Los intercambiadores de calor de coraza y tubos están compuestos por tubos cilíndricos, montados dentro de una carcasa también cilíndrica, con el eje de los tubos paralelos al eje de la carcasa. Un fluido circula por dentro de los tubos, y el otro por el exterior (fluido del lado de la carcasa). Este tipo de intercambiadores es muy utilizado en la industria naval gracias a sus ventajas de elevada robustez y fácil limpieza.
Por definición, un intercambiador de calor es un dispositivo cuya función es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se produce a través de la superficie de los tubos que favorezcan el intercambio de calor entre dos fluidos sin que estos se mezclen.
La configuración de tubos y carcasa es la construcción más básica y común de los intercambiadores de calor. Los componentes básicos de este intercambiador son: El haz de tubos (o banco de tubos), carcasa, cabezal fijo, cabezal removible (o trasero), deflectores, y la placa tubular.
El fluido que circula por el interior de los tubos se denomina «Flujo interno» y el fluido que circula por la carcasa «Flujo externo». El fluido que circula por el interior de los tubos debe ser el que esté expuesto a menores intervalos entre limpiezas, debido a que es mucho más fácil limpiar el flujo interno que el externo. También en sistemas donde los fluidos presentan grandes diferencias de presiones, el fluido de mayor presión circula a través de los tubos y el de menor presión por el exterior, es decir por la carcasa. Esto viene a razón de los costes de materiales, los tubos pueden fabricarse para soportar mayores presiones que la carcasa dado que si fuese a la inversa, el costo sería mucho mayor.
En los extremos de los tubos, el fluido que circula por el interior de los tubos es separado del fluido que circula por la carcasa por la denominadas «Placas del tubo». En las partes intermedias se pueden apreciar unos separadores en forma de media luna llamados «Deflectores» cuya función es forzar la dirección del flujo y mejorar el intercambio de calor.
Existen 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 Tubulares (TEMA), con algunas modificaciones, dependiendo del país. Esta asociación 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.
Calculo de Intercambiadores de calor:
El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible inicialmente, esto es, definir para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas, propiedades físicas, ensuciamiento, pérdidas de presión admisibles, etc. Luego se procede a seleccionar valores tentativos para los parámetros más importantes de diseño, tales como longitud y diámetro de los tubos (teniendo en cuenta las pérdidas de presión y las vibraciones que se producirán), el arreglo del banco de tubos, el espaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos y cantidad de carcasas en serie. Con estas dimensiones, se tiene el valor de un área inicial supuesta.
Con estos valores se efectúa la evaluación térmica del intercambiador, dando como resultado un valor del coeficiente global de transferencia de calor. Este puede obtenerse mediante la combinación de correlaciones que dependen de los parámetros seleccionados. Con este valor, se procede a calcular un nuevo valor de área requerida. El procedimiento es más preciso en la medida que lo es el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Este es un valor que depende del coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior y exterior de los tubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos. Si bien la definición de dichos coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las correlaciones actuales, no lo es tanto para el lado de la carcasa.
En general, puede enumerarse una serie de pasos, como sigue:
Por definición, un intercambiador de calor es un dispositivo cuya función es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se produce a través de la superficie de los tubos que favorezcan el intercambio de calor entre dos fluidos sin que estos se mezclen.
La configuración de tubos y carcasa es la construcción más básica y común de los intercambiadores de calor. Los componentes básicos de este intercambiador son: El haz de tubos (o banco de tubos), carcasa, cabezal fijo, cabezal removible (o trasero), deflectores, y la placa tubular.
El fluido que circula por el interior de los tubos se denomina «Flujo interno» y el fluido que circula por la carcasa «Flujo externo». El fluido que circula por el interior de los tubos debe ser el que esté expuesto a menores intervalos entre limpiezas, debido a que es mucho más fácil limpiar el flujo interno que el externo. También en sistemas donde los fluidos presentan grandes diferencias de presiones, el fluido de mayor presión circula a través de los tubos y el de menor presión por el exterior, es decir por la carcasa. Esto viene a razón de los costes de materiales, los tubos pueden fabricarse para soportar mayores presiones que la carcasa dado que si fuese a la inversa, el costo sería mucho mayor.
Existen 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 Tubulares (TEMA), con algunas modificaciones, dependiendo del país. Esta asociación 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.
Calculo de Intercambiadores de calor:
El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible inicialmente, esto es, definir para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas, propiedades físicas, ensuciamiento, pérdidas de presión admisibles, etc. Luego se procede a seleccionar valores tentativos para los parámetros más importantes de diseño, tales como longitud y diámetro de los tubos (teniendo en cuenta las pérdidas de presión y las vibraciones que se producirán), el arreglo del banco de tubos, el espaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos y cantidad de carcasas en serie. Con estas dimensiones, se tiene el valor de un área inicial supuesta.
Con estos valores se efectúa la evaluación térmica del intercambiador, dando como resultado un valor del coeficiente global de transferencia de calor. Este puede obtenerse mediante la combinación de correlaciones que dependen de los parámetros seleccionados. Con este valor, se procede a calcular un nuevo valor de área requerida. El procedimiento es más preciso en la medida que lo es el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Este es un valor que depende del coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior y exterior de los tubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos. Si bien la definición de dichos coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las correlaciones actuales, no lo es tanto para el lado de la carcasa.
En general, puede enumerarse una serie de pasos, como sigue:
- Comprobar el balance de energía, se deben de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades físicas de los fluidos.
- Asignar las corrientes al tubo y carcasa.
- Dibujar los diagramas térmicos.
- Determinar el número de intercambiadores en serie.
- Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).
- Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.
- Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de transmisión de Calor
- Calcular la superficie de intercambio estimada.
- Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).
- Calcular las pérdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el número de pasos para cumplir con las pérdidas de presión admisibles.
- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la pérdida de presión en casco admisible.
- Recalcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles.
- Recalcular los coeficientes globales de transmisión de calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio.
- Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas 9-13.
VIDEOS:
En los siguientes videos, la Dra. Isabel Lamas explica como se calculan los intercambiadores de calor, agradecemos su amabilidad por darnos permiso en publicarlos en esta página.
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