CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO O SELECCIÓN DE EQUIPO

DE TRASFERENCIA DE CALOR

Los Intercambiadores de calor son considerados los segundos en

importancia en una planta industrial, luego de reactores y recipientes

de procesos, por varias razones adicionales a las de tipo económico:

1. Son los responsables del aprovechamiento y manejo de la energía

2. Normalmente en una planta industrial se encuentran en gran

número.

3. Su costo es elevado comparado con otro tipo de equipos

4. De ellos depende en buen grado la operación satisfactoria, y la

frecuencia de mantenimiento ya sea predictivo, preventivo y

correctivo, de la planta industrial,

CLASIFICACIÓN DEL EQUIPO DE TRASFERENCIA DE CALOR

a) Intercambiadores de calor de tubo concéntrico:

Se usa solo para servicios en los que se trasfiere bajas cargas térmicas del

orden de un millón de BTU/h, además se usan para calentar y enfriar

fluidos sin que lleguen a presentar cambio de fase.

b) Intercambiadores de haz de tubos y envolvente:

Este tipo de intercambiadores son los más usados en la industria de proceso,

su nomenclatura está dada por el código TEMA (Tubular Exchangers

Manufacturers Association), la cual considera tres componentes

principales:

• El Cabezal de entrada

• La envolvente o carcaza

• El cabezal de retorno

El tipo de intercambiador se designa por letras: La primera denota el tipo de

cabezal de entrada de los fluidos (A, B, C y D)

La segunda indica el tipo de envolvente (E, F, G, H, J, y K)

La tercera indica el tipo de cabezal de salida o retorno (L, M, N, P, S, T, y U)

Las combinaciones más frecuentes son:

AES: estándar

AET: Fácil manejo del haz de tubos

AJS: Caídas de presión bajas por el lado del envolvente

AGT: Proporcionan mejor potencial de temperatura de los fluidos

BKU y BKT: rehervidores tipo “kettle”

CEN y AEL: espejo fijo para evitar fugas del fluido de la envolvente.

ELEMENTOS MECÁNICOS DE UN INTERCAMBIADOR DE HAZ Y

ENVOLVENTE

Un intercambiador está compuesto por cuatro partes principales:

1. Los Tubos

2. La envolvente

3. Los cabezales de entrada y de retorno o salida

4. Las mamparas

De acuerdo a los estándares de TEMA, es recomendable que el tamaño

y tipo de intercambiador se designe mediante números y letras. Esto

es el tamaño de la unidad se designa por números que indican el

diámetro nominal que corresponde al diámetro interno en pulgadas,

redondeado al entero mas cercano y la longitud nominal expresa en

pies, que corresponde a la longitud real de los tubos. Las letras

indican el tipo, conforme ya se ha descrito.

Los Tubos:

Son los componentes básicos del intercambiador, son los que proveen la

superficie de transferencia. Se usan generalmente tubos metálicos sin costura de

los siguientes materiales:

• Acero al Carbón

• Aceros de baja aleación

• Acero inoxidable

• Cobre

• Admiralty

• Cuproniquel

• Inconel

• Aluminio en varias aleaciones

• Titanio

• Otros materiales especiales para aplicaciones específicas, como el grafito.

Los tubos pueden ser lisos o aletados, se utilizan estos últimos cuando el fluido

por el lado externo tiene un coeficiente de transferencia de calor sustancialmente

menor al interno.

Tipos de Arreglo y espaciamiento (pitch):

Los tubos no pueden ser colocados muy cerca unos de otros ya que las

perforaciones en el espejo podría debilitar demasiado la estructura del espejo,

por tanto existe una distancia mínima entre tubos.

El pitch es el espacio entre centro a centro entre los tubos, los mismos que

pueden estar en arreglos:

Triangular, Triangular rotado, cuadrado y cuadrado rotado

El pitch triangular se utiliza en intercambiadores de espejos fijos, cuando no se

necesita la limpieza de los tubos ya sea manual o mecánicamente, sin embargo

la limpieza solo puede efectuarse por medios químicos.

El pitch cuadrado es recomendable cuando se tiene un fuerte ensuciamiento del

fluido y se necesita una limpieza mecánica, o donde la caída de presión por el

lado del envolvente está limitada.

La longitud de los tubos está dada por disponibilidad comercial, y ve en

dimensiones de 8, 10, 16, 20 y 24 pies, aunque en diseños especiales se llega

a longitudes de hasta 48 pies.

Espejos:

Los espejos son placas circulares de metal barrenadas y ranuradas para

colocar los tubos y las varillas separadoras, así como el circulo de tornillos y

empaques para que embonen en la envolvente.

Los tubos son sostenidos en su lugar al ser insertados en los orificios

practicados en los espejos y posteriormente son expandidos o soldados.

Cuando se desea evitar fugas en los barrenos de los espejos se debe utilizar

espejos dobles.

Envolventes y boquillas:

La envolvente es el recipiente del fluido externo a los tubos y las boquillas son

la entrada y la salida de él.

La envolvente esta hecha de placas de metal cortada de las dimensiones

requeridas y soldadas de manera longitudinal. La redondez de la envolvente

es fundamental para colocar las mamparas y evitar las fugas entre la

envolvente y la mampara.

La boquilla de entrada con frecuencia tiene una mampara de choque en la

entrada para dispersar el fluido alimentado a fin de evitar el golpe y la erosión

de los tubos.

De acuerdo a TEMA, se tienen seis tipos de envolventes:

Tipo E: de un solo paso

Tipo F: de dos pasos

Tipo G: llamada tipo split.

Tipo H: doble split

Tipo J: de flujo dividido

Tipo K: llamada tipo “kettle”

Tomando como base la envolvente tipo E, puede decirse que se usa la

envolvente tipo F cuando existe cruce de temperaturas y se pretende lograr una

contracorriente entre los fluidos, o bien evitar un valor bajo en el factor de

corrección de la diferencia media de temperaturas.

La envolvente tipo G de flujo aplit, presenta las mismas cualidades que la

tipo F, solo que su uso principal es en la condensación de vapores. También

puede usarse en rehervidores tipo termosifón horizontal.

La envolvente tipo H, doble split, se utiliza para reducir la caída de presión

en condensadores. Las mamparas longitudinales distribuyen el flujo a lo

largo del tubo. También es común utilizarlo en rehervidores termosifón

horizontales.

Un método alternativo para reducir la caída de presión en la envolvente, lo

proporciona la envolvente tipo J de flujo dividido. En esta envolvente el vapor

se puede alimentar por dos boquillas, o si se está vaporizando el fluido se

alimenta en forma contraria.

La envolvente tipo K, se utiliza cuando se requiere generar vapor y mantener

un nivel del líquido que se alimenta

Canales y boquillas:

Los canales y boquillas sirven para controlar el fluido que entra y sale por los

tubos del intercambiador. Generalmente el fluido más corrosivo va por el

lado de los tubos del intercambiador, por lo que los canales y boquillas se

fabrican con alguna aleación compatible con los espejos y los tubos.

Los cabezales del intercambiador son de tres tipos:

1. Espejos fijos

2. Cabezal U (tubos en U)

3. Cabezales flotantes.

Mamparas:

Las mamparas tienen tres funciones:

1. Soportar los tubos en la posición apropiada durante el ensamble y la

operación

2. Prevenir la vibración de los tubos causadas por remolinos en el flujo.

3. Guiar el fluido en la envolvente en forma trasversal al haz de tubos

aumentando la velocidad y el coeficiente de transferencia de calor

Mamparas:

El tipo más común de mamparas es la segmentada, con corte horizontal,

vertical e inclinada.

Las mamparas segmentadas son círculos de diámetro ligeramente menor que la

envolvente, con un corte segmental que puede variar del 10 al 35 %, del área de

la mampara.

El corte de la mampara es generalmente vertical en condensadores,

rehervidores, vaporizadores e intercambiadores que manejan fluidos con sólidos

en suspensión, o fluidos pesados.

CALCULO DE INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO SIN

CAMBIO DE FASE

Los diámetros de las boquillas de entrada y salida se escogen en función de

diámetro de la carcasa, de la tabla siguiente:

Tubos: Las características de los tubos usados en intercambiadores de calor

se escogen de la tabla siguiente, siendo los mas usados, los de ¾ y 1 pulgada.

Continuación

Los arreglos más comunes se describen a continuación:

Diámetro de la Carcasa:

Se determina en función del número de tubos, número de pasos y tipo de

arreglo, se puede hacer uso de las siguientes tablas:

Continuación

Continuación

Continuación

Continuación

Longitud de los Tubos:

Se utilizan longitudes estándar de 8, 12, y 16, pies, más común,

también 20 y 24 pies.

Mamparas o deflectores:

Para mejorar la turbulencia por el lado de la carcasa se utilizan

mamparas que van localizada a 1/5 a 1 diámetro de la carcasa, y lo

más común es mamparas segmentadas con del área trasversal de la

carcasa.

PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA EL DISEÑO TÉRMICO

HIDRAULICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CARCASA.

1. La Ecuación de Diseño de un Intercambiador de calor esta dado por

la ecuación:

2. Determinar la Diferencia de Temperaturas media

mTUAQ

El término de diferencia de temperatura, ∆Tm, es el que debe ser

aplicado más correctamente, en la mayoría de las veces es una media

logarítmica, pero debe cumplirse varias condiciones para que el

resultado deducido necesite una media logarítmica, estas son:

• El sistema debe encontrarse en régimen permanente

• El coeficiente de transferencia de calor debe ser constante a través

de todo el intercambiador.

• No debe haber cambio de fase.

Para un intercambiador de calor con flujo en contracorriente, los

perfiles de temperatura se ilustran en la siguiente gráfica:

Esta ecuación se aplica fácilmente excepto cuando las curvas son paralelas

y por tanto los incrementos de temperatura son iguales. En este caso la

diferencia media logarítmica de temperatura se vuelve simplemente una

media aritmética o un valor en cada uno de los extremos.

)/ln( ch

ch

mTT

TTTMLDT

chm TTTMLDT

Para el caso de un Intercambiador con las corrientes de flujo en paralelo,

el perfil de temperaturas sería el siguiente:

Como en este caso no se puede lograr en la corriente fría una temperatura

de salida mayor a la temperatura de salida de la corriente caliente, no es muy

frecuente el empleo de esta forma de circulación, y solo se aplica a

materiales sensibles al calor y otros materiales dónde se desea limitar la

temperatura de salida.

)/ln( ch

ch

mTT

TTTMLDT

Para un intercambiador en dónde se realiza cambio de fase, Por ejemplo: un

rehervidor de una columna de destilación, primer efecto de un evaporador

En este caso, se emplea una diferencia de temperatura media como la

indicada en el perfil de temperaturas,

En cambios de fase en dónde se tienen flujos que constituyen mezclas y no

componentes puros, los perfiles de temperatura podrían parecerse a los de la

figura siguiente:

Aquí las temperaturas de ebullición y de condensación cambian con la

concentración y con la ubicación del intercambiador. En este caso se calcula

como MLDT

)/ln(''

''

ch

ch

mTT

TTTMLDT

dónde es la diferencia

de temperaturas de rocío

y es la diferencia

entre temperaturas de

burbuja

'

hT

'

cT

3. Corregir la diferencia de temperaturas

En los intercambiadores que no pueden ser ni a contracorriente ni en paralelo

es necesario una corrección final de la media de la diferencia de temperaturas.

En estos intercambiadores por conveniencia o necesidad mecánica tienen

arreglos de flujo cruzado y flujo mezclado. Un ejemplo típico son los

intercambiadores de carcasa tipo 1-2 u otro tipo.

fMLDTTm *

y el factor f se obtiene gráficamente, en función de parámetros que se

calculan en función de las temperaturas terminales.

Nota: Para operaciones de ebullición y condensación el factor de corrección

es uno, ya que en este caso no importa el arreglo del flujo.

Además, para diseño rara vez se emplean factores de corrección menores a

0,8; más bien se vuelve a diseñar el patrón de flujo para proporcionar una

configuración más eficiente.

4. Calculo del área de transferencia y el número de tubos

Para esto asumir un Coeficiente de transferencia de calor y calcular el área

supuesta.

Se hace uso de la ecuación de diseño del punto 1, y el calor trasferido se

obtiene de un balance de entalpía.

Con el área supuesta se calcula el número de tubos, según la ecuación

TuboslosdelongitudL

longituddeunidadportubodeláreaa

uestaáreaA

TubosdeNúmeroNdondeLa

AN

s

t

s

t

sup

:

5. Con el número de tubos, el tipo de arreglo y el número de pasos

por los tubos, se determina el diámetro de la Carcasa, según la tabla

descrita.

6. Calculo del número de Mamparas

LB

LNM

L = longitud de los tubos

LB = distancia entre

mamparas

7. Calcular el área de flujo por los tubos

n

aNat

ft Nt = número de tubos

af = área de flujo por tubo (tabla de características

de los tubos

n = número de pasos

8. Calculo del número de Reynolds por los tubos

Mi

M

GD

at

MG

Re

M = flujo másico del fluido

Di = diámetro interno del tubo

µ = viscosidad del fluido

9. Calcular el convección interno, se obtiene a partir del factor jH en

función de la siguiente gráfica, en función del número de Reynolds

10. Cálculo del factor de fricción por los tubos: Con el número de Reynolds se

obtiene el factor de fricción de la siguiente figura.

11. Cálculo de caída de presión en tramos rectos

Dg

nLVfP

c

TR2

2

12. Caída de presión en los retornos de los pasos de los tubos

c

Rg

VnP

2

4 2

13. Caída de presión interna total

RTRT PPP

V = velocidad

gc = factor gravitacional

= densidad

14. Calculo del área de flujo de la carcasa

t

s

sP

LBCDa

' LB = distancia entre mamparas

Ds = diámetro interno de la carcasa

Pt = espaciamiento entre tubos

C´ = distancia entre tubos

15. Diámetro equivalente del lado de la carcasa

0

2

0 )4/(4

D

DPD T

e

0

2

0

2

42

186,0

24

D

DP

P

D

t

t

e

Para arreglo

cuadrangular

Para arreglo

triangular

También puede hacerse

usa de la Tabla siguiente

16. Obtención de jH y h0. Para valores de Re, de 2000 a 1000000 y mamparas

de corte segmentado del 25 %, los dato se la siguiente gráfica

También puede obtenerse según la siguiente ecuación

14,0

3/1

55,0

0 36,0s

r

see PGD

k

Dh

17. Calculo de caída de presión por el lado de la carcasa

22

1

ec

ss

ssDg

nDGfP

La caída de presión es proporcional

al número de cruces entre mamparas

N = número de mamparas

fs = factor de fricción por el lado de la

carcasa con mamparas de 25 % de

corte, este factor se obtiene de la

siguiente figura.

18. Calculo del coeficiente total de transferencia de calor

fii

o

ii

oi

f hD

D

hD

D

k

DDD

hhU ,

00

,00 2

)/ln(111

La resistencia térmica de los tubos puede obtenerse de la siguiente tabla

Los factores de ensuciamiento o resistencia térmica de incrustaciones en los

tubos, puede obtenerse de la siguiente tabla

kcal

Chm2

19. Calculo del área del intercambiador

TAUQ calcal

Si el área calculada es igual al área supuesta se detiene el calculo; si no

es así, se obtiene un nuevo numero de tubos, el nuevo diámetro de la

carcasa y se repite el calculo.