Descripción general de los intercambiadores de calor enfriados por aire (con PDF)

Los intercambiadores de calor enfriados por aire son uno de los tipos de intercambiadores de calor que se usan con frecuencia en las industrias de procesos, energía, acero y varias otras, donde un sistema de proceso genera calor que debe eliminarse, para el cual no hay un uso local. La función principal del intercambiador de calor enfriado por aire es el enfriamiento directo de varios medios de proceso por el aire atmosférico. Estos intercambiadores de calor también se conocen como enfriadores de ventilador de aleta de aire o enfriadores de aleta de aire o enfriadores de aire o intercambiadores de calor de tubo de aleta.

Ventajas del intercambiador de calor enfriado por aire

La principal ventaja de los intercambiadores de calor enfriados por aire (ACHE) es su bajo costo de mantenimiento y operación.

En comparación con las torres de enfriamiento y los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, los enfriadores de aire son una solución “verde”. No requieren un suministro de agua auxiliar debido a la pérdida de agua por deriva y evaporación. Donde no hay utilidad como agua disponible como medio de enfriamiento.

Por lo general, se utilizan cuando la temperatura de salida es superior a los 20 grados. F por encima de la temperatura ambiente máxima esperada del aire. Se pueden usar con temperaturas de aproximación más cercanas, pero a menudo resultan costosos en comparación con una combinación de una torre de enfriamiento y un intercambiador enfriado por agua. La Fig. 1 muestra el principio de funcionamiento de un intercambiador de calor enfriado por aire típico.

Construcción del intercambiador de calor enfriado por aire 

La construcción del intercambiador de calor enfriado por aire es bastante simple. La Fig. 2 y la Fig. 3 muestran los componentes de un enfriador de ventilador con aletas de aire. Consulte el video animado al final del artículo para una comprensión adecuada.

  • Por lo general, los intercambiadores enfriados por aire consisten en un haz de tubos con aletas con cabezales de caja rectangular en ambos extremos de los tubos.
  • El aire de refrigeración es proporcionado por uno o más ventiladores.
  • Por lo general, el aire sopla hacia arriba a través de un haz de tubos horizontales.
  • Los ventiladores pueden ser de tiro forzado o inducido dependiendo de si el aire es empujado o tirado a través del haz de tubos.
  • El espacio entre los ventiladores y el haz de tubos está encerrado por una cámara impelente que dirige el aire. Todo el conjunto suele estar montado sobre patas o sobre un soporte para tuberías.
Construcción de intercambiadores de calor enfriados por aire
Fig. 2: Construcción de intercambiadores de calor enfriados por aire
Construcción de enfriadores Air Fin Fan
Fig. 3: Construcción de enfriadores Air Fin Fan

Componentes de un intercambiador de calor enfriado por aire

Un intercambiador de calor enfriado por aire consta de los siguientes componentes principales (consulte la Fig. 11):

  • Uno o más paquetes de la superficie de transferencia de calor.
  • Un ventilador o soplador que mueve el aire.
  • Un impulsor mecánico y transmisión de energía para hacer funcionar el ventilador o soplador.
  • un pleno
  • Una estructura de soporte
  • Plataformas de mantenimiento de Cabeceras y Ventiladores.
  • Rejillas y conductos de recirculación opcionales
  • Concentrador de ventilador de paso variable opcional o variador de frecuencia para control de temperatura y ahorro de energía.

Disposición de la bahía en el enfriador de aire

Uno o más haces de tubos, alimentados por dos o más ventiladores, incluida la estructura, el pleno y otros equipos auxiliares, se denomina bahía en un intercambiador de calor enfriado por aire. Consulte la Fig. 4 para conocer las disposiciones típicas de bahía.

Arreglos de bahías en Air Coolers
Fig. 4: Arreglos de bahías en enfriadores de aire

Tubos intercambiadores de calor enfriados por aire

El espesor de pared de los tubos con un DE de 1 pulgada (25,4 mm) a 11/2 (38,1 mm) no debe ser inferior al especificado en la siguiente tabla: (Fig. 5)

Requisitos mínimos de espesor de pared para el material del tubo
Fig. 5: Requisitos mínimos de espesor de pared para el material del tubo

¿Qué tipo de tubos con aletas se utilizan para los enfriadores de aire?

  • Tipos de aletas
    • Incrustado
    • extruido
    • con patas
    • Unido externamente
    • Elíptico
  • Densidad de aletas (FPI) – 7 a 16
  • Altura de la aleta: 3/8 de pulgada a 5/8 de pulgada
  • Grosor de la aleta: 0,012 a 0,02 pulgadas

Tipos de aletas (Fig. 6):

Figura que muestra varios tipos de aletas
Fig. 6: Figura que muestra varios tipos de aletas

Selección de aletas (Fig. 7):

Consulte la Fig. 7 para conocer las temperaturas límite de varios tipos de aletas.

Temperaturas límite para varios tipos de aletas.
Fig. 7: Temperaturas límite para varios tipos de aletas.

Material de la aleta

Los materiales típicos utilizados para la construcción de aletas de intercambiadores de calor enfriados por aire son

  • Aluminio
  • Acero carbono
  • Los tubos con aletas de acero al carbono se pueden galvanizar en caliente para evitar la corrosión y proporcionar una unión metálica entre la aleta y el tubo desnudo.
  • Cobre

Orientación del haz de tubos del intercambiador de calor enfriado por aire:

Son posibles tres tipos de orientación del haz de tubos ACHE; orientación horizontal, vertical e inclinada.

La orientación horizontal es el tipo más preferido y común y se usa ampliamente en las industrias de procesos.

Orientar los haces de tubos en dirección vertical (Fig. 8) puede ahorrar un área considerable, pero el rendimiento del enfriador de aire depende en gran medida de la velocidad y dirección del viento dominante. Entonces, si el viento predominante está en la dirección opuesta, reducirá en gran medida el rendimiento del intercambiador de calor enfriado por aire.

Orientación del haz de tubos del intercambiador de calor enfriado por aire
Fig. 8: Orientación del haz de tubos del intercambiador de calor enfriado por aire

Las unidades de intercambiador de calor refrigeradas por aire con bastidor en A o bastidor en V son un compromiso entre el requisito de área de suelo y el rendimiento del intercambiador. En este tipo de diseño, dos paquetes tienen una pendiente de 45°-60° y se unen por sus cabeceras en la parte superior o inferior. Por lo tanto, toma la forma de A o V. En aplicaciones de condensación de vapor, se utiliza el tipo de marco en A (Fig. 8) con ventiladores de tiro forzado.

¿Qué son los cabezales de enfriadores de aire?

Los cabezales de los enfriadores de aire son las cajas en los extremos de los tubos que distribuyen el fluido desde la tubería hasta los tubos. El diseño del cabezal de la placa de cubierta deberá permitir la extracción de la cubierta sin perturbar las conexiones de tubería del cabezal. La figura 9 muestra una construcción típica de haces de tubos con cabezales de placa de cubierta extraíbles.

un encabezado típico para enfriador de ventilador de aleta de aire
Fig. 9: Figura que muestra un encabezado típico para enfriador de ventilador con aleta de aire

El diseño del cabezal del casquete permitirá retirar el casquete con el mínimo desmantelamiento de las conexiones de tubería del cabezal. Se deben proporcionar orificios de tapón roscados frente a los extremos de cada tubo para el acceso. Los orificios se deben roscar hasta la profundidad total de la hoja del tapón o 50 mm (2 pulgadas), lo que sea menor.

Los tipos de cabezales comunes (Fig. 10) utilizados en la construcción de intercambiadores de calor enfriados por aire son

  • Encabezado de caja de enchufe: ampliamente utilizado
  • Cabecera de cubierta atornillada
  • Encabezado del capó
  • Encabezado múltiple
  • Pipe Header: cabezal cilíndrico para servicios de muy alta presión (>200 bar)
Tipos comunes de cabezales de intercambiadores de calor enfriados por aire
Fig. 10: tipos comunes de cabezales de intercambiadores de calor enfriados por aire

¿Por qué algunos enfriadores son de tiro forzado y algunos de tiro inducido (Fig. 11) y cuál es mejor?

  • La mayoría de los intercambiadores de calor enfriados por aire son de construcción de tiro forzado. Las unidades de tiro forzado son más fáciles de fabricar y mantener. El haz de tubos está montado en la parte superior de la cámara, por lo que se puede quitar y reemplazar fácilmente. El eje del ventilador es corto ya que no tiene que extenderse desde la unidad de accionamiento a través del haz de tubos y la cámara impelente hasta el ventilador como en un diseño de tiro inducido. Las unidades de tiro forzado requieren un poco menos de potencia.
  • Dado que el ventilador mueve un volumen menor de aire en la entrada que en la salida. Si el fluido del proceso está muy caliente, el aire de refrigeración está caliente en la salida, esto podría causar problemas con algunos ventiladores o actuadores de ventilador. Si el ventilador está expuesto al aire de escape muy caliente, ya que los enfriadores de tiro forzado no tienen los ventiladores expuestos al aire de escape caliente.

Además de lo anterior, las principales diferencias entre un intercambiador de calor de tiro inducido y uno de tiro forzado enfriado por aire se enumeran a continuación con respecto a algunos parámetros de diseño:

No SeñorParámetroEnfriador de aire de tiro inducidoEnfriador de aire de tiro forzado
1Distribución del aireMejor distribución del aire a través del paquete.Distribución menos uniforme del aire sobre el paquete.
2Recirculación de aireMenor posibilidad de recirculación de aire efluente caliente en la entradaMayor posibilidad de recirculación de aire caliente
3Control y Estabilidad de ProcesosMejor control y estabilidad del proceso. El plenum cubre el 60% del área frontal del paquete, lo que reduce los efectos del sol, la lluvia y el granizo.Menos control de procesos 
4Falla del ventiladorMayor capacidad en caso de fallo del ventilador.Baja capacidad de tiro natural de falla del ventilador
5Requisito de caballos de fuerzaPosiblemente mayores requisitos de potencia si el aire efluente está muy caliente.Posiblemente menores requisitos de potencia si el aire efluente está muy caliente
6Limitación de temperaturaLa temperatura del aire efluente debe limitarse a 220 °F para evitar daños a las aspas del ventilador, cojinetes u otros equipos mecánicos en la corriente de aire caliente.Se adapta a temperaturas de entrada de proceso más altas
7Acceso a mantenimiento de ventiladoresLos ventiladores son menos accesibles para el mantenimientoMejor accesibilidad de ventiladores y rodamientos superiores
para mantenimiento.
8Acceso a mantenimiento de paquetesSe deben quitar los plenos para reemplazar los paquetesMejor accesibilidad de paquetes para reemplazo
9Costo EstructuralMayor costo estructural y menor vida mecánica.Costos estructurales reducidos y vida mecánica mejorada.

Tabla: Diferencia entre enfriadores de aire de tiro inducido y tiro forzado

Tipos de enfriador de ventilador de aleta de aire
Fig. 11: Tipos de ventilador enfriador de aire con aletas

¿Qué tipos de controles del enfriador de aire se utilizan?

Como cabría esperar, el mejor tipo de esquema de control depende de la aplicación. ¿El proceso requiere un control muy estricto de la temperatura de salida del proceso o es mejor permitir que la temperatura del proceso baje con la temperatura del aire ambiente? A continuación se incluye una lista de algunos de los dispositivos de control comúnmente utilizados para enfriadores de aire, pero sin ningún orden en particular.

  • Persianas operadas manualmente
  • Ventiladores automáticos de paso variable accionados neumáticamente.
  • Accionamiento de ventilador de frecuencia variable (VFD).

El VFD, si se usa, debe ajustarse a la clasificación de la placa de identificación del motor y, de manera similar, para la transmisión de polea de correa, deberá ajustarse a la clasificación de la placa de identificación del motor.

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¿Qué tipos de intercambiadores de calor enfriados por aire se usan para climas fríos?

Para regiones extremadamente frías como Canadá, Siberia, etc., se utiliza un intercambiador de calor enfriado por aire con un sistema de recirculación interna. Estos sistemas pueden controlar la temperatura del aire de refrigeración independientemente de la temperatura ambiente.

Para estos sistemas se utilizan ventiladores variables automáticos de paso positivo o negativo. Mediante el uso de un ventilador de paso fijo que sopla hacia arriba y un ventilador de paso variable automático, que es capaz de hacer un paso negativo y, por lo tanto, de soplar aire hacia abajo, es posible templar el aire en la parte más fría de los tubos y, por lo tanto, evita la congelación. Normalmente, las unidades de tiro forzado tienen el ventilador de paso negativo en el extremo de salida, mientras que las unidades de tiro inducido tienen el ventilador de paso positivo en el extremo de salida.

Intercambiador de calor refrigerado por aire con recirculación interna
Fig. 12: Intercambiador de calor enfriado por aire con recirculación interna

Códigos y normas para el diseño de intercambiadores enfriados por aire

Los siguientes códigos y normas rigen el diseño de enfriadores de aire con aletas.

  • API 661 / ISO 13076 (Intercambiadores de calor enfriados por aire para servicio general de refinería)
  • ASME SECT.VIII Div.1 o Div.2
  • Shell DEP 31.21.70.31

SHELL DEP requisito especial para intercambiadores enfriados por aire:

  • No se utilizará el cabezal de tipo capó extraíble.
  • Se deben usar cabezales de tipo tapón para todos los enfriadores de aire en servicio de gas o líquido de hidrocarburo.
  • Los cabezales del tipo de placa de cubierta removible se utilizarán en servicios de servicios públicos auxiliares, como aceite lubricante, aceite caliente, circuito de enfriamiento.
  • Las uniones atornilladas (construcción con espárragos o con bridas) deben diseñarse con juntas confinadas
  • Los tubos estarán provistos de aletas de aluminio. Las aletas de todos los tubos del enfriador de aire serán del tipo extruido con 394 aletas por metro

Mantenimiento e inspección de intercambiadores de calor enfriados por aire

El rendimiento y la confiabilidad de ACHE dependen de la inspección y el mantenimiento adecuados de los componentes. El mantenimiento regular y la inspección de los sistemas de enfriadores de aire incluyen

  • Lubricación de los cojinetes del motor y del ventilador (una vez al mes si los enfriadores funcionan de forma continua)
  • Controlar el desgaste de las correas y asegurar su tensión.
  • Inspeccione ventiladores, aspas, tornillería, etc. a intervalos regulares.
  • Mantener niveles adecuados de aceite en las cajas de cambios.
  • Comprobación del estado de los haces de tubos.

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