DISEÑO MECÁNICO DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS
III.8. BRIDAS INTEGRALES
III.9.5. TAPAS PLANAS
Las tapas planas utilizadas en los cambiadores de calor tienen como característica principal el ser desmontables, por estar sujetas a la brida del cabezal por medio de espárragos o tornillos, además de contar con un empaque localizado entre la cara de la brida y la misma tapa, a fin de proporcionar un sello adecuado al ser apretados los espárragos.
Este tipo de tapas deberán contar con un maquinado que permita alojar adecuadamente el contorno del empaque, incluyendo las venas del mismo que servirán de sello a las placas de partición (en caso de estar presentes) con la tapa. En la Figura III.37. a se presenta un ejemplo de tapa plana para un cambiador de calor con cuatro pasos por el lado de los tubos, para mejor comprensión del caso.
Para dimensionar correctamente la tapa, será necesario considerar las proporciones de la brida del cabezal diseñada anteriormente (Capitulo III.8), con la finalidad de incluir tolerancias que permitan el ajuste requerido entre ellas al ensamblarse, sin que se presenten problemas de interferencia o apriete excesivo. Dichas tolerancias han sido estandarizadas como se indican en la Figura III.37.b.
Se procederá ahora al cálculo del espesor efectivo “T”, de la tapa, para lo cual el Código ASME presenta un procedimiento para tal efecto, a su vez que las normas TEMA indican uno diferente para la evaluación del mismo espesor. Ambos procedimientos se estudiarán a continuación para aplicar el adecuado según las necesidades del caso.
III.9.5.1. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA PLANA SEGÚN TEMA
El espesor efectivo de la tapa plana del cabezal, deberá ser el espesor medido en la parte baja de la ranura para la placa de partición, menos la corrosión permisible en exceso de la profundidad de la ranura. El valor requerido deberá ser
ya sea el determinado por la fórmula del Código (ASME UG-34, 2-2) o el obtenido por la siguiente ecuación (TEMA R-8.21), el que resulte mayor.
3 / 1 6 4 0.5 (10) ) ( 425 . 1 + = B B G d E A h E P G T Donde:
T - Espesor efectivo de la tapa del cabezal, pulg. P - Presión de diseño, Lb/pulg2
G - Diámetro medio del empaque, pulg.
dB - Diámetro nominal de espárragos, pulg.
hG - Distancia radial entre el diámetro medio del empaque “G” y el círculo
de barrenos “C”, pulg.
AB - Área total de la sección transversal de los espárragos, pulg2.
E - Módulo de elasticidad del material de la tapa a la temperatura de diseño Lb/pulg2.
El cálculo puede efectuarse conocidos los datos de la brida del cabezal y su empaque, que son los mismos que deben aplicar para el cálculo de la tapa. Para empaques que tengan factor de comprensión “m” de 3.0 o menor, el valor de “T” obtenido por la ecuación anterior, podrá reducirse en un 20%.
En la fabricación de tapas planas, existen tres alternativas en cuanto al material que podrán emplearse, siendo estás, acero al carbono, aleaciones y acero al carbono recubierta con aleación en la cara expuesta al contacto del fluido, para las cuales se toman consideraciones particulares en el diseño. Para la corrosión permisible basta incrementar el espesor efectivo “T” en 1/8 (3.2 mm) al utilizar acero al carbono y únicamente con 1/16pulg. (1.6mm) al emplear alguna aleación resistente a dicha corrosión.
Las ranuras para las placas de partición con que deberán proveerse las tapas de los cabezales, presentarán una profundidad de 3/16pulg. (4.8mm) Figura III.37.b, dimensión que se sumará al valor de “T”, con lo que habrá quedado incluido a su vez, el espesor adicional que para la corrosión se requiere. Cuando el material a utilizar sea un acero al carbono recubierto con alguna aleación en la cara de contacto con el fluido circulante, tendrá que proporcionarse la misma
profundidad para las ranuras, dimensión constituida por el material aleado, cuidando que el espesor mínimo del recubrimiento en las superficies expuestas al fluido sea al menos 1/8” (3.2mm) incluyendo las superficies de asentamiento del empaque (Figura III.38.a).
Considerando el párrafo anterior puede deducirse que el espesor mínimo permitido para el material de recubrimiento es de 5/16pulg. (8mm), independiente del espesor efectivo “T” constituido generalmente de acero al carbono, para que al sumarlos proporcionen el espesor total de la tapa descubierta. (Ver Figura III.38.a).
En cabezales que no involucran placas de partición y que por consecuencia no presentan venas en sus empaques, sólo será necesario aplicar el procedimiento que marca el Código para la evaluación del espesor efectivo “T”, adoptando las mismas consideraciones que en cuanto a recubrimientos y corrosión permisible se han hecho en los párrafos anteriores.
III.9.5.2. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA PLANA SEGÚN CÓDIGO ASME A continuación se presenta la ecuación que será de utilidad para el cálculo del espesor efectivo de la tapa plana para cabezales, de acuerdo al Código.
2 / 1 3 9 . 1 + = SG Wh S CP G T G Donde:
C – Factor que depende del tipo de unión entre la tapa plana y el cilindro que constituye el cabezal, correspondiendo un valor de C = 0.3 a una tapa apernada del tipo mostrado en las Figuras III.38.a y b y (ASME Figura UG-34), que son las empleadas comúnmente en el diseño de cambiadores de calor.
S – Esfuerzo máximo permisible para el material de la tapa a la temperatura de diseño.
P,T,hG,G – mantienen el significado que presentan en el párrafo III.9.4.1
W – carga de apernado
Cuando la placa de la tapa esta ranurada perimetralmente para la instalación de un empaque tipo anillo como el que se muestra en la Figura III.38.b, el espesor efectivo de la tapa medido desde el fondo de la ranura hasta la cara externa, no deberá ser menor que G (1.9 W hG/S G3) (ASME UG-34 (d)).
III.10. ESPEJOS
Los espejos empleados en cambiadores de calor son placas planas circulares de espesor constante, perforadas con agujeros circulares (Figura III.39), en los cuales habrán de insertarse los tubos de transferencia para ser rolados y/o soldados, de acuerdo a las necesidades del diseño, para formar un sello hermético en esta junta y evitar la contaminación de los fluidos de proceso.
Los espejos cumplen tres funciones principales; primero como elementos divisores entre los flujos del lado coraza y el del lado tubos, impidiendo el contacto directo entre ellos, segundo, como elemento estructural para soportar las presiones tanto del lado coraza como del lado tubos y tercero como elemento de sujeción de los tubos.
Por lo anterior es evidente que están expuestos a un sistema complejo de cargas, tales como presiones, efectos de temperatura y reacciones de soportes. Las presiones actúan en el espejo de la manera siguiente:
En un cambiador de calor se tienen actuando dos presiones (lado tubos y lado coraza). Al actuar las presiones en ambas caras del espejo, obviamente tienden a contrarrestarse, pero el diseñador debe tomar en consideración el caso más crítico y partir de la suposición de que una de estas es suprimida por alguna causa y solamente está actuando en el espejo la mayor de las dos.
La temperatura actúa de dos maneras, primero: su distribución irregular en todo el espejo causa esfuerzos por temperatura que en algunos casos son críticos; cuando las temperaturas son altas (650 oF (343 oC) en adelante) o bajas (menores
de –20 oF (-29 oC), se modifican apreciablemente las propiedades mecánicas y térmicas del material, tales como esfuerzos, módulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, etc., lo que conduce a un problema más complejo. Segunda: las diferentes temperaturas que actúan en los tubos y la coraza además de las diferentes propiedades de estos elementos, causan fuerzas aplicadas al espejo a través de los tubos.
Los tubos de transferencia, anclados sobre los espejos le transmiten cargas actuando bien como tirantes o como puntales, dependiendo de las condiciones de deformación y colocación de los tubos, además de los movimientos ocasionados por diferencias de temperatura.
Existen fundamentalmente dos tipos de espejos, empacados y fijos (Figura III.12), los primeros se dividen a su vez en flotantes y estacionarios, pudiendo presentarse combinaciones entre ellos.