TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

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Tecnología de la Energía Térmica 1

TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

CASCO Y TUBOS

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CASCO Y TUBOS

1. Objetivos

2. Alcance

3. Desarrollo

• Geometría

• Códigos constructivos • Elementos constitutivos • Equipos multipaso

• Codificación Norma TEMA • Configuraciones

• Proyecto de construcción • Fuerza impulsora

• Cálculo de coeficientes peliculares • Cantidad de tubos en intercambiadores • Verificación del equipo

• Pérdida de carga • Aplicaciones • Hoja de Datos

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CASCO Y TUBOS

-•

Conocer uno de los equipos de transferencia de calor más utilizados en

la industria petrolera / petroquímica

• Conocer los criterios de asignación de fluidos

• Empleo de correlaciones para cálculo de coeficientes peliculares

• Empleo de la ecuación de diseño como herramienta de verificación

• Cálculo de pérdida de carga

• Conocer los criterios para el diseño

• Conocer las aplicaciones y limitaciones del equipo

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CASCO Y TUBOS

-•

Normas aplicables al diseño

• Aspectos constructivos

• Verificación térmica

• Verificación Hidráulica

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CASCO Y TUBOS

-Geometría

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CASCO Y TUBOS

-Geometría

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CASCO Y TUBOS

-Códigos constructivos

DESARROLLO

Institutos normalizadores

Normas

ASTM Materiales de construcción

ASME Diseño mecánico de recipientes a presión (Sec. VIII)

TEMA Aspectos constructivos de Intercambiadores de calor de Casco y Tubos • Clase R: Aplicaciones Oil & Gas y procesos asociados

• Clase C: Aplicaciones comerciales y generales de procesamiento • Clase B: Aplicaciones de la industria química de procesos

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos

DESARROLLO

1. Coraza

2. Cabezal de coraza 3. Brida de coraza de entrada 4. Brida de coraza de retorno 5. Entrada/salida fluido de coraza 6. Placa portatubos de retorno

(flotante)

7. Cabezal de retorno flotante 8. Brida de cabezal de retorno 9. Placa de partición

10. Placa portatubos de entrada (fija)

11. Cabezal de entrada 12. Tapa de cabezal de entrada 13. Entrada/salida fluido de tubos 14. Barras espaciadoras

15. Baffles transversales 16. Placa de choque 17. Conexión de venteo 18. Conexión de drenaje

19. Conexión de instrumentos (P,Tº) 20. Soportes (cunas o silletas) 21. Orejas de izaje

22. Tubos

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

Diámetro y espesor definido por norma dimensional BWG (Birmingham Wire Gauge)

• D_o Diámetro externo

• BWG Espesor (consecuencia de Pdis y Tdis)

Diámetro usual: ¾” BWG 16

Longitudes estándares: 8 ft / 10 ft / 12 ft / 16 ft / 20 ft

• Se aconseja no más de 20 ft (por dificultades constructivas) • Casos excepcionales 20 metros (intercambiadores Gas/Gas)

Materiales

• Compatibilidad química con los fluidos circulantes (ambos) • Aceros al carbono

• Aceros aleados • Aceros inoxidables • Cobre

• Bronce

• Níquel y sus aleaciones: Monel / Inconel / Hastelloy

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

Normas para Tubos

• Acero al carbono - SA 179: Specification for seamless cold-drawn low-carbon steel heat

exchanger and condenser tubes

• Acero al carbono - SA 210: Specification for seamless medium-carbon steel boiler and

superheater tubes

• Acero al carbono - SA 214: Specification for electric-resistance-welded carbon steel heat

exchanger and condenser tubes

• Acero al carbono - SA 556: Specification for seamless cold-drawn carbon steel feedwater

heater tubes

• Acero al carbono - SA 557: Specification for electric-resistance-welded carbon steel

feedwater heater tubes

• Acero inoxidable 304/304L y 316/316L – SA213: Specification for seamless ferritic and

austenitic alloy-steel boiler, superheater and heat exchanger tubes

• Acero inoxidable 304/304L – SA688: Specification for welded austenitic stainless steel

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Tubos – Dimensiones (D

_o

y BWG)

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

Largo de tubos

• Definido por el diseñador

• Entre dos equipos del mismo tipo e igual área de transferencia: el de mayor

longitud es el menos costoso

• Debe lograrse la mayor longitud posible dentro de los límites operativos que fijen:

• La velocidad de los fluidos

• La pérdida de carga de los fluidos • El espacio disponible en planta • Procedimiento de limpieza

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

Protección de tubos – Uso de Placa de Choque

• Fluidos erosivos

• Velocidad de ingreso a la coraza muy elevada, debido a conexión de entrada a coraza de poco diámetro

• Alta energía cinética de ingreso a la coraza Condiciones según Norma TEMA (R-4.61)

• ρν2 > 2,250 Kg/ms2_{. Cuando se tienen fluidos no}

corrosivos, no abrasivos y de una sola fase

• ρν2 > 750 Kg/m.s2_{. Cuando se tienen fluidos de dos}

fases, incluyendo líquidos en punto de ebullición • Para gases y vapores, incluyendo todos los

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos - Tubos

DESARROLLO

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

• Medio físico que mantiene separados a ambos fluidos

• Elemento más comprometido mecánicamente en el intercambiador

• Diseño mecánico complejo

• Espesor capaz de soportar diferencia de presiones entre ambos fluidos • Gran debilitamiento debido a perforaciones

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Construcción

• Conocer Nº tubos, D_o, arreglo, Pitch, Nº barras espaciadoras, Nº de pasos por tubos, Nº de pasos por coraza, D_s interno

• Layout (Software) optimización de disposición de tubos

• Establecer material compatibilidad química con los fluidos (ambos)

• Establecer espesor Ptubos, Pcoraza, Tdis, sobreespesor por corrosión, dilatación térmica, tipo de cabezal de retorno

• Elección de herramienta de corte: Laser - Plasma - Chorro de agua - Oxicorte - Mecanizado

Videos

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Arreglo

• Disposición geométrica de los tubos en la placa portatubos • Definido por

• Tipo • D_o tubos

• Pitch o Paso (Pt)

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Ventajas - Desventajas

• Arreglo triángulo

• Genera mayores coeficientes peliculares en coraza • Genera mayores pérdidas de carga en coraza

• No permite limpieza mecánica por fuera de tubos (para haces de tubos desmontables) • Para un mismo D_s, permite ubicar mayor cantidad de tubos en el intercambiador que un

arreglo cuadro

• Arreglo cuadro

• Genera menores coeficientes peliculares en coraza • Genera menores pérdidas de carga en coraza

• Sí permite limpieza mecánica por fuera de tubos (para haces de tubos desmontables) • Para un mismo D_s, permite ubicar menor cantidad de tubos en el intercambiador que un

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Fijación de tubos a placas portatubos

• Por expansión del tubo contra el agujero de la placa portatubos Mandrilado

Distribución de tensiones en un tubo sometido a presión interna

• La tensión es inversamente proporcional al radio las fibras de la pared interior están sometidas a tensiones más altas que las exteriores

• En la medida que se incremente la presión interna, las fibras interiores serán las

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Fijación de tubos a placas portatubos - Mandrilado

• Agujeros en placa portatubos con diámetro interno 3/256” superior al D_o del tubo • Se aplica presión interior Perfil de tensiones de acuerdo a figura

• La presión aplicada debe ser la suficiente para que el tubo alcance la tensión de fluencia, sin que la placa portatubos la alcance

• Al retirar la presión, el tubo queda expandido y la placa portatubos vuelve a su posición original comprimiéndolo, garantizando la estanqueidad

• Manual o automatizado

Videos

HEx - Tubesheet - Mandrilado Manual

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Resistencia y estanqueidad mejoradas

• Empleo de ranuras anulares en la placa portatubos el tubo se expande dentro de las ranuras

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Fijación de tubos a placas portatubos

• Por soldadura del tubo contra el agujero de la placa portatubos Unión por Soldadura

• Mayor estanqueidad que la fijación por expansión

• Los materiales de tubos y placa deben ser soldables entre sí

a) Tubo pasante b) Tubo retraído c) Tubo rasante

d) Tubo rasante – acabado para soldar tubos de poco espesor

Videos

HEx - Tubesheet - Biselado

HEx - Tubesheet - Soldado Manual

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Placa portatubos

DESARROLLO

Oclusión de tubos: Razones – Ventajas – Desventajas

• Debido a tubos rotos/pinchados se ocluyen para evitar fugas

• Permite continuar la operación del equipo • No se altera la distribución del fluido de coraza

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Funciones

• Orientar el fluido de coraza en dirección perpendicular a los tubos mejora el coeficiente pelicular de la coraza

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Tolerancias

• Entre baffle y tubo: depende de la longitud no soportada y del D_o de tubos

• Si la máxima longitud no soportada es de 36” o menor, o los tubos tienen un diámetro externo mayor que 1 1/4”, los agujeros de los baffles serán 1/32” mayores que el diámetro externo del tubo.

• Si la máxima longitud no soportada excede las 36”, o los tubos tienen un diámetro externo menor o igual que 1 1/4”, los agujeros de los baffles serán 1/64” mayores que el diámetro externo del tubo.

(28)

CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Corte y Espaciado

• Corte usual (ventana o segmentación): 25%

• Espaciado (L_B longitud entre baffles): 1/5 D_s < L_B < 1 D_s

• Siempre verificar que se cumpla la minima longitud no soportada entre apoyos de tubos

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Corte y Espaciado – Ventajas y desventajas

↓ Espaciado ↓Af_s ↑ velocidad ↑ h ↓ Espaciado ↓Af_s ↑ ∆P_s

(30)

CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Ranuras de drenaje

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CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Barras espaciadoras

(barras separadoras – tie rods)

• Responsables de mantener separados a los baffles

• Su ubicación disminuye el espacio disponible para distribuir los tubos en el layout de la placa portatubos

• Cantidad de barras establecidas por Norma TEMA

Video

(32)

CASCO Y TUBOS

-Elementos constitutivos – Baffles (deflectores de flujo)

DESARROLLO

Otras configuraciones

• Baffle segmentado

• Baffle partido

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por tubos

DESARROLLO

Necesidad

• Cuando se necesita incrementar la velocidad del fluido de los tubos (cambio de régimen) • Cuando se necesita incrementar coeficiente pelicular del fluido de los tubos

Cambios estructurales

• Agregado de placa de partición en cabezales • Pérdida de tubos debido a la placa de partición

• Posible nueva disposición de boquillas de entrada/salida de fluido de los tubos

Observaciones

• Aumento de la pérdida de carga en tubos

• El área de transferencia no se modifica todos los tubos aportan área de transferencia • Normalmente el número de pasos por tubos es par

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por tubos

DESARROLLO

Equipo de un paso por tubos

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por tubos

DESARROLLO

Frontal Posterior Frontal Posterior

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por coraza

DESARROLLO

Necesidad

• Cuando se necesita lograr mayores cruces de temperatura entre los fluidos

Cambios estructurales

• Agregado de baffle longitudinal en la coraza • Pérdida de tubos debido al baffle longitudinal

• Posible nueva disposición de boquillas de entrada/salida de fluido de coraza

Observaciones

• Aumento de la pérdida de carga en coraza

• El área de transferencia no se modifica todos los tubos aportan área de transferencia • Normalmente el número de pasos por coraza es 2

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por coraza

DESARROLLO

Equipo 1:4 (Nps:Npt)

• Supongo fluido frío dentro de tubos

• La fuerza impulsora en cada paso de tubos va disminuyendo paso a paso

• En el último paso la fuerza impulsora es mínima t₂ no podrá ser mucho mayor que T₂

• t’’’_{< T} 2

• En equipos 1:n no pueden lograrse grandes cruces de temperatura

• Esto no sucede en equipos con disposición en contracorriente puro para poder

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por coraza

DESARROLLO

Baffle Longitudinal

• Ancho igual al diámetro de coraza

• Largo apenas menor que el largo de tubos se permite el pasaje del fluido de coraza de la parte superior a la inferior

• Nueva disposición de los baffles transversales

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CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por coraza

DESARROLLO

Equipo 2:4 (Nps:Npt)

• Supongo fluido frío dentro de tubos

• La fuerza impulsora en cada paso de tubos es más constante que en un equipo 1:4

• t’’’_{> T} 2

• En equipos 2:n sí pueden lograrse grandes cruces de temperatura

(40)

CASCO Y TUBOS

-Equipos Multipaso – Múltiples pasos por coraza

DESARROLLO

Equipos con Nps > 2

• Para lograr cruces de temperatura aun mayores • Deben colocarse mayor cantidad de baffles

longitudinales

• Construcción cada vez más compleja es más

económico ubicar varios equipos 1:2 o 1:1 en serie y así lograr el mismo resultado o incluso mejor

Estanqueidad en equipos Nps > 1

• Deben minimizarse las corrientes cortocircuito

• Se emplean juntas entre baffle longitudinal e interior de la coraza • El baffle longitudinal puede soldarse

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CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA

DESARROLLO

• Descripción del intercambiador

por combinación de tres letras

• 1° letra: Designa al tipo de

cabezal de entrada

• 2° letra: Designa al tipo de

coraza

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CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Cabezales de entrada

DESARROLLO

Cabezal A: Canal

• Tapa removible • Cabezal removible

• No integrado a la placa portatubos • No integrado a la coraza

• Conexiones radiales

Cabezal B: Bonete

• Tapa integrada al cabezal • Cabezal removible

• No integrado a la placa portatubos • No integrado a la coraza

(43)

CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Cabezales de entrada

DESARROLLO

Cabezal C: Canal

• Tapa removible

• Cabezal no removible

• Integrado a la placa portatubos • No integrado a la coraza

Cabezal N: Canal

• Tapa removible

• Integrado a la placa portatubos • Integrado a la coraza

Cabezal D: Cierre especial para alta presión (>150 bar)

• Tapa removible

• Integrado a la placa portatubos • No integrado a la coraza

(44)

CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Cabezales de salida/retorno

DESARROLLO

Cabezal L: Canal (fijo)

• Tapa removible • Cabezal removible • Conexiones radiales

• Placa portatubos fija (unida a la coraza)

Cabezal M: Bonete (fijo)

• Tapa integrada al cabezal • Cabezal removible

• Conexiones radiales o axiales

Cabezal N: Canal (fijo)

• Tapa removible

• Cabezal no removible • Conexiones radiales

Cabezal P: Empaquetadura externa (flotante)

• Tapa removible

• Cabezal removible (junto con el mazo de tubos) • Conexiones radiales

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CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Cabezales de salida/retorno

DESARROLLO

Cabezal S: Flotante con anillo partido (flotante)

• Cabezal removible

• Tapa de coraza removible • Conexiones axiales

• Placa portatubos flotante

Cabezal T: Flotante de arrastre (flotante)

• Cabezal removible

• Tapa de coraza removible • Conexiones axiales

• Placa portatubos flotante

Cabezal U: Tubos en forma de U (flotante)

• Físicamente no hay cabezal • No posee tapa de coraza • No posee conexiones • Placa portatubos flotante

Cabezal W: Sellado externo (flotante)

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CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Corazas

DESARROLLO

Coraza E:

• Nps = 1

• Conexiones de lados opuestos

Coraza F:

• Nps = 2

• Conexiones del mismo lado

• Baffle longitudinal

Coraza G:

• Flujo partido • Baja pérdida de

carga

(47)

CASCO Y TUBOS

-Codificación Norma TEMA – Corazas

DESARROLLO

Coraza H:

• Flujo partido (doble) • Baja pérdida de carga

(menos que la coraza G) • Baffles longitudinales

Coraza J:

• Flujo dividido

• Baja pérdida de carga • Sin baffles

Coraza K:

• Kettle/Marmita

• Vertedero para evaporación parcial

Coraza X:

• Flujo cruzado

(48)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos fijo

DESARROLLO

• Placas portatubos soldadas a la coraza

• Una vez construido no puede accederse a su interior

• No se puede desarmar para limpieza exterior de los tubos y su inspección (sólo limpieza química)

• Grandes tensiones generadas por diferencias de temperatura entre fluidos y por grandes saltos térmicos puedo emplear junta de dilatación

Video

(49)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos removible

DESARROLLO

• Equipo desarmable

• Puede accederse a su interior

• Permite limpieza mecánica y química del exterior de los tubos (depende del arreglo) y su inspección

• No hay tensiones generadas por dilatación térmica los tubos pueden dilatar libremente sin transmitir esfuerzos a las placas

Video

(50)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos removible - Problemas del cabezal T

DESARROLLO

• En equipos Npt = 1 se dificulta el desmontaje del mazo de tubos

• Diferencia entre D_s y D_h amplia se generan corrientes cortocircuito que rodean al mazo • Posibles fugas por la unión entre placa portatubos de retorno y cabezal flotante

a) Salida fluido de tubos b) Prensa estopa

(51)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos removible - Cabezal T Vs. Cabezal S

DESARROLLO

• Se reduce la diferencia entre D_s y D_h se reducen las corrientes cortocircuito • Para retirar el mazo de tubos debe quitarse

el anillo partido

Video

(52)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos removible

(53)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Mazo de tubos removible – Tubos en U

(54)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Vibración en tubos

DESARROLLO

Tubos soportados entre dos puntos pueden sufrir vibraciones a una dada frecuencia • Altas velocidades del fluido en coraza acentúan el fenómeno

• Los tubos pueden golpear entre sí

(55)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Vibración en tubos - Zonas críticas

DESARROLLO

• Zona de entrada: El fluido impacta directamente sobre los tubos

• Zona de salida: El fluido debe reorganizarse para ingresar a una sección circular

• Tubos en U: Tubos con radio de curvatura mayor son más susceptibles a sufrir vibraciones

• Zona de placa portatubos: la longitud no soportada es mayor para poder alojar las conexiones de entrada/salida de fluido de coraza

(56)

CASCO Y TUBOS

-Configuraciones – Tabla comparativa

(57)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción

DESARROLLO

Etapas

1. Especificación del proceso

2. Diseño térmico

3. Diseño mecánico

(58)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Deben especificarse

• Caudales de cada corriente

• Temperaturas de entrada y salida

• Propiedades físicas de cada corriente

• Caídas de presión permitidas

• Presión de trabajo y presión de diseño

• Temperatura de diseño

• Asignación de fluidos

• Clase y codificación del intercambiador según Norma TEMA

Especificaciones sobre la performance térmica

Condiciones de trabajo y diseño

(59)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Especificaciones sobre la performance térmica

• Las variables son las asociadas al balance de energía

• Q, w_h, T₁, T₂, w_c, t₁, t₂

(60)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Especificaciones sobre la caída de presión permitida

• Si el intercambiador debe instalarse en un proceso existente, el ∆P_adm es una variable definida el diseño del intercambiador debe ajustarse a este valor

(61)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Condiciones de trabajo y diseño (presión y temperatura)

Trabajo:

• Son las condiciones definidas/requeridas por el proceso en operación normal

Diseño:

(62)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Asignación de fluidos

• Velocidades recomendadas

• Corrosión

• Suciedad

• Viscosidad

• Presión

• Toxicidad – Inflamabilidad

• Temperatura

(63)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso - Limpieza

DESARROLLO

Limpieza química

• Interior de tubos

• Exterior de tubos

• Apta para mazo de tubos fijo o removible • Apta para arreglo cuadro o triángulo • Manual o automatizada

Video

(64)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso - Limpieza

DESARROLLO

Limpieza mecánica

• Interior de tubos

• Exterior de tubos

• Apta para mazo de tubos removible • Apta para arreglo cuadro

• Manual o automatizada

Video

(65)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Limitaciones geométricas

Existen restricciones debido a consideraciones mecánicas o de espacio en planta

• Largo máximo del equipo

• Altura

• Posición de trabajo

• Posición relativa de las conexiones

(66)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Limitaciones geométricas – Maniobras y espacios para mantenimiento

Mazo de tubos traccionado con montante y cable

(67)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Limitaciones geométricas – Maniobras y espacios para mantenimiento

(68)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Especificación del proceso

DESARROLLO

Limitaciones geométricas – Maniobras y espacios para mantenimiento

Extractor y grúa (equipo horizontal) _{Grúa (equipo vertical)}

Videos

HEx - Extraccion de Mazo

(69)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Diseño térmico

DESARROLLO

A partir del diseño térmico surgen características geométricas básicas del equipo,

debiendo especificarse:

• Diámetro de la coraza

• Longitud de tubos

• Número de tubos

• Arreglo de tubos

• Npt

• Nps

• Tipo y cantidad de baffles

• Dimensionamiento de las conexiones

(70)

CASCO Y TUBOS

-Proyecto de construcción – Diseño mecánico

DESARROLLO

• Se realiza el dimensionamiento mecánico de todas las partes del equipo

• Se completa la definición de los materiales

• Se deciden los métodos de soldadura y sus controles

• Se especifican las pruebas mecánicas

• Se realizan los diseños de los soportes y apoyos

(71)

Fuerza impulsora – Hipótesis de mezclado transversal

Disposición Cocorriente Disposición Contracorriente

Doble tubo

Casco y tubos

Npt = 1

(72)

Fuerza impulsora – Hipótesis de mezclado transversal

El fluido de coraza no tiene un recorrido lineal dentro del equipo

• Espacio comprendido entre baffles componente perpendicular a los tubos flujo cruzado • Espacio entre las ventanas componente paralela a los tubos flujo paralelo

Se asumen hipótesis

• En cualquier sección transversal el fluido de coraza se encuentra uniformemente mezclado hay una temperatura uniforme en toda la sección

• Los coeficientes peliculares son iguales en cada tubo del equipo

El fluido de tubos se calentará o enfriará de manera uniforme en cada uno de los tubos

Son válidos los perfiles térmicos anteriores

Son válidas las expresiones de DMLT

(73)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

Corrección del DMLT

• Con Npt > 1 el fluido de tubos posee disposición cocorriente y contracorriente respecto del fluido de coraza

• Se define ∆T_VERDADERO

• ∆T_ML definido para disposición contracorriente • 0 < F_T < 1

T ML

V

T

F

T

=

∆

⋅

∆

V

T

A

U

Q

=

⋅

∆

(74)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

Obtención del valor F

_T

• Analíticamente • Gráficamente

Depende de

• Nps

• R (curvas)

• P o S (abscisas)

Hipótesis

• Temperatura uniforme del fluido de coraza en cada sección • El área de transferencia en cada paso es igual

• U constante

• Caudales constantes

• Propiedades termodinámicas constantes • No hay cambios de fase parciales

• No hay pérdidas de calor al ambiente

c h Tubos Coraza

T

R

∆

=

∆

=

Maximo c Maximo Tubos

T

P

∆

=

∆

=

(75)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

(76)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

(77)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

(78)

Fuerza impulsora – Factor de corrección F

_T

(79)

Cálculo de coeficientes peliculares

Lado interno: Coeficiente pelicular interno (h

_i

)

Tubos

Lado externo: Coeficiente pelicular externo (h

_o

)

Coraza

Uso de correlaciones

• Régimen • Tipo de fluido • Geometría

(80)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular interno - Dependencia del régimen

µ

π

ω

µ

π

ρ

µ

ρ

G

d

Q

d

v

⋅

=

⋅

=

⋅

=

⋅

>

<

⋅

=

4

4 Re

Transición: Zona inestable. Las correlaciones presentan desviaciones importantes. En lo posible, evitar el diseño en este régimen.

Laminar Re < 2100

Transición 2100 < Re < 10.000

Turbulento 10.000 < Re

Npt

N

d

Af

_t

=

⋅

i

⋅

t

4

2

π

(81)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular interno – Régimen Laminar

Correlación Sieder-Tate para régimen laminar

φ

⋅













⋅

=

3 / 1

Pr

Re

86 .

1 L

d

Nu

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

k

d

h

Nu

=

⋅

14 . 0













=

w

µ

φ

• Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases.

• Propiedades evaluadas a Temperatura media aritmética entre la entrada y salida del equipo (a excepción de µ_w).

• Se asume que las propiedades termodinámicas son constantes desde la entrada hasta la salida.

(82)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular interno – Régimen Turbulento

Correlación Sieder-Tate para régimen turbulento

φ

⋅

=

0.8 1/3

Pr

Re

027 .

0 Nu

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

k

d

h

Nu

=

⋅

14 . 0













=

w

µ

φ

• Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases.

(83)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular interno – Agua

(

+

⋅

)

⋅

φ

⋅

=

1423

1

0 .

0146

0₀._.8₂

d

v

t

h

14 . 0













=

w

µ

φ

• Válida para agua.

• t [ºC] entre 5 ºC y 95 ºC • v [m/s] entre 0,3 m/s y 3 m/s • d [m] entre 0,01 m y 0,05 m • h [W/m2_K]

(84)

Cálculo de coeficientes peliculares

Uso de gráfico J

_H

(coeficiente pelicular en tubos)

(85)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular externo – Nº de Reynolds para coraza (Kern)

Considera flujo perpendicular a los tubos

µ

π

ω

µ

π

ρ

µ

ρ

G

d

Q

d

v

⋅

=

⋅

=

⋅

=

⋅

>

<

⋅

=

4

4 Re

Laminar 10 < Re < 200

Transición 200 < Re < 2.000

Turbulento 2.000 < Re < 1.000.000

(

)

Nps

L

d

Pt

D

Af

s _o _B

s

1 ⋅

⋅

−

⋅

=

1 +

=

B t B

N

L

(86)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular externo – Diámetro equivalente para la coraza (Kern)

Considera flujo paralelo a los tubos

termico

Perimetro

Af

deq

_t

.

4 ⋅

=

o o t

D

Pt

deq

⋅













_⋅

−

⋅

=

π

4

2 2 o o t

D

Pt

deq

⋅













_⋅

⋅

−

⋅

=

π

5 .

0

4

5 .

0

86 .

0

5 .

0

4

2

(87)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular externo – Diámetro equivalente para la coraza (Kern)

Valores tabulados

(88)

Cálculo de coeficientes peliculares

Coeficiente pelicular externo – Régimen Turbulento

Correlación Kern para régimen turbulento

φ

⋅

=

0.55 1/3

Pr

Re

36 .

0 Nu

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

k

d

h

Nu

=

⋅

14 . 0













=

w

µ

φ

• Válida para baffles segmentados al 25%

• Válida para fluidos orgánicos, soluciones acuosas, gases, agua.

(89)

Cálculo de coeficientes peliculares

Uso de gráfico J

_H

(coeficiente pelicular en coraza)

(90)

Cantidad de tubos en intercambiadores - Uso de tablas

CASCO Y TUBOS -

DESARROLLO

Tablas segregadas de acuerdo a

• Disposición de tubos (

□

ó ∆) • D_o

• Pt

Tabla en función de

• D_s

(91)

Verificación del equipo

Uso de la Ecuación de Diseño

T ML C

C

A

T

F

U

Q

=

⋅

∆

⋅

Q

=

U

_D

⋅

A

_D

⋅

∆

T

_ML

⋅

F

_T

Despeje Despeje

Comparo contra A_A

A_C A_D

NO SI

• A_A > A_D El equipo verifica térmicamente • A_A < A_D El equipo NO verifica térmicamente

(92)

Verificación del equipo

Sobredimensionamiento

100 %

=

−

⋅

C C A C

A

OS

En función de A_C En función de A_D

100 %

=

−

⋅

D D A D

A

OS

• Refleja qué tan “grande” es realmente el equipo respecto de lo que se requiere

• Valores recomendados (OS_D%) 10% - 20% • Incertidumbre de correlaciones

• Margen de seguridad para la operación • Margen de seguridad para la vida útil

(93)

Pérdida de carga

Pérdida de carga en tubos

(

)

1

2

4

2

−

⋅













Σ

+

⋅

=

∆

t t t t

K

d

Npt

L

f

G

P

φ

ρ

Σ

K

=

4 ⋅

Npt

Régimen laminar 25 . 0













=

w

µ

φ

14 . 0













=

w

µ

φ

Re

16 =

f

32 . 0

Re

125 .

0 0014

.

0 +

=

f

₀_.₄₂

Re

264 .

0 0035

.

0 +

=

f

Régimen turbulento

Tubos lisos Tubos rugosos

(acero comercial)

(94)

Pérdida de carga

Pérdida de carga en coraza

(

)

1

2

1

4

2

−

⋅













Σ

+

⋅

+

⋅

=

∆

s B s s s

K

deq

Nps

N

D

f

G

P

φ

ρ

0 =

Σ

K

19 . 0

Re

44 .

0 =

f

(95)

Aplicaciones – Ventajas – Desventajas

• Aplicaciones en las que el proceso requiera grandes áreas de intercambio • Altos caudales

• Aplicaciones de Oil&Gas

• Equipos normalizados equipos confiables • Gran versatilidad de configuraciones

• Construcción compleja (depende de la configuración) • Alto costo (depende del tamaño)

(96)

Hoja de Datos

(97)

Hoja de Datos – General – Datos de Operación

(98)

Hoja de Datos – Datos Constructivos

(99)

(100)