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| Figura 1: Componentes del intercambiador de calor. |
Los Baffles hacen que el fluido
se mueva perpendicularmente a los tubos.
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| Figura 2: Baffles en un intercmbiador de tubo y coraza. |
El tipo más simple y más barato
de intercambiador de tubo y coraza es el diseño fijo de la placa de tubo.
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| Figura 3: Intercambiador de tubo y coraza de diseño fijo de la placa de tubo. |
Desventajas: Es difícil limpiarse
pues no se puede extraer el haz de tubos, no hay disposición para la expansión
diferencial de la carcasa (limitada) alrededor de 8 bar.
El tipo de tubo en U (haz de U)
Está limitado en uso a fluidos
relativamente limpios como los tubos y el paquete son difíciles de limpiar.
También es más difícil reemplazar un tubo en este tipo.
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| Figura 4: Intercambiador de tubo y coraza con tubos en U. |
Los intercambiadores con una
cabeza flotante interna, son más versátiles que el de cabeza fija y los de tubo
en U. Son adecuados para diferenciales de alta temperatura.
Son más fáciles de limpiar pues
se puede extraer el haz de tubos. Desventaja de diseño el espacio entre los
tubos debe ser grande para que la cabeza flotante quepa.
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| Figura 5: Intercambiador de tubo y coraza con cabeza flotante. |
Normas y Códigos de Intercambiadores de Calor
Las características de diseño
mecánico, de fabricación, materiales de construcción y prueba de
intercambiadores de tubos y carcasas está cubierto por British Standard, BS
3274.
Los estándares de TEMA, son también
universalmente utilizados. Los estándares TEMA cubren tres clases de
intercambiadores:
- CLASE
R: cubre intercambiadores para los deberes generalmente severos del
petróleo y las industrias relacionadas.
- CLASE C : cubre intercambiadores para tareas moderadas en aplicaciones
de procesos comerciales y generales.
- CLASE B:
cubre intercambiadores para su uso
en las industrias de procesos químicos.
Tubos y Dimensiones
- Diámetros del tubo: Estan en el rango 5/8 pulg.
(16 mm) a 2 pulg. (50 mm).
- Para el
tubo pequeño: diámetros 5/8 a 1 pulg. (16 a 25 mm)
- Utilizado para la mayoría de los deberes, ya que
darán intercambiadores más compactos, y por lo tanto más baratos.
- Los tubos más grandes son más fáciles de limpiar
(seleccionados para fluidos muy contaminantes).
- El espesor del tubo (calibre) se selecciona para soportar la presión interna y dar una adecuada tolerancia a la corrosión.
Las Longitudes Preferidas de Tubos para Intercambiadores de Calor son:
6 pies
(1,83 m), 8 pies (2,44 m), 12 pies (3,66 m), 16 pies (4,88 m) 20 pies (6,10 m),
24 pies (7,32 m). Para un área de superficie dada.
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| Figura 6: Tubos comerciales para elaboracion de intercambiadores de calor. |
El uso de tubos más largos reducirá el diámetro de la carcasa; que generalmente dará como resultado un intercambiador de bajo costo, particularmente para altas presiones de carcaza. La longitud óptima del tubo para el diámetro de la carcaza generalmente estará dentro del rango de 5 a 10.
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| Figura 7: Tubos mas cortos proporcionan un diámetro de la coraza mayor para el diseño de un intercambiador de calor. |
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| Figura 8: Tubos mas largos proporcionan un diámetro menor de la coraza para el diseño de un intercambiador de calor |
Si se usan tubos en U, los tubos en la parte exterior del paquete serán más largos que los que en el interior. La longitud promedio debe estimarse para su uso en el diseño térmico.
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| Figura 9: Intercambiador de calor en tubos en U. |
Arreglos de Tubo
Los
tubos en un intercambiador generalmente están dispuestos en un triángulo
equilátero, cuadrado o en un cuadrado girado.
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| Figura 10: Arreglo de tubos dentro de un intercambiador de calor y distancia del numero de paso Pt. |
Los patrones triangulares y cuadrados rotados dan mayores tasas de transferencia de calor, pero a expensas de una mayor caída de presión que el patrón cuadrado. Una disposición cuadrada o cuadrada rotada, se usa para fluidos muy contaminantes, donde es necesario limpiar mecánicamente afuera de los tubos.
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| Figura 11: Arreglos de tubos dentro de un intercambiador de coraza. |
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| Figura 12: Arreglo triangular de tubos dentro de un intercambiador de tubo y coraza. |
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| Figura 13: Arreglo cuadrado de tubos de un intercambiador de tubo y coraza. |
El paso
recomendado del tubo (distancia entre los centros del tubo) es 1,25 veces el
diámetro exterior del tubo, y normalmente se usará a menos que los requisitos
del proceso dicten lo contrario.
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| Figura 14: Paso de tubo recomendado. |
Pasos por el Lado del Tubo
El
fluido en el tubo generalmente se dirige para fluir hacia adelante y hacia
atrás en una serie de "pasos" a través de grupos de tubos dispuestos
en paralelo, para aumentar la longitud de la trayectoria del flujo.
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| Figura 15: Identificacion del numero de pasos por los tubos y numero de pasos de la coraza. |
El
número de pasos se selecciona para dar la velocidad de diseño del lado del tubo
requerida.
Los
intercambiadores se construyen desde uno hasta dieciséis pasos.
Los
tubos están acomodados en el número de pasos requeridos al dividir los
cabezales del intercambiador (canales) con placas de partición (particiones de
paso).
La
disposición de las particiones de paso para 2, 4 y 6 pasos:
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| Figura 16: Seccionado en cabezales para aislar numero de pasos por los tubos. |
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| Figura 17: Divisores de corriente para distintas disposiciones. |
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| Figura 18: Ejemplo de divisor de corriente de 8 pasos por los tubos. |
Carcaza, El Espesor Mínimo Permisible
El
estándar británico BS 3274 cubre intercambiadores de 6 pulg. (150 mm) a 42
pulg. (1067 mm) de diámetro; y los estándares TEMA, son hasta intercambiadores
de 60 pulg. (1520 mm).
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| Figura 19: Ejemplo de espesor de coraza. |
Espesor
mínimo de la carcasa:
Diseño de la Placa de Tubo (conteo de
tubo)
El
diámetro del paquete dependerá no solo del número de tubos, sino también del
número de pasos de tubo, ya que los espacios deben dejarse en el patrón de
tubos en la placa de tubo para acomodar las placas de partición de paso.
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| Figura 20: Espacios para acomodar la placa de partición. |
Puede obtenerse una estimación del diámetro de la carcasa Db a partir de la ecuación 12.3b, que es una ecuación empírica basada en diseños de tubo estándar. Las constantes para usar en esta ecuación, para patrones triangulares y cuadrados, se dan en la Tabla 12.4.
Si se
usan tubos en U, la cantidad de tubos será ligeramente menor que la dada por la
ecuación 12.3a, ya que el espacio entre las dos filas centrales estará determinado
por el radio mínimo permisible para la curva en U. El radio mínimo de curvatura
dependerá del diámetro del tubo y del espesor de la pared. Va desde 1.5 a 3.0
veces el diámetro exterior del tubo. El radio de curvatura más ajustado
conducirá a un adelgazamiento de la pared del tubo.
Se
puede hacer una estimación del número de tubos en un intercambiador de tubos en
U (el doble del número real de tubos en U) reduciendo el número dado por la
ecuación 12.3a por una fila central de tubos.
La cantidad de tubos en la fila central, la fila en el ecuador de la carcasa, está dada por:
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