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La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de un equipo destinado a cubrir un objeto determinado en ingeniería, es de suma importancia, porque al aplicar los principios al diseño, se debe trabajar en la consecución del importante logro que supone el desarrollo de un producto para obtener provecho económico.
La trasferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separe ambos fluidos.

El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en un proceso, así:
  • Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso.
  • Los calentadores se usan primeramente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa vapor con este fin.
  • Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso, siendo el agua el medio enfriador principal.
  • Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor latente en lugar de calor sensible.
  • Los hervidores tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los procesos como calor latente.
  • Los evaporadores se emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua u otro fluido.


En general, un cambiador de calor es un aparato recorrido por dos o más medios, uno de los cuales cede al demás calor o el frío. Si un proceso químico debe desarrollarse de una forma prevista de antemano, será preciso realizarlo a una determinada temperatura. Las reacciones ponen en juego, en general, considerables cantidades de calor.
Casi siempre resulta conveniente enfriar los productos de la reacción en un enfriador. El calor así recuperado, puede utilizarse para recalentar otros productos o para pre calentar los empleados en el propio proceso. Incluso es obligado a veces proceder a este pre calentamiento, a fin de obtener temperaturas bastantes elevadas para que el proceso de fabricación se desenvuelva normalmente.
Se ha reconocido que el empleo juicioso de los balances térmicos conduce a resultados interesantes, en lo que respecta a la rentabilidad. Desde este punto de vista, el cambiador de calor aparece como un órgano particularmente importante de las instalaciones químicas.

TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en muchas formas diferentes. Una forma consiste en basar la clasificación en las direcciones relativas del flujo de los fluidos calientes y frío, dando lugar a términos como fluidos paralelos, cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección; flujo encontrado, cuando los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado, cuando las direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares.
Otra manera de clasificar los intercambiadores de calor, es mediante la estructura y uso de los mismos, como se muestra a continuación:
Tubos para intercambiadores de calor

Estos se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen acero, acero inoxidable, cobre, admiralty, etc. Se pueden obtener en diferentes grosores de pared definidos con el calibrador BWG. El área que poseen estos tubos representan el área de transferencia de calor que posee el intercambiador.

CAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS - Doble tubo

Consiste en dos tuberías metálicas, una dentro de la otra, donde un fluído fluye a través del tubo interior mientras que el otro fluye por el espacio anular entre las dos tuberías. Cuando uno de los fluídos está más caliente que el otro, el calor fluye a través de la pared del tubo interior hacia el otro fluído. Como resultado, el fluído caliente se enfría y el fluído frío se calienta.
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Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la tubería exterior mediante estoperas y el fluido entra en el tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. La unidad que se muestra en la figura se llama horquilla. La longitud efectiva es la longitud en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección de intercambio. Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies.
Los cambiadores de calor de tubos concéntricos pueden operar bien en contracorriente o en corrientes paralelas. Sin embargo cuando se necesitan grandes áreas de intercambio, el peso de la tubería exterior puede ser demasiado grande y resultar más facíl y económico utilizar un cambiador de calor de carcasa y tubos.

INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA
La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran número de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área superficial así como presentan un número considerable de puntos en los cuales se puede hacer fugas.

El sistema de transmisión de calor se divide en dos secciones: un haz de tubos que contiene la tubería a través de las cuales circula uno de los fluídos y una carcasa por la que circula el otro fluído. El fluído caliente o frío puede circular por los tubos o por la carcasa. El calor se intercambia a través de las paredes de los tubos desde el fluído caliente al fluído frío.

cambiador_de_calor_de_carcasa_y_tubos.jpg



carcaza y tubo.jpg
1.- Cabezal de retorno
2.- Carcasa
3.- Boquilla
4.- Cabezal de entrada
5.- Soporte
6.- Haz de tubos

El equipo de tubo y coraza comprende la expansión de un tubo en un espejo, placa ó cabezal, y además la formación de un sello que no fuga bajo condiciones razonables de operación, como se muestra en la siguiente figura:

tuboroladoycasquillo.jpg

También se puede utilizar la soldadura del tubo en el cabezal según sea los requerimientos de operación y material de construcción del intercambiador.










Espaciados de los tubos

Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno del otro, ya que una franja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. Los tubos se colocan en arreglos ya sea triangulares o cuadrados, tal como se muestran en la siguiente figura. La ventaja del espaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para limpieza externa y tienen pequeña caída de presión cuando el fluido fluye en la dirección indicada en la figura siguiente

tubos.PNG





INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO (tipo AES)
Es el modelo más común, tiene un casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Además, tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son:
1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco.
2.- Permite el desmontaje
3.- En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.
4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en el casco y su pérdida de carga.
5.- El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos

intercambiador AES.jpg
(Mirar la numeración de las partes al final de la clasificación de los intercambiadores)

INTERCAMBIADOR DE LAMINA Y TUBO FIJO (tipo BEM)

1.- Este intercambiador es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, además reduce el coeficiente de transmisión de calor.
2.- Tiene junta de expansión en casco.
3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco

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INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE EXTERIOR (tipo AEP)

Este intercambiador permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

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INTERCAMBIADOR DE CABEZAL Y TUBOS INTEGRADOS (tipo CFU)

Este intercabiador tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente cuando se quiere sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

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REHERVIDOR DE CALDERA (tipo AKT)

Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.

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CONDENSADOR DE FLUJO DIVIDIDO (tipo AJW)

Se utiliza para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga (en un factor de 8). Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.

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INTERCAMBIADOR DE TIPO EVAPORATIVO

Pueden usarse como condensador o enfriador de gases. El fluido de enfriamiento es el agua que se rocía sobre los tubos donde circula el fluido a condensar o a enfriar. El calor transmitido produce la evaporación del agua, por lo que necesita de una reposición permanente.

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a.- Fluido a enfriar
b.- Bomba de circulación
c.- Alimentación de agua
d.- Válvula de flotador

INTERCAMBIADOR DE PLACAS

Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y armazón) de aleta con placa soldada y de aleta con placa y tubo.

Ventajas:
  • Muy compacto - poco espacio.
  • Versátil.
  • Mantenimiento fácil.
  • Fácil limpieza.
  • Coeficientes de trasmisión de calor muy elevados.
  • Seguridad de operación.
  • Bajos costos de servicio.

Desventajas:
  • Presión de operación máxima: 30 bar.
  • Factor crítico de diseño: material para juntas, resistencia química, temperatura máxima de operación 250ºC.


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Intercambiadores de placa en espiral: Se hace con un par de placas laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos en flujo en contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la caída consiguiente de la presión), las desviaciones y problemas de dilataciones. Los sólidos se pueden mantener en suspensión. Se produce turbulencia con una velocidad de flujo más baja que en el caso de los tubos rectos.


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El diseño en espiral puede proporcionar 167 m de superficie de transferencia de calor en una unidad de 1.4 m (56 plg) de diámetro (es decir, compacto). La espiral tiene una altura de 1.5 m (60 plg). Estos intercambiadores se pueden diseñar para presiones de hasta 150 psi (10.2 atm). Los materiales de construcción incluyen el acero al carbono, acero inoxidable (tipos 304, 316 y 430F), aleación 20, Inconel, metal monel, níquel y titanio.

Intercambiadores de placa y armazón: Consiste en placas estándares, que sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo. La caída de presión es baja y resulta imposible que haya fugas de fluidos. Estas placas de transferencia de calor, comprimidas en una pieza simple de material de 1.3 a 6.4 mm, tiene estrías para recibir empaques de goma (elastómero). El diseño corrugado de las placas les da rigidez, fomenta la turbulencia de los fluidos y asegura la distribución completa del flujo.

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Los miembros de soporte y armazón existen en acero inoxidable recubiertos o acero dulce esmaltados. Las placas se pueden limpiar y reemplazar con facilidad. El área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de placas.

El fluido caliente fluye hacia abajo, entre placas alternadas y el fluido frío fluye hacia arriba, entre placas alternadas.

Intercambiadores de calor de aleta con soldadura fuerte: Los intercambiadores de aleta y placa de aluminio se emplean en la industria de elaboración, sobre todo en servicios por debajo de –45.6 °C (-50 °F) y en los procesos de separación de gas que funcionan entre 204 y –268 °C (400 y –450 °F). La superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de placas, cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas, selladas en los dos lados mediante canales o barras, para forma un paso para el flujo de fluido.

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Vista separada de una configuración típica de placas y aletas
INTERCAMBIADOR DE SERPENTÍN

Consiste en un serpentín colocado en un recipiente por el que circula agua de enfriamiento. Sus principales aplicaciones se hacen en el enfriamiento de gases a alta presión, y cuando el interés es detectar una fuga en forma sencilla.

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a.- Entrada de gas
b.- Salida de gas
c.- Entrada de agua
d.- Salida de agua

INTERCAMBIADOR ESPIRAL

Los intercambiadores de calor en espiral consisten en un grupo de serpentines concéntricos en espiral, por lo general conectados por múltiples (manifolds), sumergidos en un tanque o una coraza. Se emplean tubos con aletas para incrementar la superficie de transferencia de calor.

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INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE

Están compuestos por un haz de tubos aletados externamente, montados sobre dos cabezales que hacen las funciones de distribuidor y colector de fluido. Además contienen ventiladores que forzan la circulación del aire a través de tubos aletados.

Se conocen dos tipos de intercambiadores enfriados por aire: de tiro forzado y de tiro inducido.

Intercambiador enfriado por aire de tiro forzado: Los ventiladores se encuentran colocados antes del paso del aire por los tubos.

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1.- Entrada de fluido caliente
2.- Cabezal fijo
3.- Salida de fluido caliente
4.- Tubos aletados
5.- Soporte de tubos
6.- Soporte de canales
7.- Cabezal flotante
8.- Soporte
9.- Motor
10.- Reductor de velocidad
11.- Ventilador
12.- Tiro

Intercambiador enfriado por aire de tiro inducido: Los ventiladores se encuentran colocados después del paso del aire por los tubos. Una de las ventajas de este intercambiador es que se puede usar en lugares en donde el agua es escasa o su tratamiento químico resulta muy costoso. También tiene una desventaja y es el alto costo de adquisición.

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1.- Entrada de fluido caliente
2.- Cabezal fijo
3.- Salida de fluido caliente
4.- Tubos aletados
5.- Soporte de tubos
6.- Soporte de canales
7.- Cabezal flotante
8.- Soporte
9.- Motor
10.- Reductor de velocidad
11.- Ventilador
12.- Tiro

INTERCAMBIADORES ROTATORIOS

La matriz metálica entra en contacto de manera alterada, con las corrientes de gases calientes y fríos, intercambiando el calor de esta manera.

Ventajas:
  • Compactos
  • Superficie de trasmisión de calor menos caros
  • Dirección alternada de los fluidos evita las incrustaciones

Desventaja:
  • Pequeña mezcla de gases no es posible evitar


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Cambiador de calor rotatorio Ljungstrom


INTERCAMBIADORES DE BAYONETA

Consiste en un par de tubos concéntricos, con el exterior sellado en un extremo. Tanto el tubo exterior como el interior se sujetan de cabezales estacionarios separados y se extienden ya sea a corazas o directamente a recipientes. La superficie del tubo exterior es la principal fuente de transferencias de calor. Estos intercambiadores se adaptan excelentemente a la condensación de vapores tanto a vacíos moderados (presiones por debajo de la presión atmosférica) como a muy bajos.

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Los calentadores de succión se instalan en tanques que se usan para el almacenaje de líquidos viscosos y semiplásticos tales como melazas, aceites lubricantes pesados, combustible y asfalto.

Bayoneta2.jpg

INTERCAMBIADOR CON CABEZAL DE TUBOS ESTACIONARIO

Este es el tipo más simple de intercambiador.

ESTACIONARIO.jpg


Intercambiadores de Calor y su Clasificación.
Intercambiador de calor
En el siguiente documento se muestra una guía para la seleción de intercambiadores de calor:







NUMERACIÓN DE LAS PARTES DE LAS FIGURAS ANTERIORES:

numeracion.jpg





Descripción de las partes de los Intercambiadores de calor



Corazas: Se fabrican en tuberías de acero. El diámetro varía de acuerdo a las dimensiones de diseño del equipo, al igual que el grosor de las paredes de la coraza, aumentando éste de acuerdo a las presiones de operación y a las condiciones de corrosión del sistema para así aumentar la vida útil del equipo.

Cabezal, Espejo o Placa: Es la pieza metálica de la que se sujetan los tubos, ésta debe ser de un material similar al de los tubos para evitar la corrosión galvánica y debe tener un espesor considerable para soportar las condiciones de operación (presión, temperatura y corrosión).

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Deflectores: Si se aumenta la turbulencia en el líquido se aumenta el coeficiente de transferencia de calor y para esto se emplea deflectores haciendo que el líquido fluya a través de la coraza en ángulo recto con el haz de tubos, y causando una considerable turbulencia aún cuando por la coraza fluya una cantidad pequeña de líquido.
Los deflectores también son utilizados como soporte del haz de tubos a fin de que éstos no se pandeen a lo largo del intercambiador. Hay varios tipos de deflectores, los más usados son los deflectores segmentados, los cuales son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente 75 % del diámetro interior de la coraza. Estos se conocen como deflectores de 25 % de corte.




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Otros tipos de deflectores son el disco y corona y el deflector de orificio.

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Superficies Extendidas: Añadiendo piezas adicionales de metal a la superficie, extienden la superficie disponible para la transferencia de calor. Mientras que las superficies extendidas aumentan la transmisión total de calor, su influencia como superficie se trata de una manera diferente de la simple conducción y convección.

Superficie.jpg

Si consideramos un intercambiador convencional de doble tubo cuya sección transversal se muestra en la figura a), y suponiendo que el fluido caliente fluye en el ánulo y el fluido frío en el tubo interior en flujo turbulento, y luego suponga que al tubo interior se le sueldan aletas de metal como se muestra en la figura b). Puesto que las aletas se fijan a la superficie del tubo frío sirven para transferir calor adicional del fluido caliente al tubo interior. La superficie total disponible para la transferencia de calor no corresponde ya a la circunferencia exterior del tubo interior, sino que está aumentada por la superficie adicional en los lados de las aletas. Si las aletas de metal no reducen el coeficiente de transferencia de calor convencional en el ánulo por cambio apreciable de las líneas de flujo, se transferirá más calor del fluido caliente al fluido en el tubo interior.

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Algunas formas comerciales de superficies extendidas. a Aleta longitudinal. B. Aletas transversales. C. Aletas discontinuas. D. Dientes o espigas. E. Espinas



Aletas transversales: Son de varios tipos y son empleados para el enfriamiento y el calentamiento de gases en el caso del flujo cruzado.
Las aletas helicoidales sujetan a varias formas tales como insertos, expandiendo el metal mismo para formarlas o soldando una cinta metálica en el tubo en una forma continua. Las aletas de tipo disco son también del tipo transversal y usualmente se sueldan al tubo o se sujetan a él mediante contracción, como se muestra en la figura b) y c).

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Existen otros tipso de aletas como el de tipo espina y tipo diente o espiga, que emplean conos, pirámides o cilindros y se extienden desde la superficie del tubo de manera que se pueden utilizar para flujo longitudinal o flujo cruzado.

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Aleta longitudinal de espesor uniforme:
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Tubería con aleta longitudinal


Distribución de cabezal de tubos y numeración de tubos


Una distribución típica de tubos para un intercambiador de cabezal flotante de anillo dividido, se muestra en la siguiente figura:



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Distribución de tubos en el cabezal o tapa para una coraza de 13 ¼ plg DI con tubos de 1 plg DE y en arreglo de paso triangular de 1 ¼ plg acomodado para seis pasos por los tubos

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Las fases que se deben seguir para el diseño de un intercambiador de calor de casco y tubo son:
1.- Comprobar el balance de energía, conociendo condiciones de procesamiento, temperaturas, presiones, caudales, etc.2.- Asignar las corrientes al tubo y al casco.3.- Dibujar los diagramas térmicos.4.- Determinar el número de intercambiadores en serie.5.- Calcular los calores corregidos de la diferencia media de Temperatura.6.- Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.7.- Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de trasmisión de calor.8.- Calcular la superficie de intercambio estimada.9.- Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).10.- Calcular las pérdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el número de pasos para cumplir con las pérdidas de presión admisibles.11.- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la pérdida de presión en casco admisible.12.- Recalcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles.13.- Volver a calcular los coeficientes globales de trasmisión de calor y comprobar si se tiene suficiente superficie de intercambio.14.- Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las fases 9-13.

MANTENIMIENTO DE INTERRCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor en forma general, trabajan mediante la circulación de fluidos a través de su estructura, esto produce con el tiempo, debido a la operación del equipo, obstrucciones de las zonas de flujo por corrosión de la estructura del intercambiador, descomposición de los fluidos (aceites minerales, alimentos, etc.) ó por deposición de sólidos disueltos en los fluidos (incrustaciones de carbonatos, etc.), al presentarse estas características en el interior de los equipos, se producen incrustaciones en la superficie interior y exterior de los tubos según sea el caso, generando una resistencia extra a la transferencia de calor y al paso del fluido y con esto pérdidas en la eficiencia de los equipos.


La finalidad de un mantenimiento radica en la eliminación de los depósitos que obstruyen o imposibilitan la correcta transferencia en los intercambiadores, estas suelen producirse por deposición de los sólidos en las paredes externas de los tubos, en las paredes internas de los tubos, así como en la superficie interna de la coraza, esto para el caso de los intercambiadores de tubo coraza, en los intercambiadores de placa esta incrustación se presenta entre las laminas dificultando la transferencia de calor entre los fluidos, además de ofrecer restricciones a la circulación en estos equipos.


Las técnicas varían dependiendo del tipo de incrustación y de la configuración de los intercambiadores, así un intercambiador de placas fijas debe aplicarse una limpieza por intermedio de cepillos o alta presión por el interior de los tubos y por su configuración de área confinada para la carcaza una limpieza química que permita disolver por intermedio de la circulación la mayor cantidad de sólidos adheridos a la superficie.

Para mayor informacion de este tema un articulo acerca de los intercambiadores de calor su implememntacion y mantenimiento.