se define como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor, excluyendo la conexión en “U” del tubo interno y sus prolongaciones. Cuando estos equipos se emplean en longitudes mayores de 20 pies, el tubo interior tiende a pandear, lo que se origina una mala distribución de flujo en el ánulo. Figura.0 4. Intercambiador de calor de doble tubo. La principal desventaja del uso de este tip o de intercambiador radica en la pequeña superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran número de éstos conectados en serie, lo que necesariamente involucra una gran cantidad de espacio Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza periódica son prohibitivos comparados con otro tipo de equipos. No obstante estos intercambiadores encu entran su mayor utilidad cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña. Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeñas, estas unidades son diseñadas para operar con altas presiones; además, los intercambi Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 20 se conecta mediante una conexión en “U” que generalmente se encuentra expuesta uperficie efectiva de transferencia de calor. Estos equipos son sumamente útiles, ya que se pueden fabricar en cualquier taller obteniendo así superficies de neralmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, en donde longitud efectiva se define como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor, excluyendo la estos equipos se emplean en longitudes mayores de 20 pies, el tubo interior tiende a pandear, lo que o de intercambiador radica en la pequeña superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran número de éstos una gran cantidad de espacio Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza periódica son prohibitivos comparados con otro tipo de entran su mayor utilidad cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña. Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeñas, estas unidades son diseñadas para operar con altas presiones; además, los intercambi adores de doble tubo tienen la ventaja de la estandarización de sus componentes y de una construcción modular 4.3.5.2. Intercambiadores de Tubo y Carca Coraza De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las refin erías y plantas químicas en general debido a que: • Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. • Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. • Es bastante fácil de limpiar y de reparar. • Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación. Figura.0 Este tipo de equipo Figura.02 arreglo de tubos paralelo al eje longitudinal de la tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos atraviesan a su vez una serie de láminas denominadas distribuidas a lo largo de toda la carca flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes tubo tienen la ventaja de la estandarización de sus componentes y de una Intercambiadores de Tubo y Carca s a ó de Tubo y Coraza De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las erías y plantas químicas en general debido a que: Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. Es bastante fácil de limpiar y de reparar. puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier Figura.0 5 Intercambiador de tubo y carcasa. Figura.02 consiste en una carcas a cilíndrica que contiene un paralelo al eje longitudinal de la carcas a. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos atraviesan a su vez una serie de láminas denominadas deflectores distribuidas a lo largo de toda la carca s a, sirven para soportar los tubos flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 21 tubo tienen la ventaja de la estandarización de sus componentes y de una a ó de Tubo y De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier a cilíndrica que contiene un a. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos deflectores que al ser a, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por Hay dos tipo s básicos de intercambiadores de tubo y carca tubos estacionario, que tiene los dos extremos de los tubos fijos a la carca que tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza. En el primer caso, se requiere de una junt a de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo. En el segundo caso los problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente de U en el extremo que no está sujeto. 4.3.5.3. Intercambiadores enfriados por aire y radiadores Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, ac enfriar el fluido que va por dentro de los intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos. Figura.0 PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes s básicos de intercambiadores de tubo y carca s a: El de tipo fijo o de tubos estacionario, que tiene los dos extremos de los tubos fijos a la carca que tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza. En el primer caso, se a de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo. En el segundo caso los problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente dentro de la coraza o empleando tubos en forma de U en el extremo que no está sujeto. Intercambiadores enfriados por aire y radiadores Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, ac túa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos. Comúnmente se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos. Figura.0 6.Intercambiador de Flujo Cruzado Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 22 a: El de tipo fijo o de tubos estacionario, que tiene los dos extremos de los tubos fijos a la carca sa, y el que tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza. En el primer caso, se a de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo. En el segundo caso los problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos dentro de la coraza o empleando tubos en forma Intercambiadores enfriados por aire y radiadores Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar túa como medio refrigerante para condensar y/o Comúnmente se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo al soplar o succionar aire a través del haz mediante grandes ventiladores. D que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual que los tubos posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor del lado del aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran colocadas en arreglo escalonado con el fin de pequeña versión de estos intercambiadores son los radiadores usados en los sistemas de enfriamiento de los vehículos y en las unidades de aire acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de áreas residenc tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio aún en días c no se congele dentro de los tubos en invierno. El aire en vez del agua, podría parecer una elección obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas. Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en comparación con el agua, la que posee una conductividad térmica cerca de 23 veces mayor que el aire a 35 °C; el calor específico del agua es cuatro veces más grande y su densidad, comparada con la del aire a presión y temperatura atmosférica es unas 800 veces mayor. En conse cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad de aire, aproximadamente 4 veces más en masa y 3200 en volumen. Como conclusión, a menos que el agua sea inasequible, la elección entre agua y aire como refrige depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisión. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que ampliar el sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en cuanto a los refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo al soplar o succionar aire a través del haz mediante grandes ventiladores. D que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual que los tubos posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor del lado del aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran colocadas en arreglo con el fin de incrementar los coeficientes de transferencia del aire. Una pequeña versión de estos intercambiadores son los radiadores usados en los sistemas de enfriamiento de los vehículos y en las unidades de aire acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de áreas residenc iales. Al diseñar estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio aún en días c alurosos y/o que el fluido no se congele dentro de los tubos en invierno. El aire en vez del agua, podría parecer una elección obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas. Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en agua, la que posee una conductividad térmica cerca de 23 veces mayor que el aire a 35 °C; el calor específico del agua es cuatro veces más grande y su densidad, comparada con la del aire a presión y temperatura atmosférica es unas 800 veces mayor. En conse cuencia, para una determinada cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad de aire, aproximadamente 4 veces más en masa y 3200 en volumen. Como conclusión, a menos que el agua sea inasequible, la elección entre agua y aire como refrige depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisión. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en cuanto a los a fluentes de agua ó donde el medio refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 23 Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo al soplar o succionar aire a través del haz mediante grandes ventiladores. D ebido a que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual que los tubos posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor del lado del aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran colocadas en arreglo incrementar los coeficientes de transferencia del aire. Una pequeña versión de estos intercambiadores son los radiadores usados en los sistemas de enfriamiento de los vehículos y en las unidades de aire acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no iales. Al diseñar estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que alurosos y/o que el fluido El aire en vez del agua, podría parecer una elección obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas. Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en agua, la que posee una conductividad térmica cerca de 23 veces mayor que el aire a 35 °C; el calor específico del agua es cuatro veces más grande y su densidad, comparada con la del aire a presión y temperatura cuencia, para una determinada cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad de aire, aproximadamente 4 veces más en masa y 3200 en volumen. Como conclusión, a menos que el agua sea inasequible, la elección entre agua y aire como refrige rante depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisión. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las fluentes de agua ó donde el medio refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos. 4.3.5.4. Intercambiadores de placas A pesar de ser p oco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE (Plate Heat Exchanger ) hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 usado en la industria láctea por intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por placas, que no son más que láminas delgadas, rectangulares, en las que se observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión A un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su perímetro. La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias a las e mpacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos canales, paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas que conjuntamente co n un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo. Figura.0 PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Intercambiadores de placas oco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE ) , tiene patentes de finales del siglo XIX, específicamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 cuando comenzó a ser ampliamente usado en la industria láctea por razones sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por placas, que no son más que láminas delgadas, rectangulares, en las que se observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión f igura.07 A un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su perímetro. La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, mpacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos canales, paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas n un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo. Figura.0 7.Intercambiador de placas empacadas. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 24 oco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE , tiene patentes de finales del siglo XIX, específicamente comenzó a ser ampliamente razones sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por placas, que no son más que láminas delgadas, rectangulares, en las que se observa un diseño igura.07 A un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su perímetro. La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, mpacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos canales, paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas n un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área superficial efectiva de cada una; continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente desmontables mantenimiento. No obstante, las condiciones de operación se encuentran limitadas por las empacaduras. En los primeros equipos l de 60 °C. Pero a pesar de que el diseño básicamente ha los continuos avances en los últimos 60 años han incrementado las presiones y temperaturas de operación importante destacar que la elección del material de las empacaduras se vuelve más restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el número de fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones; además la vida útil de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las empacaduras. Inicialmen bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia, hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar a los intercambiadores Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera y permite el manejo de fluidos peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como intercambia de placas no empacadas, labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza deben ser realizadas por métodos químicos. No obstante, las demás ventajas de las unidades de placas se mantienen. El diseño particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operación que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como tubo y carcas a, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todavía existe una limitación en cuanto al diseño fluidos no debe exceder los 40 bar. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones también son esenciales para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente desmontables para labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de operación se encuentran limitadas En los primeros equipos l a presión máxima era de 2 bar y la temperatura alrededor °C. Pero a pesar de que el diseño básicamente ha permanecido inalterado, los continuos avances en los últimos 60 años han incrementado las presiones y temperaturas de operación hasta los 30 bar y 250 °C, respectivamente. Es importante destacar que la elección del material de las empacaduras se vuelve más restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el número de fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones; además la vida útil de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las empacaduras. Inicialmen te, este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia, hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar a los intercambiadores de tubo y carcasa. Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera y permite el manejo de fluidos peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como intercambia placas no empacadas, y tienen como desventaja el no poder labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza deben ser realizadas por métodos químicos. No obstante, las demás ventajas de las unidades de placas diseño particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operación que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como a, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todavía existe una limitación en cuanto al diseño , en la que la diferencia de presión entre ambos fluidos no debe exceder los 40 bar. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 25 Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades y también son esenciales para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y para labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de operación se encuentran limitadas la temperatura alrededor permanecido inalterado, los continuos avances en los últimos 60 años han incrementado las presiones y °C, respectivamente. Es importante destacar que la elección del material de las empacaduras se vuelve más restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el número de fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones; además la vida útil de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las te, este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia, hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera y permite el manejo de fluidos peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como intercambia dor y tienen como desventaja el no poder abrirse para labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza deben ser realizadas por métodos químicos. No obstante, las demás ventajas de las unidades de placas diseño particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operación que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como a, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todavía existe una , en la que la diferencia de presión entre ambos • no están obligados a cumplir los requisitos esenciales de diseño, fabricación y pruebas. • no están sometidos a • no pueden llevar el marcado «CE» (sin embargo, deben acompañarse con instrucciones de u fabricante o a su representante establecido en la Comunidad). Las buenas prácticas de la técnica al uso se aplican a los equipos que no están sometidos a la evaluación de la conformidad pero que de con arreglo a las buenas prácticas de la técnica en un Estado miembro a fin de garantizar su utilización segura. Los equipos a presión de las cumplir los requisitos esenciales de diseño, fabricaci respetar los procedimientos de evaluación de la conformidad y llevar el marcado «CE» y otras informaciones. Antes de comercializar un equipo a presión de las categorías I a IV, los fabricantes deberán someter a cada equipo a un procedimiento conformidad con los requisitos esenciales de la Directiva. Están previstos distintos módulos para cada categoría de equipos a presión. Los módulos de los productos de las categorías II, III y IV exigen que intervengan organi smos notificados designados por los Estados miembros. Esos organismos aprueban y controlan el sistema de calidad de los fabricantes y llevan a cabo inspecciones directas de los productos. Con respecto a los materiales los requisitos de seguridad utilizando materiales que o bien se ajusten a las normas armonizadas, o bien hayan sido objeto de una aprobación europea (documento técnico entregado por un organismo notificado, que define las características de materiales utilizados en la fabricación de equipos a presión que no están cubiertos por una norma armonizada), o bien se hayan sometido a una evaluación particular de los materiales. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes no están obligados a cumplir los requisitos esenciales de diseño, fabricación no están sometidos a la evaluación de la conformidad. no pueden llevar el marcado «CE» (sin embargo, deben acompañarse con instrucciones de u so suficientes y llevar marcas que permitan identificar al fabricante o a su representante establecido en la Comunidad). Las buenas prácticas de la técnica al uso se aplican a los equipos que no están sometidos a la evaluación de la conformidad pero que de ben diseñarse y fabricarse con arreglo a las buenas prácticas de la técnica en un Estado miembro a fin de garantizar su utilización segura. Los equipos a presión de las categorías I, II, III y IV deben cumplir los requisitos esenciales de diseño, fabricaci ón y pruebas, respetar los procedimientos de evaluación de la conformidad y llevar el marcado «CE» y otras informaciones. Antes de comercializar un equipo a presión de las categorías I a IV, los fabricantes deberán someter a cada equipo a un procedimiento de evaluación («módulo») de la conformidad con los requisitos esenciales de la Directiva. Están previstos distintos módulos para cada categoría de equipos a presión. Los módulos de los productos de las categorías II, III y IV exigen que intervengan smos notificados designados por los Estados miembros. Esos organismos aprueban y controlan el sistema de calidad de los fabricantes y llevan a cabo inspecciones directas de los productos. materiales , los fabricantes de equipos a presión los requisitos de seguridad utilizando materiales que o bien se ajusten a las normas armonizadas, o bien hayan sido objeto de una aprobación europea (documento técnico entregado por un organismo notificado, que define las características de materiales utilizados en la fabricación de equipos a presión que no están cubiertos por una norma armonizada), o bien se hayan sometido a una evaluación particular Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 32 no están obligados a cumplir los requisitos esenciales de diseño, fabricación no pueden llevar el marcado «CE» (sin embargo, deben acompañarse con so suficientes y llevar marcas que permitan identificar al fabricante o a su representante establecido en la Comunidad). Las buenas prácticas de la técnica al uso se aplican a los equipos que no están ben diseñarse y fabricarse con arreglo a las buenas prácticas de la técnica en un Estado miembro a fin de Antes de comercializar un equipo a presión de las categorías I a IV, los fabricantes de evaluación («módulo») de la conformidad con los requisitos esenciales de la Directiva. Están previstos distintos Los módulos de los productos de las categorías II, III y IV exigen que intervengan smos notificados designados por los Estados miembros. Esos organismos aprueban y controlan el sistema de calidad de los fabricantes y llevan a cabo , los fabricantes de equipos a presión deben respetar los requisitos de seguridad utilizando materiales que o bien se ajusten a las normas armonizadas, o bien hayan sido objeto de una aprobación europea (documento técnico entregado por un organismo notificado, que define las características de los materiales utilizados en la fabricación de equipos a presión que no están cubiertos por una norma armonizada), o bien se hayan sometido a una evaluación particular 5.2. CLASIFICACIÓN D DE TUBOS SEGÚN TEMA ha desarrollado una nomenclatura para designar los tipos básicos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos. En este sistema, cada intercambiador se designa con tres letras, la primera indicando el cabezal delantero, la segunda el tipo de carcasa Se utiliza una amplia variedad de configuraciones en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, dependiendo del desempeño deseado de transferencia de calor, caída de presión y los métodos empleados para reducir térmicos, prevenir fugas, fácil mantenimiento, soportar las presiones y temperaturas de operación, y la corrosión. Estos intercambiadores se construyen de acuerdo a las normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores de Calor Tubulares (TEMA ), con algunas modificaciones, dependiendo del país. TEMA también ha conformado una serie de normas mecánicas para la construcción, fabricación, y materiales constructivos de tres tipos de intercambiadores de calor tubulares: R, C, B. Los inter usados en condiciones de operación severas, en procesos petroleros y afines. La Clase C designa a los intercambiadores usados en aplicaciones comerciales y procesos generales bajo condiciones moderadas. La clase B designa a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos usados en procesos químicos. Generalmente, en estos últimos, los materiales constructivos son no mientras que en los Clase C y Clase R, se usan materiales ferrosos. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes CLASIFICACIÓN D E LOS INTERCAMBIADOR DE TUBOS SEGÚN NORMA TEMA. TEMA ha desarrollado una nomenclatura para designar los tipos básicos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos. En este sistema, cada intercambiador se designa con tres letras, la primera indicando el cabezal delantero, la segunda el tipo de carcasa , y la tercera el cabezal posterior. una amplia variedad de configuraciones en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, dependiendo del desempeño deseado de transferencia de calor, caída de presión y los métodos empleados para reducir térmicos, prevenir fugas, fácil mantenimiento, soportar las presiones y temperaturas de operación, y la corrosión. Estos intercambiadores se construyen de acuerdo a las normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores de Calor ), con algunas modificaciones, dependiendo del país. TEMA también ha conformado una serie de normas mecánicas para la construcción, fabricación, y materiales constructivos de tres tipos de intercambiadores de calor tubulares: R, C, B. Los inter cambiadores clase R son los usados en condiciones de operación severas, en procesos petroleros y afines. La Clase C designa a los intercambiadores usados en aplicaciones comerciales y procesos generales bajo condiciones moderadas. La clase B designa a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos usados en procesos químicos. Generalmente, en estos últimos, los materiales constructivos son no mientras que en los Clase C y Clase R, se usan materiales ferrosos. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 33 E LOS INTERCAMBIADOR ES TEMA ha desarrollado una nomenclatura para designar los tipos básicos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos. En este sistema, cada intercambiador se designa con tres letras, la primera indicando el cabezal delantero, una amplia variedad de configuraciones en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, dependiendo del desempeño deseado de transferencia de calor, caída de presión y los métodos empleados para reducir los esfuerzos térmicos, prevenir fugas, fácil mantenimiento, soportar las presiones y temperaturas de operación, y la corrosión. Estos intercambiadores se construyen de acuerdo a las normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores de Calor ), con algunas modificaciones, dependiendo del país. TEMA también ha conformado una serie de normas mecánicas para la construcción, fabricación, y materiales constructivos de tres tipos de cambiadores clase R son los usados en condiciones de operación severas, en procesos petroleros y afines. La Clase C designa a los intercambiadores usados en aplicaciones comerciales y procesos generales bajo condiciones moderadas. La clase B designa a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos usados en procesos químicos. Generalmente, en estos últimos, los materiales constructivos son no -ferrosos, mientras que en los Clase C y Clase R, se usan materiales ferrosos. Figura.0 8.Clasificación PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 8.Clasificación intercambiadores según TEMA Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 34 intercambiadores según TEMA Los tipos más frecuente de intercambiador son: AES, AEP, CFU, AKT, Y AJW. Aunque pueden existir diferentes configuraciones a las mencionadas, estas no pueden ser identificadas por la nomenclatura TEMA. 5.3. PARTES DE UN INTERCA Y TUBOS Para una correcta identificación de cada una de las partes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos vamos a definir cada una de sus partes principales, así como un breve análisis de ellas. 5.3.1. Tubos Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los tubos, y la carcasa. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente están hechos de cobr e o aleaciones de acero. Otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones específicas. Los tubos pueden ser desnudos o aleteados. Las superficies extendidas se usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de tra menor que el otro fluido. Los tubos doblemente aleteados pueden mejorar aún más la eficiencia. Las aletas proveen de dos a cuatro veces el área de transferencia de calor que proporcionaría el tubo desnudo. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Los tipos más frecuente de intercambiador son: AES, AEP, CFU, AKT, Y AJW. Aunque pueden existir diferentes configuraciones a las mencionadas, estas no pueden ser identificadas por la nomenclatura TEMA. PARTES DE UN INTERCA MBIADOR DE CARCASA Para una correcta identificación de cada una de las partes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos vamos a definir cada una de sus partes principales, así como un breve análisis de ellas. Figura.09 y banco de tubos Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los tubos, y la carcasa. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente están hechos e o aleaciones de acero. Otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones específicas. Los tubos pueden ser desnudos o aleteados. Las superficies extendidas se usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de tra nsferencia de calor mucho menor que el otro fluido. Los tubos doblemente aleteados pueden mejorar aún más la eficiencia. Las aletas proveen de dos a cuatro veces el área de transferencia de calor que proporcionaría el tubo desnudo. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 35 Los tipos más frecuente de intercambiador son: AES, AEP, CFU, AKT, Y AJW. Aunque pueden existir diferentes configuraciones a las mencionadas, estas no DE CARCASA Para una correcta identificación de cada una de las partes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos vamos a definir cada una de sus partes principales, así Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los tubos, y la carcasa. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente están hechos e o aleaciones de acero. Otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio Los tubos pueden ser desnudos o aleteados. Las superficies extendidas se usan nsferencia de calor mucho menor que el otro fluido. Los tubos doblemente aleteados pueden mejorar aún más la eficiencia. Las aletas proveen de dos a cuatro veces el área de transferencia de La economía en el dise transferencia de calor por volumen de intercambiador se maximice. Un número de tubos y área de transferencia se consiguen reduciendo el arreglo de tubos, usando un arreglo triangular y tubos de menor La cantidad de pasos por los tubos y por la carcasa dependen de la caída de presión disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero también las perdidas por fricción y la erosión en los materiales. Por t anto, si la pérdida de presión es aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área reducida. Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8 estándares tienen uno, dos o cuatro pasos por los En múltiples diseños se usan números pares de pasos. Los números de pasos impares no son comunes, y fabricación y en la operación. La selección del espaciamiento entre tubos es un equilibrio entre una corta para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa, y el espacio requerido para la limpieza. En la mayoría de los intercambiadores, la relación entre el espaciamiento entre tubos y el diámetro exterior del tubo varía entre 1,25 y 2 El valor mínimo de relación unión entre el tubo y la placa tubular se hace muy débil, y puede causar filtraciones en las juntas. Sin embargo, consideraciones prácticas como li pasaje de flujo (caída de presión), uso de tubos, etc., restringen la disposición de los tubos a un estándar grados), cuadrados (90 grados), a cuadrado rotado (45 grad PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes La economía en el dise ño de intercambiadores de calor requiere que el área de transferencia de calor por volumen de intercambiador se maximice. Un número de tubos y área de transferencia se consiguen reduciendo el arreglo de tubos, usando un arreglo triangular y tubos de menor tamaño. La cantidad de pasos por los tubos y por la carcasa dependen de la caída de presión disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero también las perdidas por fricción y la erosión en los anto, si la pérdida de presión es aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8 estándares tienen uno, dos o cuatro pasos por los tubos. En múltiples diseños se usan números pares de pasos. Los números de pasos impares no son comunes, y provocan problemas térmicos y mecánicos en la fabricación y en la operación. La selección del espaciamiento entre tubos es un equilibrio entre una corta para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa, y el espacio requerido para la limpieza. En la mayoría de los la relación entre el espaciamiento entre tubos y el diámetro varía entre 1,25 y 2 . de relación se restringe a 1.25 porque para valores inferiores, la unión entre el tubo y la placa tubular se hace muy débil, y puede causar filtraciones Sin embargo, consideraciones prácticas como li mpieza de los tubos, tamaño del pasaje de flujo (caída de presión), uso de tubos, etc., restringen la disposición de estándar universalmente adoptado de arreglo triangulares (30 ó 60 grados), cuadrados (90 grados), a cuadrado rotado (45 grad os). Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 36 ño de intercambiadores de calor requiere que el área de transferencia de calor por volumen de intercambiador se maximice. Un número de tubos y área de transferencia se consiguen reduciendo el arreglo de tubos, usando La cantidad de pasos por los tubos y por la carcasa dependen de la caída de presión disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero también las perdidas por fricción y la erosión en los anto, si la pérdida de presión es aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8 . Los diseños En múltiples diseños se usan números pares de pasos. Los números de pasos problemas térmicos y mecánicos en la La selección del espaciamiento entre tubos es un equilibrio entre una distancia corta para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa, y el espacio requerido para la limpieza. En la mayoría de los la relación entre el espaciamiento entre tubos y el diámetro se restringe a 1.25 porque para valores inferiores, la unión entre el tubo y la placa tubular se hace muy débil, y puede causar filtraciones mpieza de los tubos, tamaño del pasaje de flujo (caída de presión), uso de tubos, etc., restringen la disposición de universalmente adoptado de arreglo triangulares (30 ó 60 Cuadrado a 90° Triangular 30° Figura.10. Diferentes arreglos para tubos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores se diseñan para velocidades altas y mayor caída de presión a fin de reducir el ensuciamiento en el lado de la concha. Estas velocidades son responsables de que muchos de los tubos. Los daños por vibración pueden clasificarse en daños tipo “deflector” y daño tipo “colisión”. Generalmente los tubos oscilarán entre soportes de tubos o plantas de partición que actúan como no dos. En los daños por vibración del tipo “deflector” la oscilación llega a un punto en que los tubos rozarán contra las planchas de soporte y finalmente fallarán por fatiga. Si la vibración aumenta, la amplitud de la oscilación aumentará hasta un punto don los tubos chocarán entre sí o contra la carcasa. En estos casos los tubos se desgastarán por abrasión y ocurrirá la ruptura. Otro tipo de daño frecuentemente encontrado es la de los tubos rotos cerca del cabezal de la carcasa y a la salid ignorancia o negligencia al no dejar suficiente área de entrada y salida. Ocurren entonces altas velocidades que causan rotura de los tubos o dobleces cerca de las boquillas. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Rotada Cuadrado 45° Rotada triangular 60° Diferentes arreglos para tubos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores se diseñan para velocidades altas y mayor caída de presión a fin de reducir el ensuciamiento en el lado de la concha. Estas velocidades son responsables de que muchos intercambiadores experimenten daños por vibración de los tubos. Los daños por vibración pueden clasificarse en daños tipo “deflector” y Generalmente los tubos oscilarán entre soportes de tubos o plantas de partición dos. En los daños por vibración del tipo “deflector” la oscilación llega a un punto en que los tubos rozarán contra las planchas de soporte y finalmente fallarán por fatiga. Si la vibración aumenta, la amplitud de la oscilación aumentará hasta un punto don los tubos chocarán entre sí o contra la carcasa. En estos casos los tubos se desgastarán por abrasión y ocurrirá la ruptura. Otro tipo de daño frecuentemente encontrado es la de los tubos rotos cerca del cabezal de la carcasa y a la salid a de l as boquillas. Estos casos suceden ignorancia o negligencia al no dejar suficiente área de entrada y salida. Ocurren entonces altas velocidades que causan rotura de los tubos o dobleces cerca de las Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 37 Rotada Cuadrado 45° Rotada triangular 60° Diferentes arreglos para tubos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores se diseñan para velocidades altas y mayor caída de presión a fin de reducir el ensuciamiento en el lado de la concha. Estas velocidades son intercambiadores experimenten daños por vibración de los tubos. Los daños por vibración pueden clasificarse en daños tipo “deflector” y Generalmente los tubos oscilarán entre soportes de tubos o plantas de partición En los daños por vibración del tipo “deflector” la oscilación llega a un punto en que los tubos rozarán contra las planchas de soporte y finalmente fallarán por fatiga. Si la vibración aumenta, la amplitud de la oscilación aumentará hasta un punto don de los tubos chocarán entre sí o contra la carcasa. En estos casos los tubos se Otro tipo de daño frecuentemente encontrado es la de los tubos rotos cerca as boquillas. Estos casos suceden por ignorancia o negligencia al no dejar suficiente área de entrada y salida. Ocurren entonces altas velocidades que causan rotura de los tubos o dobleces cerca de las Los daños potenciales por vibración anticipados usando el método de máxima velocidad. Este método fue desarrollado analizando las fuerzas que se alternan en los tubos y que resultan de la resonancia entre la frecuencia del vórtice del flujo estable del fluido fundamental del tubo. 5.3.2. Placa tubular Los tubos se mantienen en su lugar al ser insertados dentro de agujeros en la placa tubular, fijándose mediante expansión o soldadura. La placa tubular es generalmente una placa de metal para albergar a los tubos En el caso de que se requiera una protección extra de las fugas puede utilizarse una doble placa tubular. El espacio entre las placas tub cualquier fuga pueda ser detectada con rapidez. Para aplicaciones más peligrosas puede usare una placa tubular triple, sellos gaseosos e incluso un sistema de recirculación de las fugas. La placa tubular a demás de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador y debe ser compatible electroquímicamente con el material de los tubos. A veces se construyen de acero de bajo carbono cubierto metalúr resistente a la corrosión. Para la expansión térmica, solamente se permite que quede fijo uno de los soportes del intercambiador. El otro soporte deberá poder deslizar sobre una chapa. Para minimizar las reacciones de las tuberí selecciona fijo. Las excesivas deflexiones y tensiones en la junta del soporte con la concha, se evitarán seleccionando un material de soporte conveniente y eligiendo la localización apropiada. La localización de los calor horizontales será determinada en la misma forma que se determinan para recipientes horizontales. Los intercambiadores verticales deberán soportarse en dos PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Los daños potenciales por vibración en intercambiadores pueden ser anticipados usando el método de máxima velocidad. Este método fue desarrollado analizando las fuerzas que se alternan en los tubos y que resultan de la resonancia entre la frecuencia del vórtice del flujo estable del fluido y la frecuencia natural Placa tubular Los tubos se mantienen en su lugar al ser insertados dentro de agujeros en la placa tubular, fijándose mediante expansión o soldadura. La placa tubular es generalmente una placa de metal sencilla que ha sido taladrada para albergar a los tubos (en el patrón desead o) y las sujeciones de los deflectores. En el caso de que se requiera una protección extra de las fugas puede utilizarse una doble placa tubular. El espacio entre las placas tub ulares debe estar abierto a la atmósfera para que cualquier fuga pueda ser detectada con rapidez. Para aplicaciones más peligrosas puede usare una placa tubular triple, sellos gaseosos e incluso un sistema de recirculación de las fugas. demás de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador y debe ser compatible electroquímicamente con el material de los tubos. A veces se construyen de acero de bajo carbono cubierto metalúr gicamente por una aleación resistente a la corrosión. Para la expansión térmica, solamente se permite que quede fijo uno de los soportes del intercambiador. El otro soporte deberá poder deslizar sobre una chapa. Para minimizar las reacciones de las tuberí as, el soporte extremo de la cámara se selecciona fijo. Las excesivas deflexiones y tensiones en la junta del soporte con la concha, se evitarán seleccionando un material de soporte conveniente y eligiendo la localización apropiada. La localización de los soportes para intercambiadores de calor horizontales será determinada en la misma forma que se determinan para recipientes horizontales. Los intercambiadores verticales deberán soportarse en dos Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 38 en intercambiadores pueden ser anticipados usando el método de máxima velocidad. Este método fue desarrollado analizando las fuerzas que se alternan en los tubos y que resultan de la resonancia y la frecuencia natural Los tubos se mantienen en su lugar al ser insertados dentro de agujeros en la placa sencilla que ha sido taladrada o) y las sujeciones de los deflectores. En el caso de que se requiera una protección extra de las fugas puede utilizarse ulares debe estar abierto a la atmósfera para que cualquier fuga pueda ser detectada con rapidez. Para aplicaciones más peligrosas puede usare una placa tubular triple, sellos gaseosos e incluso un sistema de demás de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador y debe ser compatible electroquímicamente con el material de los tubos. A veces se gicamente por una aleación Para la expansión térmica, solamente se permite que quede fijo uno de los soportes del intercambiador. El otro soporte deberá poder deslizar sobre una chapa. Para as, el soporte extremo de la cámara se selecciona fijo. Las excesivas deflexiones y tensiones en la junta del soporte con la concha, se evitarán seleccionando un material de soporte conveniente y eligiendo la soportes para intercambiadores de calor horizontales será determinada en la misma forma que se determinan para recipientes horizontales. Los intercambiadores verticales deberán soportarse en dos puntos como mínimo. Estos soportes deberán permitir la expans unidad. 5.3.3. Deflectores Hay dos tipos de deflectores, transversales y longitudinales. El propósito de los deflectores longitudinales es controlar la dirección general del flujo del lado de la carcasa. Por ejemplo, las carcasas tipo F, G y tienen deflectores longitudinales. Los deflectores transversales tienen dos funciones, la más importante es la de mantener a los tubos en la posición adecuada durante la operación y evita la vibración producida por los vórtices inducidos guían al fluido del lado de la carcasa para acercarse en lo posible a las características del flujo cruzado. El tipo de d eflector más común es el simple segmentado. El segmento cortado debe ser inferior a la mitad del solapen en al menos una fila completa de tubos. Para flujos de líquidos en el lado de la carcasa el corte del deflector generalmente es del 20 a 25 por ciento; para flujos de gas a baja presión de 40 a 4 caída de presión. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes puntos como mínimo. Estos soportes deberán permitir la expans Deflectores Hay dos tipos de deflectores, transversales y longitudinales. El propósito de los deflectores longitudinales es controlar la dirección general del flujo del lado de la carcasa. Por ejemplo, las carcasas tipo F, G y H tienen deflectores longitudinales. Los deflectores transversales tienen dos funciones, la más importante es la de mantener a los tubos en la posición adecuada durante la operación y evita la vibración producida por los vórtices inducidos por el flujo. En segundo lugar ellos guían al fluido del lado de la carcasa para acercarse en lo posible a las características del flujo cruzado. eflector más común es el simple segmentado. El segmento cortado debe ser inferior a la mitad del diámetro para asegurar que deflectores adyacentes se solapen en al menos una fila completa de tubos. Para flujos de líquidos en el lado de la carcasa el corte del deflector generalmente es del 20 a 25 por ciento; para flujos de gas a baja presión de 40 a 4 5 por ciento, con el objetivo de minimizar la Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 39 puntos como mínimo. Estos soportes deberán permitir la expans ión radial de la El propósito de los deflectores longitudinales es controlar la dirección general del H (según TEMA) Los deflectores transversales tienen dos funciones, la más importante es la de mantener a los tubos en la posición adecuada durante la operación y evita la por el flujo. En segundo lugar ellos guían al fluido del lado de la carcasa para acercarse en lo posible a las eflector más común es el simple segmentado. El segmento cortado debe diámetro para asegurar que deflectores adyacentes se solapen en al menos una fila completa de tubos. Para flujos de líquidos en el lado de la carcasa el corte del deflector generalmente es del 20 a 25 por ciento; para 5 por ciento, con el objetivo de minimizar la Figura. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura. 11. Disposición y tipos de deflectores Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 40 5.3.4. Carcasa La carcasa es la envolvente del segundo fluido y está hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado longitudinalmente. Carcasas de pequeños diámetros (hasta 24 pulgadas) pueden ser hechas cortando un tubo del diámetro deseado con la longitud correcta (pipe shells). La forma esférica de la casaca es importante al determinar el diámetro de los d eflectores que pueden ser insertados y el efecto de fuga entre el deflector y la casaca. Las carcasas de tubo suelen se En intercambiadores grandes la carc siempre que sea posible otras aleaciones cuando la corrosión o las altas temperaturas así lo requieran. 5.3.5. Canales del lado de los tubos y boquillas Los canales y las boquillas simplemente dirigen el flujo del fluido del lado de los tubos hacia el interior o exterior de los tubos del intercambiador. Como el fluido del lado de los tubos es generalmente el más corrosivo, estos canales y boquillas suelen ser hechos d e materiales aleados (compatibles con la placa tubular). Deben ser revestidos en lugar de aleaciones sólidas. 5.3.6. Cubiertas de canal Las cubiertas de canal son placas redondas que están atornilladas a los bordes del canal y pueden ser removidos para inspec de los tubos. En pequeños intercambiadores suelen ser usados cabezales con boquillas laterales en lugar de canales y cubiertas de canales. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Carcasa La carcasa es la envolvente del segundo fluido , generalmente es de sección circular hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado longitudinalmente. Carcasas de pequeños diámetros (hasta 24 pulgadas) pueden ser hechas cortando un tubo del diámetro deseado con la longitud correcta (pipe de la casaca es importante al determinar el diámetro de los eflectores que pueden ser insertados y el efecto de fuga entre el deflector y la casaca. Las carcasas de tubo suelen se r más redondas que las carcasa roladas. En intercambiadores grandes la carc asa está hecha de acero de bajo carbono siempre que sea posible , por razones de economía, aunque también pueden usarse otras aleaciones cuando la corrosión o las altas temperaturas así lo requieran. Canales del lado de los tubos y boquillas y las boquillas simplemente dirigen el flujo del fluido del lado de los tubos hacia el interior o exterior de los tubos del intercambiador. Como el fluido del lado de los tubos es generalmente el más corrosivo, estos canales y boquillas e materiales aleados (compatibles con la placa tubular). Deben ser revestidos en lugar de aleaciones sólidas. Cubiertas de canal Las cubiertas de canal son placas redondas que están atornilladas a los bordes del canal y pueden ser removidos para inspec cionar los tubos sin perturbar el arreglo de los tubos. En pequeños intercambiadores suelen ser usados cabezales con boquillas laterales en lugar de canales y cubiertas de canales. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 41 generalmente es de sección circular hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado longitudinalmente. Carcasas de pequeños diámetros (hasta 24 pulgadas) pueden ser hechas cortando un tubo del diámetro deseado con la longitud correcta (pipe de la casaca es importante al determinar el diámetro de los eflectores que pueden ser insertados y el efecto de fuga entre el deflector y la más redondas que las carcasa roladas. hecha de acero de bajo carbono aunque también pueden usarse otras aleaciones cuando la corrosión o las altas temperaturas así lo requieran. Canales del lado de los tubos y boquillas y las boquillas simplemente dirigen el flujo del fluido del lado de los tubos hacia el interior o exterior de los tubos del intercambiador. Como el fluido del lado de los tubos es generalmente el más corrosivo, estos canales y boquillas e materiales aleados (compatibles con la placa tubular). Deben Las cubiertas de canal son placas redondas que están atornilladas a los bordes del cionar los tubos sin perturbar el arreglo de los tubos. En pequeños intercambiadores suelen ser usados cabezales con • Diámetro de los tubos: Se prefieren tubos de 8 a 15 mm de diámetro in pero si se espera que haya problemas de limpieza, deben usarse tubos no menores de 20 mm. En las Tablas 1 (norma BWG) y 2 (norma ANSI) se presentan los tamaños comerciales de tubos de acero al carbón, los cuales son los más utilizados en intercambia • Arreglo de tubos: El arreglo preferido es el triangular invertido o triangular de 30 El criterio usual es que onde P t es la distancia entre los centros de los tubos, o pase de tubo (del inglés pitch) y d o estar demasiado cerca ya que se presentan problemas con la limpieza; además, la placa de tubos se torna muy débil desde el punto de vista estructural. • Deflectores: El espaciado de deflectores más us corte del 25 al 35 %, siendo 25 % el valor de corte más usual. • Asignación de flujo: Se recomienda colocar el fluido que más ensucia, o el más corrosivo, o el de mayor presión, a circular por los tubos. Para flujo por la co se recomienda la corriente con el menor coeficiente de convección, o la corriente con el menor flujo. Algunos de estos criterios son conflictivos y el ingeniero debe conseguir la configuración óptima. • Diámetro de la carcasa: La selección preliminar d puede hacer a partir de la Tabla 3, conocido el número de tubos y la configuración de flujo. Otra forma consiste en hacer un primer estimado a partir de la siguiente correlación empírica: D donde CL es la constante de configuración de tubos con un valor de 1 para arreglos cuadrados y un valor de 0,87 para arreglos triangulares. El término CTP es la constante de conteo de tubos y depende del número de pasos de tubos por la carcasa; así, para un paso de t de tubo, CTP es 0,9 y para 4 pasos de tubo, CTP es de 0,85. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Diámetro de los tubos: Se prefieren tubos de 8 a 15 mm de diámetro in pero si se espera que haya problemas de limpieza, deben usarse tubos no menores de 20 mm. En las Tablas 1 (norma BWG) y 2 (norma ANSI) se presentan los tamaños comerciales de tubos de acero al carbón, los cuales son los más utilizados en intercambia dores. Arreglo de tubos: El arreglo preferido es el triangular invertido o triangular de 30 El criterio usual es que 1,25 <P t d o <1,5 es la distancia entre los centros de los tubos, o pase de tubo (del o es el diámetro externo de los tubos. Los tubos no deben estar demasiado cerca ya que se presentan problemas con la limpieza; además, la placa de tubos se torna muy débil desde el punto de vista Deflectores: El espaciado de deflectores más us ual es de 0,4 < D corte del 25 al 35 %, siendo 25 % el valor de corte más usual. Asignación de flujo: Se recomienda colocar el fluido que más ensucia, o el más corrosivo, o el de mayor presión, a circular por los tubos. Para flujo por la co se recomienda la corriente con el menor coeficiente de convección, o la corriente con el menor flujo. Algunos de estos criterios son conflictivos y el ingeniero debe conseguir la configuración óptima. Diámetro de la carcasa: La selección preliminar d el diámetro de la carcasa se puede hacer a partir de la Tabla 3, conocido el número de tubos y la configuración de flujo. Otra forma consiste en hacer un primer estimado a partir de la siguiente correlación empírica: D c = 0,637 CL CTP A o Ptd o       2 d o L la constante de configuración de tubos con un valor de 1 para arreglos cuadrados y un valor de 0,87 para arreglos triangulares. El término CTP es la constante de conteo de tubos y depende del número de pasos de tubos por la carcasa; así, para un paso de t ubos, CTP es 1, para dos pasos de tubo, CTP es 0,9 y para 4 pasos de tubo, CTP es de 0,85. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 48 Diámetro de los tubos: Se prefieren tubos de 8 a 15 mm de diámetro in terno, pero si se espera que haya problemas de limpieza, deben usarse tubos no menores de 20 mm. En las Tablas 1 (norma BWG) y 2 (norma ANSI) se presentan los tamaños comerciales de tubos de acero al carbón, los cuales son Arreglo de tubos: El arreglo preferido es el triangular invertido o triangular de 30 es la distancia entre los centros de los tubos, o pase de tubo (del es el diámetro externo de los tubos. Los tubos no deben estar demasiado cerca ya que se presentan problemas con la limpieza; además, la placa de tubos se torna muy débil desde el punto de vista ual es de 0,4 < D c < 0,6, con un corte del 25 al 35 %, siendo 25 % el valor de corte más usual. Asignación de flujo: Se recomienda colocar el fluido que más ensucia, o el más corrosivo, o el de mayor presión, a circular por los tubos. Para flujo por la co raza se recomienda la corriente con el menor coeficiente de convección, o la corriente con el menor flujo. Algunos de estos criterios son conflictivos y el el diámetro de la carcasa se puede hacer a partir de la Tabla 3, conocido el número de tubos y la configuración de flujo. Otra forma consiste en hacer un primer estimado a partir la constante de configuración de tubos con un valor de 1 para arreglos cuadrados y un valor de 0,87 para arreglos triangulares. El término CTP es la constante de conteo de tubos y depende del número de pasos de ubos, CTP es 1, para dos pasos de tubo, CTP es 0,9 y para 4 pasos de tubo, CTP es de 0,85. • Número de tubos: El número de tubos puede calcularse fácilmente, si se conoce el área requerida, según la expresión También puede usarse la cuenta el máximo número de tubos que caben en una carcasa con un tamaño dado, 6.3.2. Cálculo En esta etapa se evalúa si el intercambiador seleccionado en la eta cumple con los requerimientos del proceso. Evaluar el desempeño térmico del intercambiador seleccionado consiste esencialmente en determinar el área de transferencia de dicho intercambiador, para lo cual debe calcularse previamente el coeficien para el intercambiador limpio (U Cálculo de U ol y U os Los coeficientes globales de transferencia se calculan acorde a las expresiones siguientes: U PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Número de tubos: El número de tubos puede calcularse fácilmente, si se conoce el área requerida, según la expresión N t =A o π d o L También puede usarse la expresión empírica que sigue, la cual toma en cuenta el máximo número de tubos que caben en una carcasa con un N t =0,875 CTP CL       D c 2 P t d o       2 d o 2 Cálculo térmico (transferencia de calor) En esta etapa se evalúa si el intercambiador seleccionado en la eta cumple con los requerimientos del proceso. Evaluar el desempeño térmico del intercambiador seleccionado consiste esencialmente en determinar el área de transferencia de dicho intercambiador, para lo cual debe calcularse previamente el coeficien te global de transferencia de calor para el intercambiador limpio (U ol ) y para el intercambiador sucio (U os os : Los coeficientes globales de transferencia se calculan acorde a las expresiones U ol = 1 d o d i h i + d o ln d o /d i ( ) 2 k + 1 h o U os = 1 d o d i h i + d o R si d i + d o ln d o /d i ( ) 2 k + R so + 1 h o Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 49 Número de tubos: El número de tubos puede calcularse fácilmente, si se conoce expresión empírica que sigue, la cual toma en cuenta el máximo número de tubos que caben en una carcasa con un térmico (transferencia de calor) En esta etapa se evalúa si el intercambiador seleccionado en la eta pa anterior Evaluar el desempeño térmico del intercambiador seleccionado consiste esencialmente en determinar el área de transferencia de dicho intercambiador, para te global de transferencia de calor os ). Los coeficientes globales de transferencia se calculan acorde a las expresiones Determinar U ol y U requiere primero calcular el número de Reynolds. Este puede obtenerse de varias formas,  donde  v es la velocidad media por cada tubo, Q y másico respectivamente y A se sustituye por el diámetro interno cuando se trata de un conducto de área de flujo circular o tubo, o por en el caso de un intercambio de doble tubo (D externo y d o es el diámetro externo del tubo interno). Cuando el intercambiador de doble tubo contiene más de un tubo interno, entonces Cuando se trata de flujo por la coraza, el D (diámetro equivalente), cuyo cá para arreglo cuadrado y para arreglo triangular  Una vez obtenido el re, se utiliza la ecuación siguiente para el cálculo del coeficiente de película donde Nu es el número de Nusselt y D transferencia de calor. Para calcular el Nu puede usarse cualquiera de las PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes y U os implica evaluar los coeficientes h o y h i requiere primero calcular el número de Reynolds. Este puede obtenerse de Re = ρ v D h µ =Ý m D h A t µ =GD h µ = ρ Ý Q D h A t µ es la velocidad media por cada tubo, Q y Ý m son el caudal y el flujo másico respectivamente y A t es el área transversal de flujo por cada tubo. El D se sustituye por el diámetro interno cuando se trata de un conducto de área de circular o tubo, o por  D h =D i −d o en el caso de un intercambio de doble tubo (D i es el diámetro interno del tubo es el diámetro externo del tubo interno). Cuando el intercambiador de doble tubo contiene más de un tubo interno, entonces  D h =D i 2 −N t d o 2 D i +N t d o Cuando se trata de flujo por la coraza, el D h se sustituye por el llamado D (diámetro equivalente), cuyo cá lculo depende del tipo de arreglo de tubo. Así, para arreglo cuadrado  D eq =4 P t2 − π 4d o 2       π d o y para arreglo triangular  D eq = 4 3 2P t2 − π 4d o 2       π d o Una vez obtenido el re, se utiliza la ecuación siguiente para el cálculo del coeficiente de película h=Nu k D eq donde Nu es el número de Nusselt y D eq es el diámetro equivalente para la transferencia de calor. Para calcular el Nu puede usarse cualquiera de las Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 50 para lo cual se requiere primero calcular el número de Reynolds. Este puede obtenerse de son el caudal y el flujo es el área transversal de flujo por cada tubo. El D h se sustituye por el diámetro interno cuando se trata de un conducto de área de es el diámetro interno del tubo es el diámetro externo del tubo interno). Cuando el intercambiador se sustituye por el llamado D eq lculo depende del tipo de arreglo de tubo. Así, Una vez obtenido el re, se utiliza la ecuación siguiente para el cálculo del es el diámetro equivalente para la transferencia de calor. Para calcular el Nu puede usarse cualquiera de las correlaciones disponibles para el régimen de flujo imperante (laminar, turbulento o transición), Re. En la Ec. 13 el D eq es igual al diámetro interno del tubo cuando se trata de flujo por un conducto de área de flujo circular. Para el caso de flujo por la carcasa, el D eq para la transferencia de Re, acorde a las ecuaciones 11 y 12. Cuando se trata de flujo por el ánulo de un intercambiador de doble tubo, el Deq es como sigue 6.3.3. Ensuciamiento y consecuencias en el diseño: Si se prevé que ocurra ensuciamiento, es conveniente sobrediseñar el intercambiador para que este opere de manera conveniente durante el mayor tiempo posible. En general, se procura que la limpieza del intercambiador coincida con la parada de planta programa adecuado: • M ediante el factor de ensuciamient • E l factor de limpieza • E l porcentaje de sobrediseño del área. Cabe señalar que para que estos métodos sean efectivos, debe tenerse un buen conocimiento del funcionamiento del sistema; ese conocimiento es de origen empírico y ha sido adquirido por el cúmulo de experiencias en plantas industriales. • Método del factor El uso de este método presupone que se conocen los factores de ensuciamiento esperados para el sistema en estudio, lo cual es, para la mayor parte de los casos, muy difícil de predecir. Sin embargo, si se tienen buenos estimados de los fac superficies se ensucien, se puede calcular un coeficiente global de transferencia de calor, U de ensuciamiento total R PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes correlaciones disponibles para el régimen de flujo imperante (laminar, turbulento o transición), lo cual debe verificarse mediante el cálculo previo del es igual al diámetro interno del tubo cuando se trata de flujo por un conducto de área de flujo circular. Para el caso de flujo por la carcasa, el para la transferencia de calor es el mismo que se utiliza para el cálculo del Re, acorde a las ecuaciones 11 y 12. Cuando se trata de flujo por el ánulo de un intercambiador de doble tubo, el Deq es como sigue  D eq =D i 2 −N t d o 2 N t d o Ensuciamiento y consecuencias en el diseño: se prevé que ocurra ensuciamiento, es conveniente sobrediseñar el intercambiador para que este opere de manera conveniente durante el mayor tiempo posible. En general, se procura que la limpieza del intercambiador coincida con la parada de planta programa da. Existen tres formas de es timar el sobrediseño ediante el factor de ensuciamient o requerido. l factor de limpieza . l porcentaje de sobrediseño del área. Cabe señalar que para que estos métodos sean efectivos, debe tenerse un buen conocimiento del funcionamiento del sistema; ese conocimiento es de origen empírico y ha sido adquirido por el cúmulo de experiencias en plantas industriales. Método del factor de ensuciamiento El uso de este método presupone que se conocen los factores de ensuciamiento esperados para el sistema en estudio, lo cual es, para la mayor parte de los casos, muy difícil de predecir. Sin embargo, si se tienen buenos estimados de los fac tores de ensuciamiento, en los casos en que ambas superficies se ensucien, se puede calcular un coeficiente global de transferencia de calor, U os , que tome en cuenta este efecto. Entonces, el factor de ensuciamiento total R st sería, de presentarse en las d os superficies, Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 51 correlaciones disponibles para el régimen de flujo imperante (laminar, lo cual debe verificarse mediante el cálculo previo del es igual al diámetro interno del tubo cuando se trata de flujo por un conducto de área de flujo circular. Para el caso de flujo por la carcasa, el calor es el mismo que se utiliza para el cálculo del Re, acorde a las ecuaciones 11 y 12. Cuando se trata de flujo por el ánulo de Ensuciamiento y consecuencias en el diseño: se prevé que ocurra ensuciamiento, es conveniente sobrediseñar el intercambiador para que este opere de manera conveniente durante el mayor tiempo posible. En general, se procura que la limpieza del intercambiador coincida timar el sobrediseño Cabe señalar que para que estos métodos sean efectivos, debe tenerse un buen conocimiento del funcionamiento del sistema; ese conocimiento es de origen empírico y ha sido adquirido por el cúmulo de experiencias en plantas industriales. El uso de este método presupone que se conocen los factores de ensuciamiento esperados para el sistema en estudio, lo cual es, para la mayor parte de los casos, muy difícil de predecir. Sin embargo, si se tienen buenos tores de ensuciamiento, en los casos en que ambas superficies se ensucien, se puede calcular un coeficiente global de , que tome en cuenta este efecto. Entonces, el factor os superficies, donde R si y R so se refieren a los factores de ensuciamiento de la superficie interna y la externa, respectivamente. El coeficiente calculado en la Ec. 15 está referido al área externa de transferencia de calor. A part se puede calcular entonces el U El U os calculado mediante las ecuaciones anteriores está referido al área externa. A partir de este valor para el coeficiente global de transferencia de calor p uede calcularse el área de transferencia requerida, ya sea por el método del LMTD o del - NTU. En la Tabla 4 se encuentran algunos valores del factor de ensuciamiento para varias aplicaciones industriales. • Método del coeficiente de limpieza El coeficiente de limpieza CF da una idea del máximo grado de ensuciamiento permitido en el intercambiador y se define como El valor típico para diseño del CF es de 0,85. Con este valor puede estimarse el factor de ensuciamiento total R • Método del sobrediseño del área En este método se establece a priori el porcentaje en exceso requerido para el área de transferencia SDA, de modo que El SDA puede expresarse como  PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes R st =A o A i R si +R so se refieren a los factores de ensuciamiento de la superficie interna y la externa, respectivamente. El coeficiente calculado en la Ec. 15 está referido al área externa de transferencia de calor. A part ir de este coeficiente, se puede calcular entonces el U so requerido como 1 U os =1 U ol +R st calculado mediante las ecuaciones anteriores está referido al área externa. A partir de este valor para el coeficiente global de transferencia de uede calcularse el área de transferencia requerida, ya sea por el método NTU. En la Tabla 4 se encuentran algunos valores del factor de ensuciamiento para varias aplicaciones industriales. Método del coeficiente de limpieza de limpieza CF da una idea del máximo grado de ensuciamiento permitido en el intercambiador y se define como CF =U os U ol El valor típico para diseño del CF es de 0,85. Con este valor puede estimarse el factor de ensuciamiento total R st a partir de la siguiente ecuación: R st =1−CF U ol CF Método del sobrediseño del área En este método se establece a priori el porcentaje en exceso requerido para el área de transferencia SDA, de modo que  Aos =Aol 100+SDA ( ) 100 El SDA puede expresarse como SDA = 100 A os A ol − 1       = 100 U ol R st Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 52 se refieren a los factores de ensuciamiento de la superficie interna y la externa, respectivamente. El coeficiente calculado en la Ec. 15 está ir de este coeficiente, calculado mediante las ecuaciones anteriores está referido al área externa. A partir de este valor para el coeficiente global de transferencia de uede calcularse el área de transferencia requerida, ya sea por el método NTU. En la Tabla 4 se encuentran algunos valores del factor de limpieza CF da una idea del máximo grado de ensuciamiento El valor típico para diseño del CF es de 0,85. Con este valor puede estimarse el de la siguiente ecuación: En este método se establece a priori el porcentaje en exceso requerido para el Cabe señalar que es necesario conocer a priori el porcentaje de sobrediseño adecuado para cada aplicación; el valor típico es de 25 % de sobrediseño. NOTA: En muchas situaciones no es posible cumplir con cada uno de estos criterios en forma simultánea ya que algunos son conflictivos. Debe escogerse entonces el criterio más adecuado según el caso. 6.3.4. Caída de presión En este paso debe verificarse que la caída de presión, para ambos fluidos, se encuentre debajo del límite establecido. Si limitaciones del sistema, el intercambiador no operará con la eficiencia esperada ya que la velocidad de los fluidos será inferior a lo esperado. • La caída de presión por los tubos se calcula de acuerdo a la expresión siguiente: donde N pt se corresponde con el número de pases de tubo por la carcasa. En el segundo término, K por los tubos; este término puede tomarse igual a 4. La caída de presión po ( donde N pc es el número de pases por la carcasa; N deflectores; D eq unidad de área, El área transv ersal de flujo puede calcularse mediante las expresiones mostradas a continuación, las cuales dependen del arreglo de tubo, PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Cabe señalar que es necesario conocer a priori el porcentaje de sobrediseño adecuado para cada aplicación; el valor típico es de 25 % de sobrediseño. NOTA: En muchas situaciones no es posible cumplir con cada uno de estos en forma simultánea ya que algunos son conflictivos. Debe escogerse entonces el criterio más adecuado según el caso. Caída de presión En este paso debe verificarse que la caída de presión, para ambos fluidos, se encuentre debajo del límite establecido. Si la caída de presión sobrepasa las limitaciones del sistema, el intercambiador no operará con la eficiencia esperada ya que la velocidad de los fluidos será inferior a lo esperado. La caída de presión por los tubos se calcula de acuerdo a la expresión −∆P ( ) t =2 f L D       ρ v 2 N pt + ρ v 2 2 K f N pt se corresponde con el número de pases de tubo por la carcasa. En el segundo término, K f es el factor de pérdidas para los retornos de flujo por los tubos; este término puede tomarse igual a 4. La caída de presión po r la carcasa puede calcularse según −∆P ( ) c =N pc f G 2 N B +1 ( ) D c ρ D eq es el número de pases por la carcasa; N B es el número de eq es el diámetro equivalente y G es el flujo másico por unidad de área, t A m G& = ersal de flujo puede calcularse mediante las expresiones mostradas a continuación, las cuales dependen del arreglo de tubo, Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 53 Cabe señalar que es necesario conocer a priori el porcentaje de sobrediseño adecuado para cada aplicación; el valor típico es de 25 % de sobrediseño. NOTA: En muchas situaciones no es posible cumplir con cada uno de estos en forma simultánea ya que algunos son conflictivos. Debe escogerse En este paso debe verificarse que la caída de presión, para ambos fluidos, se la caída de presión sobrepasa las limitaciones del sistema, el intercambiador no operará con la eficiencia esperada ya La caída de presión por los tubos se calcula de acuerdo a la expresión se corresponde con el número de pases de tubo por la carcasa. es el factor de pérdidas para los retornos de flujo es el número de es el diámetro equivalente y G es el flujo másico por ersal de flujo puede calcularse mediante las expresiones mostradas a continuación, las cuales dependen del arreglo de tubo, Cuadrado o triangular A t = P t −d o ( ) B D P t El número de deflectores se puede estimar cuando se conocen la longitud L del intercambiador así como el espaciado entre deflectores B. Se usa entonces la ecuación siguiente: Cálculo del factor de fricción: El factor de fricción d e Fanning se puede estimar de forma relativamente rápida mediante la correlación de Churchill,  donde  A=2,        PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Cuadrado o triangular Cuadrado 45º Triangular D c A t = 2 P t −d o ( ) B D c P t A t = 2 El número de deflectores se puede estimar cuando se conocen la longitud L del intercambiador así como el espaciado entre deflectores B. Se usa entonces la  N B =L B−1 Cálculo del factor de fricción: e Fanning se puede estimar de forma relativamente rápida mediante la correlación de Churchill, f = 28 Re       12 + 1 A + B ( ) 3/2         112 407ln 1 7 Re       0,9 + 0,27 ε D                    16 y  B=37530 Re       16 Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 54 Triangular 45º 2 P t −d o ( ) B D c 3 P t El número de deflectores se puede estimar cuando se conocen la longitud L del intercambiador así como el espaciado entre deflectores B. Se usa entonces la e Fanning se puede estimar de forma relativamente rápida 16 6.4. MÉTODOS DE CÁLCULO DE TRANSFERENCIA EN La dificultad para integrar en las correlaciones obtenidas en los bancos de tubos y el flujo generado en la carcasa de un intercambiador con deflectores impulsó el desarrollo de "métodos integrales" para el cálculo de la transferenc pérdida de carga. Destacamos este apartado porque el coeficiente de transferencia en la carcasa influye de mayor manera que cualquier otro, con lo que será el que prácticamente los limite las dimensiones del intercambiador. Para calcularlo disponemos 6.4.1. El método Donohue (1949) El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible. Ésta se calculaba como una media geométrica entre el área mínima de paso entre deflectores (área transversal disponible en el deflector (área longitudinal). Sin embargo, no tenía en cuenta el efecto de las diferentes configuraciones de los tubos. Para el cálculo de la pérdida de carga se proponía la utilización de las curvas de factor de fric ción obtenidas por Colburn con un factor de seguridad elevado. Por primera vez se consideró el efecto de la ventana del deflector, considerando esta ventana como un orificio con un coeficiente de descarga de 0.7. Este método, aunque muy simple de utilizar precisos, debido básicamente, a que las correlaciones se obtuvieron con intercambiadores pequeños con geometrías nada estándares. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes MÉTODOS DE CÁLCULO PARA EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA EN LA CARCASA dificultad para integrar en las correlaciones obtenidas en los bancos de tubos y el flujo generado en la carcasa de un intercambiador con deflectores impulsó el desarrollo de "métodos integrales" para el cálculo de la transferenc Destacamos este apartado porque el coeficiente de transferencia en la carcasa influye de mayor manera que cualquier otro, con lo que será el que prácticamente los limite las dimensiones del intercambiador. Para calcularlo disponemos de los siguientes métodos. El método Donohue (1949) El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible. Ésta se calculaba como una media geométrica entre el área mínima de paso entre deflectores (área transversal ) y el área de paso disponible en el deflector (área longitudinal). Sin embargo, no tenía en cuenta el efecto de las diferentes configuraciones de los Para el cálculo de la pérdida de carga se proponía la utilización de las curvas de ción obtenidas por Colburn con un factor de seguridad elevado. Por primera vez se consideró el efecto de la ventana del deflector, considerando esta ventana como un orificio con un coeficiente de descarga de 0.7. Este método, aunque muy simple de utilizar , proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente, a que las correlaciones se obtuvieron con intercambiadores pequeños con geometrías nada estándares. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 55 PARA EL COEFICIENTE dificultad para integrar en las correlaciones obtenidas en los bancos de tubos y el flujo generado en la carcasa de un intercambiador con deflectores impulsó el desarrollo de "métodos integrales" para el cálculo de la transferenc ia de calor y Destacamos este apartado porque el coeficiente de transferencia en la carcasa influye de mayor manera que cualquier otro, con lo que será el que prácticamente El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible. Ésta se calculaba como una media geométrica entre el ) y el área de paso Sin embargo, no tenía en cuenta el efecto de las diferentes configuraciones de los Para el cálculo de la pérdida de carga se proponía la utilización de las curvas de ción obtenidas por Colburn con un factor de seguridad elevado. Por primera vez se consideró el efecto de la ventana del deflector, considerando esta , proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente, a que las correlaciones se obtuvieron con 6.4.2. Método Tinker Al final de los años 40, al mismo tiempo que aparecían los métodos hacía evidente que el flujo que se establecía en carcasa era complejo y con una gran dependencia de la geometría de construcción del intercambiador. A ello contribuyeron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a finales de l os años 40 y principios de los 50. Se observó que solo una parte del fluido seguía el camino "correcto" a través del haz de tubos, el resto pasaba a través de áreas de fuga (entre tubo y deflector, entre deflector y carcasa y entre el haz de tubos y la car Estas áreas de flujo son inevitables en la construcción y montaje del intercambiador y determinan los flujos que se establecen en carcasa. Un método basado en correlaciones de flujo a través de un banco de tubos ideal o un método integral difícilme diferentes flujos que se establecen en dependiendo del tipo de construcción, los errores al aplicar los métodos pueden variar considerablemente. El método analítico, r ecibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a cabo un análisis del flujo establecido en la carcasa. El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por Tinker (1951) que propuso el siguiente modelo de flujo. Figura. La pérdida de carga que experimenta la corriente principal (B) al pasar de un espaciado entre deflectores al siguiente actúa como fuerza impulsora para las otras corrientes forzando a parte del fluido a pasar por las área PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Método Tinker Al final de los años 40, al mismo tiempo que aparecían los métodos hacía evidente que el flujo que se establecía en carcasa era complejo y con una gran dependencia de la geometría de construcción del intercambiador. A ello contribuyeron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a os años 40 y principios de los 50. Se observó que solo una parte del fluido seguía el camino "correcto" a través del haz de tubos, el resto pasaba a través de áreas de fuga (entre tubo y deflector, entre deflector y carcasa y entre el haz de tubos y la car casa). Estas áreas de flujo son inevitables en la construcción y montaje del intercambiador y determinan los flujos que se establecen en carcasa. Un método basado en correlaciones de flujo a través de un banco de tubos ideal o un método integral difícilme nte puede incorporar toda la información de los diferentes flujos que se establecen en la carcasa y como consecuencia de ello, dependiendo del tipo de construcción, los errores al aplicar los métodos pueden variar considerablemente. ecibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a cabo un análisis del flujo establecido en la carcasa. El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por Tinker (1951) que propuso el siguiente modelo de flujo. Figura. 12.Distribución de corrientes Tinker La pérdida de carga que experimenta la corriente principal (B) al pasar de un espaciado entre deflectores al siguiente actúa como fuerza impulsora para las otras corrientes forzando a parte del fluido a pasar por las área s de fuga. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 56 Al final de los años 40, al mismo tiempo que aparecían los métodos integrales, se hacía evidente que el flujo que se establecía en carcasa era complejo y con una gran dependencia de la geometría de construcción del intercambiador. A ello contribuyeron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a Se observó que solo una parte del fluido seguía el camino "correcto" a través del haz de tubos, el resto pasaba a través de áreas de fuga (entre tubo y deflector, Estas áreas de flujo son inevitables en la construcción y montaje del intercambiador Un método basado en correlaciones de flujo a través de un banco de tubos ideal o nte puede incorporar toda la información de los carcasa y como consecuencia de ello, dependiendo del tipo de construcción, los errores al aplicar los métodos pueden ecibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por Tinker (1951) La pérdida de carga que experimenta la corriente principal (B) al pasar de un espaciado entre deflectores al siguiente actúa como fuerza impulsora para las otras La repartición de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al flujo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos, teniendo en cuenta que la perdida de carga ha de ser la misma para todas las corrientes. Una vez obtenido el caudal de la corriente B se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlación de flujo cruzado en un banco de tubos ideal. Este método suponía un gran avance en la interpretación de la aproximación a realidad del flujo establecido en la carcasa; sin embargo, paso desapercibido por la gran dificultad de cálculo que entrañaba teniendo en cuenta las posibilidades de computación de la época., ya que el proceso de cálculo era un proceso iterativo muy la borioso para realizarlo a mano. No fue hasta principios de los años 70, con la posibilidad de utilizar ordenadores personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el potencial del método desarrollado por Tinker. 6.4.3. El método Kern (1950) Este método ha sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos años. Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la pérdida de carga se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del 25 % (una decisión acertada porque en la mayoría de los casos es el mejor diseño). La predicción de la transferencia de calor varía entre ligeramente insegura (valor superior al real) y muy segura (valor inferior al real). Mientras que las predicciones de la pérdida de carga 100 %. En régimen laminar, los errores todavía son grandes debido a la poca información disponible en el momento que se elaboró el método. Si bien los resultados obtenidos por el método Kern no mejora respecto a las correlaciones existentes, el mérito del éxito obtenido se PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes La repartición de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al flujo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos, teniendo en cuenta que la perdida de carga ha de ser la misma para todas las Una vez obtenido el caudal de la corriente B se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlación de flujo cruzado en un banco de Este método suponía un gran avance en la interpretación de la aproximación a realidad del flujo establecido en la carcasa; sin embargo, paso desapercibido por la gran dificultad de cálculo que entrañaba teniendo en cuenta las posibilidades de computación de la época., ya que el proceso de cálculo era un proceso iterativo borioso para realizarlo a mano. No fue hasta principios de los años 70, con la posibilidad de utilizar ordenadores personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el potencial del método desarrollado por Tinker. El método Kern (1950) método ha sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la pérdida de carga se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del 25 % (una acertada porque en la mayoría de los casos es el mejor diseño). La predicción de la transferencia de calor varía entre ligeramente insegura (valor superior al real) y muy segura (valor inferior al real). Mientras que las predicciones se sitúan en el lado de seguridad con errores superiores al En régimen laminar, los errores todavía son grandes debido a la poca información disponible en el momento que se elaboró el método. Si bien los resultados obtenidos por el método Kern no presentaron una gran mejora respecto a las correlaciones existentes, el mérito del éxito obtenido se Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 57 La repartición de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al flujo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos, teniendo en cuenta que la perdida de carga ha de ser la misma para todas las Una vez obtenido el caudal de la corriente B se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlación de flujo cruzado en un banco de Este método suponía un gran avance en la interpretación de la aproximación a la realidad del flujo establecido en la carcasa; sin embargo, paso desapercibido por la gran dificultad de cálculo que entrañaba teniendo en cuenta las posibilidades de computación de la época., ya que el proceso de cálculo era un proceso iterativo No fue hasta principios de los años 70, con la posibilidad de utilizar ordenadores personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el potencial del método ha sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la pérdida de carga se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del 25 % (una acertada porque en la mayoría de los casos es el mejor diseño). La predicción de la transferencia de calor varía entre ligeramente insegura (valor superior al real) y muy segura (valor inferior al real). Mientras que las predicciones se sitúan en el lado de seguridad con errores superiores al En régimen laminar, los errores todavía son grandes debido a la poca información presentaron una gran mejora respecto a las correlaciones existentes, el mérito del éxito obtenido se Datos a introducir por el usuario: - Caudal de agua - Temperatura de entrada del agua - Caudal de aceite - Temperatura de entrada del aceite - Te mperatura de salida del aceite - Espesor del tubo - Espesor de la coraza - Espaciado entre deflectores - Espaciado inicial y final entre deflectores - Porcentaje de corte de los deflectores Datos a seleccionar de listas: PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura.13 Datos a introducir por el usuario: Temperatura de entrada del agua Temperatura de entrada del aceite mperatura de salida del aceite Espaciado entre deflectores Espaciado inicial y final entre deflectores Porcentaje de corte de los deflectores Datos a seleccionar de listas: Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 64 - Tipo de aceite - Tipo de arreglo de los tubos - Número de pasos de agua - Diámetro exterior de los tubos - Separación entre cetros de tubos - Diámetro interior de la coraza - Material de los tubos - Material de la carcasa - Material del cabezal de la carcasa - Material del distribuidor - Material de la tapa del distribuidor - Material de la placa tubular fija - Material de la placa tubular flotante - Material de los deflectores 6.7.2. Salida de datos Una vez introducidos o seleccionados todos los datos anteriormente mencionados, el programa c alculará los resultados y los trasladará a la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', donde será posible visualizarlos de una manera ordenada. Los resultados obtenidos a partir de todos los datos introducidos son los siguientes: - Longitud de los tubos del - Área de intercambio - Número de deflectores necesarios - Caída de presión en la carcasa - Caída de presión en los tubos - Coeficiente de transferencia de calor en servicio - Coeficiente de transferencia de calor limpio - Calor intercambiado PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes de los tubos Número de pasos de agua Diámetro exterior de los tubos Separación entre cetros de tubos Diámetro interior de la coraza Material del cabezal de la carcasa Material del distribuidor Material de la tapa del distribuidor Material de la placa tubular fija Material de la placa tubular flotante Material de los deflectores Salida de datos Una vez introducidos o seleccionados todos los datos anteriormente mencionados, alculará los resultados y los trasladará a la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', donde será posible visualizarlos de una manera ordenada. Los resultados obtenidos a partir de todos los datos introducidos son los siguientes: Longitud de los tubos del intercambiador Número de deflectores necesarios Caída de presión en la carcasa Caída de presión en los tubos Coeficiente de transferencia de calor en servicio Coeficiente de transferencia de calor limpio Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 65 Una vez introducidos o seleccionados todos los datos anteriormente mencionados, alculará los resultados y los trasladará a la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', donde será posible visualizarlos de una manera ordenada. Los resultados obtenidos a partir de todos los datos introducidos son los siguientes: En la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', además de los datos citados, también se incluyen la mayoría de los datos de entrada que han sido introducidos anteriormente, mostrando de una manera clara todas las dimensiones, características y materiale 6.7.3. Proceso detallado de las operaciones realizadas 6.7.3.1. Calculo de la velocidad de transferencia de calor Q. Para calcular el calor intercambiado desde el lado de la coraza, partimos de que conocemos el caudal (F) de aceite, el calor especifico del mismo y las temperaturas de entrada y de salida del aceite. Con todo ello calcularemos el calor intercambiado. Este calor nos tiene que salir negativo, ya que es el aceite el que cede calor al agua. Más adelant e tendremos que tener cuidado con el signo del calor intercambiado dependiendo si lo calculamos en el lado de la coraza, que cederá calor, o si lo calculamos en el lado de los tubos que absorberá calor y por lo tanto será positivo. 6.7.3.2. Cálculo de la PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura.14 En la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', además de los datos citados, también se incluyen la mayoría de los datos de entrada que han sido introducidos anteriormente, mostrando de una manera clara todas las dimensiones, características y materiale s necesarios para la construcción del intercambiador. Proceso detallado de las operaciones realizadas Calculo de la velocidad de transferencia de calor Q. Para calcular el calor intercambiado desde el lado de la coraza, partimos de que caudal (F) de aceite, el calor especifico del mismo y las temperaturas de entrada y de salida del aceite. Con todo ello calcularemos el calor intercambiado. Este calor nos tiene que salir negativo, ya que es el aceite el que cede calor al agua. e tendremos que tener cuidado con el signo del calor intercambiado dependiendo si lo calculamos en el lado de la coraza, que cederá calor, o si lo calculamos en el lado de los tubos que absorberá calor y por lo tanto será positivo. Cálculo de la temperatura de salida del agua Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 66 En la hoja ''HOJA DE RESULTADOS'', además de los datos citados, también se incluyen la mayoría de los datos de entrada que han sido introducidos anteriormente, mostrando de una manera clara todas las dimensiones, s necesarios para la construcción del intercambiador. Proceso detallado de las operaciones realizadas Calculo de la velocidad de transferencia de calor Q. Para calcular el calor intercambiado desde el lado de la coraza, partimos de que caudal (F) de aceite, el calor especifico del mismo y las temperaturas Con todo ello calcularemos el calor intercambiado. Este calor nos tiene que salir e tendremos que tener cuidado con el signo del calor intercambiado dependiendo si lo calculamos en el lado de la coraza, que cederá calor, o si lo calculamos en el lado de los tubos que absorberá calor y por lo tanto será positivo. temperatura de salida del agua Se calcula la temperatura de salida del agua, relacionando la misma fórmula que para el cálculo del calor in obtenido anteriormente ya que el calor que cederá el aceite será los tubos. 6.7.3.3. Calculo temperatura media logarítmica Una vez obtenidas las temperaturas de entrada y de salida de ambos fluidos, podemos calcular la temperatura media logarítmica. Una vez obtenida la temperatura media logarítmica, ca corrección entrando a la tabla con las razones de corrección P y R. Con esto calculamos el factor de corrección F. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Se calcula la temperatura de salida del agua, relacionando la misma fórmula que para el cálculo del calor in t ercambiado pero con los datos del agua y el calor obtenido anteriormente ya que el calor que cederá el aceite será el que absorban Calculo temperatura media logarítmica Una vez obtenidas las temperaturas de entrada y de salida de ambos fluidos, podemos calcular la temperatura media logarítmica. Una vez obtenida la temperatura media logarítmica, ca lculamos su factor de corrección entrando a la tabla con las razones de corrección P y R. Con esto calculamos el factor de corrección F. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 67 Se calcula la temperatura de salida del agua, relacionando la misma fórmula que ercambiado pero con los datos del agua y el calor el que absorban Una vez obtenidas las temperaturas de entrada y de salida de ambos fluidos, lculamos su factor de corrección entrando a la tabla con las razones de corrección P y R. Con esto Como consecuencia de la complejidad de introducir este tipo de tablas en el programa, he seleccionado una fórmula que aproxima el resultado relacionando los parámetros R y P. Una vez calculado el factor de corrección F, corregimos la temperatura media logarítmica calculada anteriormente. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura.15 Figura.16 Como consecuencia de la complejidad de introducir este tipo de tablas en el programa, he seleccionado una fórmula que aproxima el resultado relacionando los parámetros R y P. Una vez calculado el factor de corrección F, corregimos la temperatura media logarítmica calculada anteriormente. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 68 Como consecuencia de la complejidad de introducir este tipo de tablas en el programa, he seleccionado una fórmula que aproxima el resultado Una vez calculado el factor de corrección F, corregimos la temperatura 6.7.3.4. Cálculo del coeficiente de transfer por el método de Bell Como cálculos previos al coeficiente de transferencia ideal de la carcasa se calculan las áreas de flujo que tendrá el aceite en su paso entre los tubos y el número de Reinodls en el lado de la carcasa. En el cálculo de las áreas de flujo relacionamos las dimensiones de paso que tiene el fluido por cada uno de los pasos que realizara entre deflectores. Estos valores son: el espaciado entre deflectores, el diámetro exterior de los tubos, el diámetro exteri Para el cálculo del número de Reinolds de fluido que circula por la carcasa, su viscosidad, el diámetro exterior de los tubos y el área de flujo calculada anteriormente. Todo ello lo relacionamos en la siguiente expresión. A la hora de realizar el cálc calcularemos el coeficiente de transferencia ideal y luego lo multiplicaremos por el factor de corrección. Podemos tomar ese valor de corrección como 0.6, pero en este caso vamos a calcularlo para que los cálcul PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Cálculo del coeficiente de transfer encia en la carcasa por el método de Bell -Delaware Como cálculos previos al coeficiente de transferencia ideal de la carcasa se calculan las áreas de flujo que tendrá el aceite en su paso entre los tubos y el número de Reinodls en el lado de la carcasa. En el cálculo de las áreas de flujo relacionamos las dimensiones de paso que tiene el fluido por cada uno de los pasos que realizara entre deflectores. Estos valores son: el espaciado entre deflectores, el diámetro exterior de los tubos, el diámetro exteri or de la carcasa y la separación entre tubos. Para el cálculo del número de Reinolds en la carcasa utilizaremos el caudal de fluido que circula por la carcasa, su viscosidad, el diámetro exterior de los tubos y el área de flujo calculada anteriormente. Todo ello lo relacionamos en la siguiente expresión. A la hora de realizar el cálc ulo del coeficiente de transferencia primero calcularemos el coeficiente de transferencia ideal y luego lo multiplicaremos por el factor de corrección. Podemos tomar ese valor de corrección como 0.6, pero en este caso vamos a calcularlo para que los cálcul os sean lo más Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 69 encia en la carcasa Como cálculos previos al coeficiente de transferencia ideal de la carcasa se calculan las áreas de flujo que tendrá el aceite en su paso entre los tubos y En el cálculo de las áreas de flujo relacionamos las dimensiones de paso que tiene el fluido por cada uno de los pasos que realizara entre deflectores. Estos valores son: el espaciado entre deflectores, el diámetro exterior de los or de la carcasa y la separación entre tubos. en la carcasa utilizaremos el caudal de fluido que circula por la carcasa, su viscosidad, el diámetro exterior de los tubos y el área de flujo calculada anteriormente. Todo ello lo relacionamos en ulo del coeficiente de transferencia primero calcularemos el coeficiente de transferencia ideal y luego lo multiplicaremos por el factor de corrección. Podemos tomar ese valor de corrección como os sean lo más exactos posibles ya que estamos trabajando con métodos de cálculo empíricos. Para el cálculo del coeficiente ideal de transferencia necesitamos calcular un factor de corrección ''j'' para el espaciado de los deflectores y su corte. Este fa ctor comúnmente lo obtenemos de datos que calcularemos a continuación, factor a y b. Factor a: Factor b: Introduciendo los factores a y b en la siguiente tabla obtenemos el factor de corrección j. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes exactos posibles ya que estamos trabajando con métodos de cálculo Para el cálculo del coeficiente ideal de transferencia necesitamos calcular un factor de corrección ''j'' para el espaciado de los deflectores y su corte. Este ctor comúnmente lo obtenemos de Figura.17, a la que entramos con los datos que calcularemos a continuación, factor a y b. Introduciendo los factores a y b en la siguiente tabla obtenemos el factor de Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 70 exactos posibles ya que estamos trabajando con métodos de cálculo Para el cálculo del coeficiente ideal de transferencia necesitamos calcular un factor de corrección ''j'' para el espaciado de los deflectores y su corte. Este a la que entramos con los Introduciendo los factores a y b en la siguiente tabla obtenemos el factor de Po demos calcular también el factor ''j'' con la siguiente fórmula, que extraemos de la gráfica, con lo cual el valor ''j'' será más preciso. Aprovechando que hemos calculado los factores a y b calcularemos también el factor de fricción ''fi'' que nos se pérdida de carga. Para su cálculo procederemos de la misma forma que para el factor ''j''. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura.17 demos calcular también el factor ''j'' con la siguiente fórmula, que extraemos de la gráfica, con lo cual el valor ''j'' será más preciso. Aprovechando que hemos calculado los factores a y b calcularemos también el factor de fricción ''fi'' que nos se rá útil más adelante para el cáculo de la pérdida de carga. Para su cálculo procederemos de la misma forma que Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 71 demos calcular también el factor ''j'' con la siguiente fórmula, que extraemos de la gráfica, con lo cual el valor ''j'' será más preciso. Aprovechando que hemos calculado los factores a y b calcularemos también rá útil más adelante para el cáculo de la pérdida de carga. Para su cálculo procederemos de la misma forma que Una vez obtenidos todos los datos necesarios calculamos el coeficiente de transferencia ideal de la carcas factor que acabamos de calcular, As es el área de flujo entre dos deflectores, F es el caudal de fluido y el resto de términos son datos termodinámicos que cogemos directamente de tablas. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Figura.18 Una vez obtenidos todos los datos necesarios calculamos el coeficiente de transferencia ideal de la carcas a con la siguiente ecuación donde j es el factor que acabamos de calcular, As es el área de flujo entre dos deflectores, F es el caudal de fluido y el resto de términos son datos termodinámicos que cogemos directamente de tablas. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 72 Una vez obtenidos todos los datos necesarios calculamos el coeficiente de a con la siguiente ecuación donde j es el factor que acabamos de calcular, As es el área de flujo entre dos deflectores, F es el caudal de fluido y el resto de términos son datos termodinámicos que El paso siguiente será obtener el coeficiente de trasferencia en la carcasa corregido. Para ello necesitamos el coeficiente de corrección que calcularemos multiplicando cada uno de los coeficientes que hallaremos a continuación, para después multiplicarlo transferencia obtenido anteriormente. Calculo de cada uno de los parámetros de corrección: • Coeficiente de película del banco ideal (jh). Con este factor de corrección suponemos que no se va a formar una película ideal en las de carga aumentara. • Corrección por número de hileras de tubos (jr) Este factor dependerá del número de Reinolds, si es mayor de 100 el valor de jr será de 1. Por el contrario si es menor de 100 lo cal cularemos de la siguiente forma. Donde Nc es el número de hileras de tubos entre deflectores consecutivos. j i PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes El paso siguiente será obtener el coeficiente de trasferencia en la carcasa corregido. Para ello necesitamos el coeficiente de corrección que calcularemos multiplicando cada uno de los coeficientes que hallaremos a continuación, para después multiplicarlo por el coeficiente ideal de transferencia obtenido anteriormente. Calculo de cada uno de los parámetros de corrección: Coeficiente de película del banco ideal (jh). Con este factor de corrección suponemos que no se va a formar una película ideal en las superficies de rozamiento con lo cual la pérdida de carga aumentara. Corrección por número de hileras de tubos (jr) Este factor dependerá del número de Reinolds, si es mayor de 100 el valor de jr será de 1. Por el contrario si es menor de 100 lo cularemos de la siguiente forma. Donde Nc es el número de hileras de tubos entre deflectores i = a · 1,33 pt Do a · Re a2 jr = Nc 10 – 0,18 Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 73 El paso siguiente será obtener el coeficiente de trasferencia en la carcasa corregido. Para ello necesitamos el coeficiente de corrección que calcularemos multiplicando cada uno de los coeficientes que hallaremos a por el coeficiente ideal de Con este factor de corrección suponemos que no se va a formar una superficies de rozamiento con lo cual la pérdida Este factor dependerá del número de Reinolds, si es mayor de 100 el valor de jr será de 1. Por el contrario si es menor de 100 lo Donde Nc es el número de hileras de tubos entre deflectores 6.7.3.9. Caída de presión en la coraza. Método Bell La caída de presión en la coraza dependerá del número de tubo que pasar el fluido y de la separación y tamaño de los deflectores (p= La particularidad de este método es que calcula la caída de presión en distintas partes del intercambiador y luego las relaciona entre sí para dar una caída de presión total. En el siguiente esquema vemos cada una de las partes: a) Entrada-Salida b) Parte interna c) Ventanas PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Caída de presión en la coraza. Método Bell - La caída de presión en la coraza dependerá del número de tubo s por los que tenga el fluido y de la separación y tamaño de los deflectores (p= este método es que calcula la caída de presión en distintas partes del intercambiador y luego las relaciona entre sí para dar una caída de En el siguiente esquema vemos cada una de las partes: Figura.20 Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 80 - Delaware s por los que tenga el fluido y de la separación y tamaño de los deflectores (p= ρ ) (u=µ). este método es que calcula la caída de presión en distintas partes del intercambiador y luego las relaciona entre sí para dar una caída de Para el cálculo de la pérdida de carga primero calculamos el área de paso que tiene cada deflector y el número de Reinods de la coraza. En este caso ambos datos han sido calculados anteriormente. Se procede con el cálculo del número de fi de la siguiente relación entre sus diámetros Con la siguiente expresión calculamos la caída de presión en la las ventanas de flujo. Para el cálculo de la caída conocer el número de deflectores que va a llevar nuestro intercambiador. El número de deflectores queda delimitado por parámetros de diseño. Una vez conocido el número de deflectores, es posible calcular la c presión total debido a que en la zona de las entradas y salidas despreciaremos la pérdida de carga ya que es prácticamente nula. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Para el cálculo de la pérdida de carga primero calculamos el área de paso que tiene cada deflector y el número de Reinods de la coraza. En este caso ambos datos han sido calculados anteriormente. Se procede con el cálculo del número de fi las por las que circulará el fluido a través de la siguiente relación entre sus diámetros , su longitud y la separación entre ellos. Con la siguiente expresión calculamos la caída de presión en la las ventanas Para el cálculo de la caída de presión en la parte interna es necesario conocer el número de deflectores que va a llevar nuestro intercambiador. El número de deflectores queda delimitado por parámetros de diseño. Una vez conocido el número de deflectores, es posible calcular la c presión total debido a que en la zona de las entradas y salidas despreciaremos la pérdida de carga ya que es prácticamente nula. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 81 Para el cálculo de la pérdida de carga primero calculamos el área de paso que tiene las por las que circulará el fluido a través su longitud y la separación entre ellos. Con la siguiente expresión calculamos la caída de presión en la las ventanas de presión en la parte interna es necesario conocer el número de deflectores que va a llevar nuestro intercambiador. El número de deflectores queda delimitado por parámetros de diseño. Una vez conocido el número de deflectores, es posible calcular la c aída de presión total debido a que en la zona de las entradas y salidas despreciaremos la pérdida de carga ya que es prácticamente nula. 6.7.3.10. Caída de presión en los tubos La caída de presión en los tubos se calculará conociendo el número de tubos, el núm ero de pasos y la longitud de los mismos. También debe tenerse en cuenta el coeficiente de ensuciamiento del agua para el cálculo, ya que cuando el intercambiador se ensucie aumentará su pérdida de carga. 6.7.4. Nomenclatura f:caudal agua F:caudal aceite t1: temperatura entrada agua t2:temperatura salida agua T1:temperatura entrada aceite T2:temperatura salida aceite µt: viscosidad din ámica agua µc: viscosidad din ámica aceite Cpt: Capacidad calorífica agua Cpc: Capacidad calorífica aceite kt: Conductividad agua kc: Conductividad aceite ρt: Densidad del agua ρc: Densidad aceite Prt: Prandlt tubos Prc: Prandlt coraza PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Caída de presión en los tubos La caída de presión en los tubos se calculará conociendo el número de tubos, el ero de pasos y la longitud de los mismos. También debe tenerse en cuenta el coeficiente de ensuciamiento del agua para el cálculo, ya que cuando el intercambiador se ensucie aumentará su pérdida de Nomenclatura t1: temperatura entrada agua t2:temperatura salida agua T1:temperatura entrada aceite T2:temperatura salida aceite ámica agua ámica aceite Cpt: Capacidad calorífica agua Cpc: Capacidad calorífica aceite kc: Conductividad aceite Apt = 4 · F · L · Np di · Um 2 2 Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 82 La caída de presión en los tubos se calculará conociendo el número de tubos, el También debe tenerse en cuenta el coeficiente de ensuciamiento del agua para el cálculo, ya que cuando el intercambiador se ensucie aumentará su pérdida de T,C,CR: Tipo de arreglo NT: Numero de tubos NPT: Numero de pasos por el lado de los tubos LT: Longitud de los tubos de: Diametro exterior de los tubos e: Espesor del tubo di: Diametro interior de los tubos PT: Separación entre centros de tubos (Picht) C: Separacion de los tubos Lc: % corte de los bufles B: Espacio central entre bufles Lsi: Espacio inicial entre bufles Lso: Espacio final entre bufles Nb: Número de bufles De: Diametro exterior de la coraza Di: Diámetro interior de la coraza Ec: Espesor de la coraza Kmat: Conductividad material LMTD: temperatura media logarítmica R: razones de corrección LMTD P: razones de corrección F: Factor de corrección LMTD FLMTD: LMTD corregida t: temperatura media agua T: Temperatura media aceite Q: Velocidad de transferencia de calor Vmt: velocidad media agua Vmc: velocidad media aceite Vmaxc: velocidad máxima aceite ht: Coeficiente de t ransferencia del agua hc: Coeficiente de transferencia del aceite Ret: Reynolds tubos Rec: Reynolds coraza Nut: Nusselt tubos Nuc: Nusselt coraza NucF: Nusselt coraza con factor de corrección PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes T,C,CR: Tipo de arreglo NPT: Numero de pasos por el lado de los tubos LT: Longitud de los tubos exterior de los tubos di: Diametro interior de los tubos PT: Separación entre centros de tubos (Picht) C: Separacion de los tubos Lc: % corte de los bufles B: Espacio central entre bufles Lsi: Espacio inicial entre bufles final entre bufles De: Diametro exterior de la coraza Di: Diámetro interior de la coraza Ec: Espesor de la coraza Kmat: Conductividad material LMTD: temperatura media logarítmica R: razones de corrección LMTD P: razones de corrección LMTD F: Factor de corrección LMTD FLMTD: LMTD corregida t: temperatura media agua T: Temperatura media aceite Q: Velocidad de transferencia de calor Vmt: velocidad media agua Vmc: velocidad media aceite Vmaxc: velocidad máxima aceite ransferencia del agua hc: Coeficiente de transferencia del aceite NucF: Nusselt coraza con factor de corrección Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 83 Ate: Área exterior del tubo Ati: Área interior del tubo U: coefi ciente global de transmisión de calor PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes Ate: Área exterior del tubo Ati: Área interior del tubo ciente global de transmisión de calor Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 84 6.8. VALIDACIÓN DE LA HER La validación del programa de cálculo realizado ha sido realizada a través de la comparación de intercambiadores comerciales reales con el programa, introduciendo en este los mismos parámetros. Los resultados obtenidos son satisfactorios ya que la difere intercambiadores comerciales y los que hemos calculado con el programa nos aportan un porcentaje de error menor del 8%. Teniendo en cuenta que al trabajar con métodos empíricos que ya nos aportan errores entre el 10 y el 15% pode programa funciona adecuadamente. Esta validación ha sido realizada por técnicos de la empresa a la que va dirigida el proyecto, quedando conformes con el funcionamiento del programa y el diseño elegido pasando ya un primer modelo de inte realizar una validación mediante la prueba real del intercambiador. PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes VALIDACIÓN DE LA HER RAMIENTA La validación del programa de cálculo realizado ha sido realizada a través de la comparación de intercambiadores comerciales reales con el programa, introduciendo en este los mismos parámetros. Los resultados obtenidos son satisfactorios ya que la difere ncia de longitud entre los intercambiadores comerciales y los que hemos calculado con el programa nos aportan un porcentaje de error menor del 8%. Teniendo en cuenta que al trabajar con métodos empíricos que ya nos aportan errores entre el 10 y el 15% pode mos decir que el programa funciona adecuadamente. Esta validación ha sido realizada por técnicos de la empresa a la que va dirigida el proyecto, quedando conformes con el funcionamiento del programa y el diseño elegido pasando ya un primer modelo de inte rcambiador a fabricación para posteriormente realizar una validación mediante la prueba real del intercambiador. Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 85 La validación del programa de cálculo realizado ha sido realizada a través de la comparación de intercambiadores comerciales reales con el programa, introduciendo ncia de longitud entre los intercambiadores comerciales y los que hemos calculado con el programa nos aportan un porcentaje de error menor del 8%. Teniendo en cuenta que al trabajar con métodos mos decir que el Esta validación ha sido realizada por técnicos de la empresa a la que va dirigida el proyecto, quedando conformes con el funcionamiento del programa y el diseño elegido rcambiador a fabricación para posteriormente 7. CONCLUSIONES Como conclusiones al proyecto decir que todos los problemas que se habían planteado han sido resueltos satisfactoriamente planteados al principio. El programa de cálculo es muy fiable validación nos produce calor comerciales. Este error es aceptable ya que experimentales estamos trabajando en torno a un 10% de error. En la parte de diseño, para posteriores mejoras del proyecto, se pueden aplicar algunos cambios para que cada una de las piezas tenga un carácter más estándar. Como me joras al proyecto podríamos añadir un programa de optimización para reducir los costes de fabricación. Al tratarse de un proyecto destinado a una empresa, y cuyo objetivo es su fabricación, posteriormente al proyecto se van a realizar algunas mejoras en l apartados citados anteriormente para mejorar el proceso de fabricación. A nivel personal, he encontrado gratificante desarrollar este trabajo por tres razones: • La posibilidad de poner en práctica muchos de los conocimientos aprendidos a lo largo de la conocimientos son aquellos que en el trabajo a veces aplicamos de manera inconsciente, pero que después de haberlos estudiado, comprendemos la verdadera dimensión y complejidad de todo lo que envuelve a un • La posibilidad de conocer a fondo la actividad de una empresa real y ayudar de manera directa a sus investigaciones y procesos de innovación. • La posibilidad de estudiar un campo en continúo desarrollo en la industria actual y con diversos tipos diversas. . PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes CONCLUSIONES Como conclusiones al proyecto decir que todos los problemas que se habían planteado han sido resueltos satisfactoriamente au nque no con los métodos El programa de cálculo es muy fiable ya que como he citado en el apartado de errores menores de un 8% respecto a intercambiadores de calor comerciales. Este error es aceptable ya que al tratarse de cálculos experimentales estamos trabajando en torno a un 10% de error. En la parte de diseño, para posteriores mejoras del proyecto, se pueden aplicar algunos cambios para que cada una de las piezas tenga un carácter más estándar. joras al proyecto podríamos añadir un programa de optimización para fabricación. Al tratarse de un proyecto destinado a una empresa, y cuyo objetivo es su fabricación, posteriormente al proyecto se van a realizar algunas mejoras en l apartados citados anteriormente para mejorar el proceso de fabricación. A nivel personal, he encontrado gratificante desarrollar este trabajo por tres La posibilidad de poner en práctica muchos de los conocimientos aprendidos a lo largo de la carrera a la hora de desarrollar el trabajo. Estos conocimientos son aquellos que en el trabajo a veces aplicamos de manera inconsciente, pero que después de haberlos estudiado, comprendemos la verdadera dimensión y complejidad de todo lo que envuelve a un La posibilidad de conocer a fondo la actividad de una empresa real y ayudar de manera directa a sus investigaciones y procesos de innovación. La posibilidad de estudiar un campo en continúo desarrollo en la industria actual y con diversos tipos de aplicaciones destinada s a Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 86 Como conclusiones al proyecto decir que todos los problemas que se habían nque no con los métodos ya que como he citado en el apartado de errores menores de un 8% respecto a intercambiadores de al tratarse de cálculos En la parte de diseño, para posteriores mejoras del proyecto, se pueden aplicar algunos cambios para que cada una de las piezas tenga un carácter más estándar. joras al proyecto podríamos añadir un programa de optimización para Al tratarse de un proyecto destinado a una empresa, y cuyo objetivo es su fabricación, posteriormente al proyecto se van a realizar algunas mejoras en l os apartados citados anteriormente para mejorar el proceso de fabricación. A nivel personal, he encontrado gratificante desarrollar este trabajo por tres La posibilidad de poner en práctica muchos de los conocimientos carrera a la hora de desarrollar el trabajo. Estos conocimientos son aquellos que en el trabajo a veces aplicamos de manera inconsciente, pero que después de haberlos estudiado, comprendemos la verdadera dimensión y complejidad de todo lo que envuelve a un proyecto. La posibilidad de conocer a fondo la actividad de una empresa real y ayudar de manera directa a sus investigaciones y procesos de innovación. La posibilidad de estudiar un campo en continúo desarrollo en la industria s a industrias muy 8. B IBLIOGRAFÍA LIBROS Y MANUALES • Sadik Kakac - Heat Exchangers • Mechanical- Engineers • Termodinámica Aplicada • Tranferencia de calor ARCHIVOS DE PAGINAS WEB • http://web.usal.es/~tonidm/DEI_07_comp.pdf • http://www. uco.es/~p32sebej/Energ%C3%A9tica/Intercambiadores%20de% 20calor.pdf • http://www.slideshare.net/mahulig/tema mejorado ARTÍCULOS • DISEÑO TERMOHIDRÁULICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS, UN MÉTODO CORTO Roberto Carrizales Martínez Nº5 Marzo 2011 • Heat Transfer and Pressure Drop in Heat Exchangers. DANIEL A.DONOHUE. The Lummus Company, New York 11, N.Y. NORMATIVA • http://eurex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31997L0023:e s:HTML • http://www.f2i2.net/legislacionseguridadindustrial/Directiva.aspx?Directiva=9 7/23/CE#DatosPrincipales • http://europa.eu/legislation_summaries/internal_market/single_market_for_g oods/technical_harmonisation/l21018_es.htm PFC- Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes IBLIOGRAFÍA Heat Exchangers - Selection Rating and Thermal Desgin Engineers -Data-Handbook Termodinámica Aplicada , Editorial McGraw - Hill, de calor - Yunus A. Cengel ARCHIVOS DE PAGINAS WEB http://web.usal.es/~tonidm/DEI_07_comp.pdf uco.es/~p32sebej/Energ%C3%A9tica/Intercambiadores%20de% http://www.slideshare.net/mahulig/tema -4-intercambiadores- de TERMOHIDRÁULICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS, UN MÉTODO CORTO Roberto Carrizales Martínez Nº5 Marzo 2011 Heat Transfer and Pressure Drop in Heat Exchangers. DANIEL A.DONOHUE. The Lummus Company, New York 11, N.Y. http://eurex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31997L0023:e http://www.f2i2.net/legislacionseguridadindustrial/Directiva.aspx?Directiva=9 7/23/CE#DatosPrincipales http://europa.eu/legislation_summaries/internal_market/single_market_for_g oods/technical_harmonisation/l21018_es.htm Cálculo y diseño de intercambiadores de calor tubulares Jesús Esteban Fuertes 87 Selection Rating and Thermal Desgin uco.es/~p32sebej/Energ%C3%A9tica/Intercambiadores%20de% de -calor- TERMOHIDRÁULICO DE INTERCAMBIADORES DE Heat Transfer and Pressure Drop in Heat Exchangers. DANIEL http://eurex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31997L0023:e http://www.f2i2.net/legislacionseguridadindustrial/Directiva.aspx?Directiva=9 http://europa.eu/legislation_summaries/internal_market/single_market_for_g