Conceptos básicos de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos (con PDF)

¿Qué es un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor es un dispositivo para transferir calor de un fluido (líquido/gas) a otro. Hay varios tipos de intercambiadores de calor que se utilizan en las tuberías de proceso. El intercambiador de calor de carcasa y tubos es el intercambiador de calor más utilizado y se encuentra entre los medios más efectivos de intercambio de calor. El intercambiador de calor de carcasa y tubos es un dispositivo en el que dos fluidos de trabajo intercambian calor por contacto térmico utilizando tubos alojados dentro de una carcasa cilíndrica. La temperatura del fluido dentro de la carcasa y el tubo es diferente y esta diferencia de temperatura es la fuerza motriz del intercambio de temperatura. Utilizados para un amplio rango de temperatura y presión, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son de diseño compacto, fáciles de construir y mantener y proporcionan un excelente intercambio de calor.

Como su nombre indica, consta de una carcasa y una serie de tubos. La carcasa es la carcasa del intercambiador y los tubos están montados dentro de la carcasa cilíndrica.

Principio de funcionamiento del intercambiador de calor de carcasa y tubos

El funcionamiento de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es bastante simple. Un fluido fluye dentro de los tubos y el otro a través de la coraza. Mientras fluyen, intercambian los calores, lo que significa que el fluido frío obtiene el calor del fluido caliente. Entonces, un fluido frío ingresa a la boquilla de entrada de la carcasa (o del lado del tubo o del lado del canal) y sale de la boquilla de salida como fluido caliente. Obviamente, el otro fluido se enfriará en la salida que en la entrada. La transferencia de calor en un intercambiador de calor de carcasa y tubos está determinada por el área de superficie expuesta que se decide por el número de tubos metálicos térmicamente conductores. El flujo de fluido dentro del intercambiador de calor de carcasa y tubos puede ser flujo paralelo o flujo cruzado.

La figura 1 muestra el principio de funcionamiento típico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos

Principio de funcionamiento del intercambiador de calor de carcasa y tubos típico
Fig. 1: Principio de funcionamiento de un intercambiador de calor de carcasa y tubos típico

La figura anterior muestra la boquilla de entrada y salida en el cabezal frontal del lado del canal. Eso significa que este intercambiador consta de un número par de pasos de tubos. Sin embargo, puede haber un número impar de pasos de tubo. En esa situación, la boquilla de salida del lado del canal estará en el encabezado de lectura. Aumentar el número de pasos del tubo aumenta el coeficiente de transferencia de calor.

Para aumentar la turbulencia del fluido en el flujo lateral del tubo y la carcasa, se instalan turbuladores y deflectores dentro de los tubos y las carcasas, respectivamente. Esto aumenta la transferencia de calor entre los fluidos.

omponentes básicos del intercambiador de calor de carcasa y tubos

Por lo general, un intercambiador de calor de carcasa y tubos consta de dos compartimentos/sección, uno es el lado de la carcasa y el otro es el lado del canal/tubo

  • La sección lateral de la carcasa consta de los siguientes componentes: carcasa, cubierta, brida del cuerpo, boquillas, soporte del asiento.
  • La sección lateral del canal/tubo consta de los siguientes componentes: canal, cubierta, brida del cuerpo, boquillas, placa de tubos y tubos (haz de tubos)
Componentes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos
Fig. 2: Componentes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos

El intercambiador de calor está soportado por monturas en la parte de la carcasa.

Paquete de tubos de intercambiador de calor de carcasa y tubos

El haz de tubos (Fig. 3) consta de los siguientes componentes

  • Placa de tubos
  • tubos
  • deflectores
  • Tirantes y espaciadores
  • tiras deslizantes

Los haces de tubos se retiran durante el mantenimiento. La práctica estándar es hacer fluir el fluido corrosivo dentro de los tubos para que, si se corroen, puedan reemplazarse o repararse fácilmente. La Fig. 3 a continuación muestra un haz de tubos típico.

Haz de tubos típico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos
Fig. 3: Haz de tubos típico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos

Patrón de tubos dentro del intercambiador de calor de carcasa y tubos

Normalmente, los tubos dentro del intercambiador tienen un tamaño de 0,5″ a 2″ y están dispuestos en un patrón triangular o cuadrado como se muestra en la Fig. 4

Patrones típicos de tubos
Fig. 4: Patrones típicos de tubos

paso de tubo

El tubo se colocará con una distancia mínima de centro a centro de 1,25 veces el diámetro exterior del tubo. Cuando se especifica la limpieza mecánica del tubo, se debe proporcionar un carril de limpieza mínimo de 6,4 mm.

deflectores

Los deflectores están instalados en la carcasa del intercambiador de calor de carcasa y tubos para crear más turbulencia y aumentar el tiempo de flujo para que sea posible un mejor intercambio de calor. Los deflectores sostienen los tubos para minimizar el daño y la vibración de los tubos.

Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos TEMA según la aplicación

Según TEMA (Asociación de fabricantes de intercambiadores tubulares), el intercambiador de calor de carcasa y tubos se puede clasificar como

  • Intercambiadores de clase R: aplicación de refinería y petroquímica
  • Intercambiadores Clase C – Aplicación de proceso general
  • Intercambiadores Clase B – Aplicación de Procesos Químicos

Criterios aplicables al intercambiador de calor de carcasa y tubos TEMA

  • Diámetro interior inferior a 2540 mm (100 pulgadas)
  • Producto de diámetro nominal (mm) y presión de diseño (kPa) de 17,5 x 10 6
  • Presión de diseño de 3000 psig (20684 KPa)

La razón detrás de tal limitación es mantener el grosor máximo de la pared del armazón por debajo de 76 mm (3 pulg.) y el diámetro máximo del montante por debajo de 102 mm (4 pulg.).

Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos según la construcción

Dependiendo de varios parámetros de construcción y configuración, los siguientes tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos son ampliamente utilizados en las industrias.

Intercambiador de calor de placa tubular fija

La placa de tubos se fija en la carcasa mediante soldadura y, por lo tanto, se aplica el término intercambiador de placa de tubos fija. Esta construcción simple y económica permite la limpieza de los orificios de los tubos por medios mecánicos o químicos. Se instala un fuelle de expansión en la carcasa cuando hay grandes diferencias de temperatura entre los materiales de la carcasa y el tubo. Consulte la Fig. 5 para ver un ejemplo de intercambiador de calor de tubo fijo.

Ejemplo de un intercambiador de calor de tubo fijo típico
Fig. 5: Ejemplo de un intercambiador de calor de tubo fijo típico

Intercambiador de calor de cabeza flotante

En la construcción de cabezal flotante, el cabezal trasero puede flotar o moverse ya que no está soldado al armazón. El haz de tubos se puede quitar fácilmente durante el mantenimiento. La figura 6 muestra un ejemplo de intercambiador de calor de cabeza flotante.

Ejemplo de un intercambiador de calor de haz extraíble de cabeza flotante típico
Fig. 6: Ejemplo de un intercambiador de calor de haz extraíble de cabeza flotante típico

Placa de tubo estacionaria con haz de tubos extraíble

La Fig. 7 muestra un ejemplo de placa de tubos estacionaria con haz de tubos desmontable.

Ejemplo de un intercambiador de calor estacionario tipo placa tubular típico
Fig. 7: Ejemplo de un intercambiador de calor estacionario tipo placa tubular típico

Intercambiador de calor de tubo en U

Los intercambiadores de tubos en U son un tipo de intercambiadores de calor de carcasa y tubos cuyo haz de tubos está hecho de tubos continuos doblados en forma de “U”. El lado de la curva flota libremente y esto ayuda en la expansión térmica sin necesidad de juntas de expansión. Sin embargo, tales curvas son difíciles de limpiar.

Representación típica del intercambiador de calor de tubo en U
Fig. 8: Representación típica del intercambiador de calor de tubo en U

En función del número de veces que los flujos del lado de los tubos/del lado de la carcasa pasan a través del intercambiador, el intercambiador de calor de carcasa y tubos se clasifica como:

  • Intercambiadores de un solo paso y
  • Intercambiadores multipaso

La clasificación completa de TEMA de los tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos se proporciona en la Fig. 9 a continuación:

Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos TEMA
Fig. 9: Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos TEMA

Dependiendo de la aplicación de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, se conocen como varios tipos, como se indica a continuación:

  • Rehervidores
  • Evaporadores
  • condensadores
  • Posenfriadores
  • Precalentadores, etc

Tipos de pila de configuración

En este, dos o tres intercambiadores de calor colocados uno encima del otro. Esto se denomina 1 shell en paralelo y 2 o 3 Shells en serie. Consulte la Fig. 10.

Figura que muestra la disposición en pila de los intercambiadores de calor
Fig. 10: Figura que muestra la disposición en pila de los intercambiadores de calor

Códigos y normas para intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Los siguientes códigos y normas rigen el diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos.

  • API 660 / ISO 16812 (Intercambiadores de calor de carcasa y tubos para servicio general de refinería)
  • ASME SECT.VIII Div.1 (UHX) o Div.2, PD 5500, EN 13445, AD 2000 Merkblatt.
  • TEMA – Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares
  • Shell DEP 31.22.20.31 y DEP 31.21.01.30

Diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Diseño de proceso de intercambiador de calor de carcasa y tubos

El diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos es un proceso iterativo de prueba y error. En los últimos tiempos, el diseño térmico lo lleva a cabo el equipo de proceso utilizando un software de ingeniería. Sin embargo, la lógica detrás de los cálculos debe entenderse claramente. Los cálculos de diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos se basan en la selección inicial de una configuración preliminar del intercambiador y ciertas decisiones iniciales como

  • el tipo de encabezado delantero y trasero,
  • tipo de caparazón,
  • los lados se distribuyen los fluidos,
  • tipo de deflector y paso de deflector
  • diámetro del tubo, longitud y disposición del tubo
  • diámetro de la concha y
  • número de pasadas de tubo

Otros pasos para el diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos consisten en

  • Cálculo de la distribución del flujo del lado de la coraza y el coeficiente de transferencia de calor
  • Estimación del coeficiente de transferencia de calor del lado del tubo y la caída de presión
  • Determinación de la resistencia de la pared y el coeficiente global de transferencia de calor
  • Cálculo de la diferencia de temperatura media (diferencia de temperatura media logarítmica) a partir de las temperaturas de entrada y salida de los dos fluidos.
  • Estimación del área de transferencia de calor requerida
  • Comparación del área calculada con la geometría supuesta
  • Comparación de la caída de presión del lado de la carcasa y de los tubos con la caída de presión admisible
  • Si la caída de presión está dentro de los límites permitidos, el diseño de caída de presión es aceptable. De lo contrario, ajuste la geometría supuesta y repita los pasos anteriores.

Una vez que se cumplen los requisitos, se desarrolla una hoja de datos del proceso que indica todos los parámetros de diseño del proceso del diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Consideraciones generales de diseño para intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Asignación de fluidos: lado de la carcasa frente al lado del tubo

La siguiente tabla (Tabla-1) proporciona pautas generales para la asignación de fluidos del lado de carcasa y tubos en un intercambiador de calor de carcasa y tubos:

Parámetros de fluidosAsignación de fluidos: lado de la carcasaLado del tubo de asignación de fluidos
Corriente de fluido de alta presión X
Fluido corrosivo X
Corriente de fluido de alto ensuciamiento X
Más Fluido viscosoX 
Líquido de caudal más bajoX 
Fluido con bajo coeficiente de transferencia de calorX 
Fluido Tóxico X

Tabla 1: Asignación de fluidos de la carcasa y del lado de los tubos

Velocidad del fluido dentro de la carcasa y el tubo

Las altas velocidades del fluido aumentan los coeficientes de transferencia de calor y reducen el ensuciamiento, pero provocan erosión y aumentan la caída de presión. Por lo tanto, la velocidad seleccionada debe ser suficiente para evitar el asentamiento de suelos suspendidos. Las velocidades de fluido típicas consideradas para el diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos se dan en la siguiente tabla (Tabla-2):

Tipos de fluidosVelocidad del fluido: lado de la carcasaLado del tubo de velocidad del fluido
Líquido0,3 a 1 m/s1 a 2 m/s
Gas/Vapor (Presión de vacío)50 a 70 m/s50 a 70 m/s
Gas/Vapor (Presión Atmosférica)10 a 30 m/s10 a 30 m/s
Gas/Vapor (Alta Presión)5 a 10 m/s5 a 10 m/s

Tabla 2: Velocidades de fluido típicas en el diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Consideración de caída de presión

Los valores típicos de caída de presión considerados para el diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos son:

  • Para Líquidos con Viscosidad<1 mN-s/m 2 , ΔP=35 kPa
  • Para líquidos con Viscosidad=1 a 10 mN- s/m 2 , ΔP= 50-70 kPa
  • Líquidos sin cambio de fase= 70 kPa
  • Corrientes de condensación = 14 kPa
  • Para servicios de Vapor y gas:
    • Alto vacío Presión: 0,4-0,8 kPa
  • Medio vacío Presión: 0,1 x presión absoluta
    • Presión de 1 a 2 bar: 0,5 x presión manométrica del sistema
    • Presión superior a 10 bar: 0,1 x presión manométrica del sistema
    • Vapores sin cambio de fase= 14 kPa
    • Corrientes en ebullición = 7 kPa

Software utilizado para Diseño Térmico

El software más popular utilizado para el diseño térmico de intercambiadores de calor de carcasa y tubos se enumeran a continuación

  • HTRI – Instituto de Investigación de Transferencia de Calor
  • HTFS: investigación de transferencia de calor y servicio de flujo de fluidos

Diseño mecánico del intercambiador de calor de carcasa y tubos

El diseño mecánico de intercambiadores de calor de carcasa y tubos consiste en el cálculo del grosor de la carcasa, el grosor de la brida, etc. Varios códigos como ASME Sec VIII, PD 5500, TEMA, etc. proporcionan pautas para el diseño mecánico. Se pueden seguir las siguientes pautas de diseño:

  • Espesor mínimo de la carcasa (Fig. 11) según TEMA para clase – R
Espesor mínimo de la carcasa del intercambiador de calor de carcasa y tubos
Fig. 11: Espesor mínimo de la carcasa del intercambiador de calor de carcasa y tubos
  • Espacio libre del deflector, espaciado del deflector y grosor según la tabla TEMA RCB -4.3
  • Tamaño de barra de acoplamiento y números. según tabla TEMA R- 4.71 para clase – R
  • Junta periférica: el ancho mínimo de la junta del anillo periférico para juntas externas debe ser de 10 mm para tamaños de carcasa de hasta 584 mm y de 12 mm para todos los tamaños de carcasa más grandes.
  • Empaque de partición de paso: El mín. El ancho del alma de la junta para la partición de paso del canal no debe ser inferior a 6,4 mm para tamaños de carcasa de hasta 584 mm y 9,5 mm para todos los tamaños de carcasa más grandes. Junta de junta debe ser de tipo confinado
  • El diseño de la carcasa y el cabezal se realiza según el código de diseño de recipientes a presión seleccionado, como ASME, EN o AD
  • El código de diseño más utilizado en todo el mundo es ASME Sect. VIII División 1 y 2
  • Diseño de brida de cuerpo/circunferencia según el Apéndice -2 de ASME Sect. VIII División 1
  • El diseño de la placa tubular es obligatorio según UHX de ASME Sect. VIII División 1
  • La placa de tubos está diseñada para los siguientes tres casos.
    • La presión del lado del tubo (Pt) actúa y la presión del lado de la carcasa (Ps) es cero
    • La presión del lado de la carcasa (Ps) actúa y la presión del lado del tubo (Pt) es cero
    • Presión del lado de la carcasa (Ps) actuando y presión del lado del tubo (Pt) actuando
  • Considere el efecto del vacío en los casos de carga anteriores
  • Fórmula de diseño de placa de tubo basada en la teoría de placas planas

Material de construcción del intercambiador de calor de carcasa y tubos

Los siguientes materiales son los más comunes como intercambiador de calor de carcasa y tubos MOC.

  • Acero al carbono y placas de revestimiento
  • Acero inoxidable
  • Acero inoxidable dúplex
  • Tubos: acero al carbono, acero inoxidable, acero inoxidable dúplex, material exótico como cobre, Inconel, titanio

Mantenimiento de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Según la experiencia del usuario y las pautas del fabricante, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos deben inspeccionarse a intervalos regulares. Un intercambiador de calor de carcasa y tubos puede fallar por uno o más de los siguientes factores:

  • Diseño inadecuado.
  • Ensuciamiento excesivo.
  • Atasco de aire o gas como resultado de una instalación incorrecta de tuberías o falta de ventilaciones adecuadas.
  • Holguras excesivas entre los deflectores y la carcasa y/o los tubos, debido a la corrosión.
  • Condiciones de operación que difieren de las condiciones de diseño.
  • Mala distribución del flujo en la unidad, etc.

Seguir los pasos de mantenimiento preventivo a intervalos regulares puede reducir el riesgo de falla del equipo. Se pueden seguir los siguientes pasos de mantenimiento para mejorar el rendimiento del intercambiador de calor de carcasa y tubos:

  • Limpieza periódica para evitar ensuciamiento
  • Inspección de tubos
  • Reemplazo de juntas
  • Reparación de fugas si se detectan durante la inspección.

Aplicación de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos encuentran su aplicación en las siguientes industrias:

  • Refinería y Petroquímica
  • Fertilizante
  • Petróleo y gas
  • Químico
  • Plantas de energía
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