Intercambiadores de Calor

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MANUAL DE CONSULTA

Intercambiadores de Calor

Clayton de México, S.A. de C.V. México, D. F.

www.clayton.com.mx

Clayton Industries City of Industry, Ca., U.S.A. www.claytonindustries.com

Clayton of Belgium N. V. Bornem, Belgium

www.clayton.be

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Clayton de México, en su carácter de empresa especializada en

termodinámica aplicada, sistemas y aplicaciones térmicas, hidráulicas e hidrónicas

se ha constituido como un referente obligado en materia de “Criterios de

Selección, Condiciones y Características” de los principales componentes de un

cuarto de máquinas. En virtud de lo anterior y ante la enorme diversidad de

alternativas, configuraciones y opciones, nuestra compañía a través de sus

diferentes áreas de ingeniería térmica, manufactura, proyectos, aplicaciones e

instalaciones especiales han logrado integrar este compendio sobre los aspectos

más relevantes en materia de diseño, configuración, desempeño y aplicaciones de

los principales intercambiadores de calor disponibles y vigentes en el mercado.

A lo largo de este libro se analizará desde un punto de vista práctico y

sintético, los tipos básicos de intercambios caloríficos, disposiciones de las

corrientes, coeficientes respectivos de transferencia térmica, criterios de

valoración y cálculo de transmisión de calor entre fluidos en movimiento con

temperaturas variables, detallando criterios para el cálculo de superficie de

intercambio y resistencia controlante, entre otros factores de notable relevancia.

Se profundizará en temas críticos como la distribución y características del

flujo de fluidos, ahondando en doctrinas de cálculo de intercambiadores de

diversos tipos y en consecuencia derivando en los costos y las conveniencias de

cada modelo.

En el transcurso de esta aventura, se estudiarán las características de los

principales tipos de intercambiadores de calor entre los que destacan;

Intercambiadores con tubos lisos rectos, de serpentines sumergidos, con

superficies extendidas, de placa, compactos, de chaquetas, de tubos en “U”, de

cabezal fijo, de cabezal flotante, de doble tubo aleteados y enfriadores de

cascada, entre otros.

Sin más preámbulo, iniciemos este viaje al apasionante mundo del

intercambio calorífico, sus condiciones, características y aplicaciones, recordando

la premisa fundamental que reza;

“Ingeniería que No se Aplica, No es Ingeniería es Teoría”

Jorge M. Henríquez

Gerente General para México

y América Latina

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El objetivo fundamental de este libro radica en constituirse como un

compendio a modo de manual de consulta dinámico y sinóptico sobre los

principales conceptos, diseños, tipos, características y aplicaciones de los

intercambiadores de calor más comunes en el mercado actual.

Clayton de México, siempre atento a su cabal compromiso por dotar de los

mejores instrumentos a nuestros clientes, asociados, distribuidores, instaladores,

contratistas, ingenieros relacionados, especificadores electromecánicos e

hidrosanitarios, así como a instituciones educativas y al público en general

interesado en aplicaciones termodinámicas, ha integrado un compendio a modo

de guía referencial de los temas más relevantes sobre intercambio calorífico.

Consideramos este libro como una guía indispensable para cualquier

ingeniero teórico o de campo relacionado al medio termodinámico, sus accesorios

y componentes.

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ΔPcoraza Caída de presión del lado de la coraza en un intercambiador de coraza y tubos

ΔPideal Caída de presión uniforme en la batería de tubos en un intercambiador de coraza y tubos

Ndef Número de deflectores

k* Constante del orden de 0.2 a 0.3 T1 Temperatura de entrada en °C

T2 Temperatura de salida en °C

Je Número de Jensen

NTU Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units) ΔP Pérdida de carga en un intercambiador de placa en kg/m2

G Flujo másico en kg/h m2

L Longitud del canal de pasaje en m

D Diámetro equivalente del canal de flujo en m ρ Densidad del fluido en kg/m3

g Constante gravitacional en m/h2 Re Número de Reynolds

f Factor de fricción •

Q

Transferencia de Calor por unidad de tiempo

Ai Área de la superficie de intercambio interior

Ae Área de la superficie de intercambio exterior

ri Radio interior

re Radio exterior

U Coeficiente total en kcal/hora m2 °C

Ue Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior

Ui Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie interior

UFunc Coeficiente global de transmisión de calor con el equipo funcionando

ULimpio Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección

exterior

Usuc Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito

hCi Coeficiente pelicular de convección del lado interno de la superficie en kcal/hora m 2

°C hCe Coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo

hci Coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo

hFe Coeficiente pelicular de convección del lado externo de la superficie en kcal/hora m 2

°C Re Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del tubo

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Requiv

interior y exterior, y el material del tubo, en m2 °C h/kcal, basada en el área de la superficie exterior del tubo

Rsucio Resistencia térmica del depósito o factor de incrustación

h Coeficiente pelicular externo (enfriadores de cascada) W Caudal de masa de agua en kg/h

L Longitud de tubo en m De Diámetro externo en m

mC Masa de agua caliente

mF Masa de agua fría

LMTD Diferencia media logarítmica de temperatura

ϕ Parámetro adimensional empleado en el cálculo de la LMTD CpC Capacidad calorífica del fluido caliente

CpF Capacidad calorífica del fluido frío

P Coeficiente de efectividad

z Relación de capacidades térmicas

k' Seudo coeficiente de conductividad del material de la superficie e Espesor del material, metros

F Factor o cociente de ensuciamiento que permite prever la resistencia adicional que ofrecerá el sarro o incrustaciones al final del periodo de actividad en kcal/hora m2 °C

Re Número de Reynolds Pr Número de Prandtl ε Efectividad térmica N Número de placas μ Viscosidad

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INTRODUCCIÓN ... 1

CONCEPTOS FUNDAMENTALES ... 1

DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES... 1

TIPOS DE INTERCAMBIADORES... 2

SERPENTINES ... 4

INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS ... 4

Intercambiadores de Paso Simple ... 4

Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza ... 5

Intercambiadores de Tubos en U... 10

Intercambiadores de Cabezal Fijo ... 11

Intercambiadores de Cabezal Flotante ... 12

Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2) ... 14

Intercambiador (2-4) ... 16

Intercambiador de Flujos Cruzados ... 17

INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS ... 18

Intercambiadores de Doble Tubo Aletado ... 18

Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados... 19

Tubos Aletados Helicoidalmente ... 19

Aleta tipo “G” ... 19

Aleta tipo “L” ... 19

Aleta tipo “KL”... 20

Aleta tipo “LL” ... 20

Aleta tipo “Semi Engarzada” ... 20

Aleta tipo “Extruida”... 20

INTERCAMBIADORES COMPACTOS EN ESPIRAL ... 21

Disposiciones de las Corrientes... 23

Aplicaciones... 24

INTERCAMBIADORES DE PLACA ... 25

Construcción de los Intercambiadores... 27

1. Materiales y dimensiones de las placas... 27

2. Diseño de las placas ... 27

3. Materiales de Juntas ... 29

Operación de los Intercambiadores de Placas ... 30

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4. Aplicaciones principales ... 33

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL...37

FACTOR DE SUCIEDAD ... 38

TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO,

A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED ...40

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD ... 43

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES ... 46

CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO...49

MÉTODO APROXIMADO DE CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO ... 50

Concepto de Resistencia Controlante... 50

Factor de Suciedad ... 51

Coeficiente Total ... 51

Seudo coeficiente de conductividad ... 52

Coeficiente de Película ... 52

Intercambiadores de doble tubo ... 52

Intercambiadores de haz de tubos y coraza... 54

Enfriadores de cascada ... 54

Recipientes enchaquetados o encamisados ... 55

Intercambiadores de serpentines sumergidos... 55

Líquidos en ebullición ... 56

Condensadores ... 57

Calentadores de gas con bancos de tubos ... 57

CÁLCULO APROXIMADO DE INTERCAMBIADORES

DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA ...57

CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS...61

MÉTODO DE RAJU & CHAND ... 61

A – Método del Factor de Corrección (Ft) ... 61

B – Método de la Eficiencia de la Transferencia de Calor (ε) ...63

MÉTODO DE HASLEGO & POLLEY ... 64

Costos de los Intercambiadores de Placas ... 67

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SEGUNDO PASO: OBTENER PROPIEDADES

DE LOS FLUIDOS CALCULAR Q, U Y A ... 69

TERCER PASO: ELEGIR UNA CONFIGURACIÓN (TIPO DE INTERCAMBIADOR) ADECUADA ... 70

Intercambiadores de doble tubo ... 70

Intercambiadores de haz de tubos v coraza ... 71

CUARTO PASO: CONFIRMAR O MODIFICAR LA SELECCIÓN ... 74

RECOMENDACIONES PARA ESPECIFICARINTERCAMBIADORES DE HAZ Y CORAZA ... 74

REDES DE INTERCAMBIADORES. TÉCNICA DE PELLIZCO... 75

Significado del Término ... 77

Base de la Técnica del Pellizco ... 77

Usos y Limitaciones de la Técnica del Pellizco ... 78

EL TUBO DE CALOR... 78

Principales Características de Diseño ... 79

Aplicaciones... 81

INTERCAMBIADORES DE CALOR CLAYTON ... 83

MATERIAL... 83 INFORMACIÓN DISPONIBLE ... 83 SOPORTERÍA Y MONTAJE ... 84 INTERCAMBIADORES IC – 6... 85 INTERCAMBIADORES IC – 8... 87 INTERCAMBIADORES IC – 10... 89 INTERCAMBIADORES IA – 6... 91 INTERCAMBIADORES IA – 8... 93 INTERCAMBIADORES IA – 10... 95 INTERCAMBIADORES DE SUCCIÓN... 97

APÉNDICE... 99

COEFICIENTES DE ENSUCIAMIENTO ... 101

COEFICIENTES TÍPICOS GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” ... 102

COEFICIENTES INDIVIDUALES DE PELÍCULA “h” ... 102

COEFICIENTES GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” – INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO ... 103

DATOS DE COEFICIENTE GLOBAL “U” – PARA INDUSTRIA DE DESTILACIÓN DE PETRÓLEO E INDUSTRIA PETROQUÍMICA ... 103

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FIGURA

1. Esquema de Corrientes de Flujo...1

2. Esquema de Corrientes de Flujo a Contracorrientes y Corrientes Paralelas ...2

3. Esquema de Corrientes de Flujo a Corrientes Cruzadas ...2

4. Intercambiador Simple de Tubos Concéntricos ...4

5. Intercambiador de Doble Tubo...4

6. Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) con Mezcla de Fluidos ...6

7. Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) sin Mezcla de uno de los Fluidos...7

8. Distribución de Temperaturas en: a) condensadores de un paso de tubos ...7

b) vaporizadores de un paso de tubos ...7

c) intercambiadores de calor de flujos en equicorriente y de un paso de tubos ...7

9. Disposición del Haz de Tubos...7

10. Pantallas utilizadas en los Intercambiadores de Coraza y Tubos ...9

11. Intercambiador de Tubos en “U” ...10

12. Intercambiador de Cabezal Fijo ...11

13. Intercambiador de Cabezal Flotante ...12

14. Intercambiador de Cabezal Flotante de Empaquetadura ...12

15. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (1-2), Función de la Disposición de las Tuberías ...15

16. Intercambiador de Carcasa y Tubos (1-2) ...15

17. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (2-4) ...16

18. Intercambiador de Carcasa y Tubos (2-4) ...16

19. Modelos de Intercambiadores...16

20. Intercambiadores de Flujos Cruzados ...17

21. Disposición Geométrica de las Aletas en un Tubo ...18

22. Aleta tipo G...19

23. Aleta tipo L ...19

24. Aleta tipo KL ...20

25. Aleta tipo LL ...20

26. Aleta tipo Semi-Engarzada ...20

27. Aleta tipo Extruida ...20

28. Intercambiador Compacto en Espiral...21

29. Intercambiador de Placa en Espiral ...22

30. Detalle de Intercambiador de Placa en Espiral...22

31. Comparación de Espacio ocupado por un Intercambiador de Placa en Espiral y Casco y Tubos ...22

32. Intercambiador con Tapas Bridadas ...22

33. Intercambiador de Placa en Espiral con Disposición a Contracorriente...23

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37. Selección Precisa de la Placa en un Intercambiador de Placas ...29

38. Placas Dobles para Prevención de Mezclas de Fluidos...30

39. Disposición Multilfujo ...31

40. Arreglos de Flujo en PHE ...32

41. Transmisión de Calor entre la Cámara de Combustión y el Agua de un Caldera con Incrustaciones Calcáreas ...38

42. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores de Calor con Flujos en Contracorriente y de un solo Paso de Tubos...41

43A.- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ...46

43B.- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador (1-3), con Dos de los Pasos en Contracorriente...46

43C.- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador en Contracorriente (2-4), y un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ...46

43D.- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador (3-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ...47

43E.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (4-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ...47

43F.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (6-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ...47

43G.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Paso de Tubos ...48

43H.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de Ambos Fluidos y un Paso de Tubos ...48

43I.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ...48

43J.- Factor de Corrección de La LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ...49

44. Diagrama Calor-Temperatura para el Sistema...68

45. Diagrama Calor-Temperatura para Zonas Parciales...69

46. Redes de Intercambiadores, Técnica del Pellizco...75

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TABLA

1. Materiales de Juntas para Intercambiadores de Placas ...29

2. Guía de Selección de Intercambiadores de Placas ...35

3. Tabla Comparativa de PHE vs. Carcasa y Tubos ...36

4. Factores de Resistencia por Ensuciamiento...39

5. Factores de Ensuciamiento para PHE ...40

6. Rango de Factor de Ensuciamiento por Sustancia...51

7. Valores de Coeficiente Pelicular para Líquidos Comunes...52

8. Área Transversal de Flujo y Superficie para Tubos Calibre 16 BWG...59

9. Diámetro de Tubo Externo en un Intercambiador de Contracorriente...71

10. Propiedades de Algunos Fluidos de Trabajo usados en Tubos de Calor...80

INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE GRÁFICAS

GRÁFICA

1. Cálculo del valor de k’ ...52

2. Factor de Corrección para Velocidades de Flujo distintas de 0.91 mps...53

3. Factor de Corrección para Diámetros distintos de 1” ...53

4. U para Agua o Soluciones Acuosas Hirviendo, Calentadas con Vapor ...56

5. Cantidad de Tubos a través del Casco ...58

6. Corrección de Espacio entre Bafles...58

7. Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 0.25 < NTU < 2.0 ...65

8. Coeficiente de Convección para Hidrocarburos, 0.25 < NTU < 2.0...65

9. Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 2.0 < NTU < 4.0 ...66

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTRODUCCIÓN

En un proyecto de ingeniería de equipamiento térmico son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, por lo que habrá que conjugar ambas adecuadamente.

El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función.

Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero esto a su vez implica un costo mayor, tanto de tipo económico, como energético.

Dentro del grupo de intercambiadores de calor existen cantidad, entre ellos están los clásicos formados por la coraza y tubos, y otros como son por ejemplo los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc.

Si bien, el funcionamiento de los intercambiadores de calor es de lo más común, se debe aclarar que estos son diseñados de acuerdo a las necesidades de cada proceso, y es precisamente donde radica su complejidad. Antes de entrar en el tema, se darán algunas definiciones.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Un intercambiador se puede definir de modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Un esquema de intercambiador de calor sumamente primitivo puede ser el siguiente:

FIGURA 1

T1F y T2F = temperaturas de entrada y salida del fluido frío

T1C y T2C = temperaturas de entrada y salida del fluido caliente DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES

En el esquema anterior se tiene una situación que se ha dado en llamar “contracorriente” o “corrientes opuestas”. En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de “corrientes paralelas” o “equicorrientes”.

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CONTRACORRIENTE - FIGURA 2 - CORRIENTES PARALELAS

También se presenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en ángulo recto. En ese caso se habla de “corrientes cruzadas”. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con líquidos, como se ve en el siguiente esquema.

FIGURA 3

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes. Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje energía en cualquiera de sus formas.

Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en la industria, que su diseño ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas ideadas y aceptadas por TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association) que especifican con detalle los materiales, métodos de construcción, técnicas de diseño y sus dimensiones. Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. En ciertas ramas de la industria se han desarrollado intercambiadores muy especializados para ciertas aplicaciones puntuales. Tratar todos los tipos sería imposible, por la cantidad y variedad de ellos que se puede encontrar.

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Intercambiadores de Serpentines Sumergidos

Los intercambiadores de serpentín se usan en casos en que no hay tiempo o dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácilmente removibles y transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. El rendimiento del intercambio es bueno y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza interior generalmente no es problema, ya que la aplicación más frecuente es para calentamiento, generalmente con vapor. El vapor no ensucia, pero es bastante corrosivo.

Intercambiadores con Tubos Lisos Rectos

Los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más abundantes. La causa de su generalización es su mayor flexibilidad. Pueden ser de doble tubo o de haz de tubos y coraza. Más adelante se describen con mayor detalle.

Intercambiadores con Superficies Extendidas

Después de los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más frecuentes. Existen muchos medios para aumentar la superficie de intercambio; el usado más a menudo son las aletas. Estas pueden ser transversales o longitudinales, según que el plano de las aletas sea normal al eje central del tubo o pase por el mismo.

Intercambiadores Compactos

Los intercambiadores compactos han sido desarrollados para servicios muy específicos y no son habituales. Existen muchísimos diseños distintos, para los que no hay ninguna metodología general. Cada fabricante tiene sus diseños y métodos de cálculo propios. Para imaginar un intercambiador compacto suponga tener una corriente de gas a elevada temperatura (> 1000 °C) que se desea intercambie calor con aire a temperatura normal. El espacio es sumamente escaso, por lo que se compra un intercambiador construido horadando orificios en un cubo de grafito. Los orificios (tubos en realidad, practicados en la masa de grafito) corren entre dos caras opuestas de modo que existe la posibilidad de agregar una tercera corriente. El cálculo de este intercambiador es relativamente simple. Otras geometrías más complejas requieren métodos de cálculo muy elaborados.

Intercambiadores de Placa

Un intercambiador de placa consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Se trata de equipos muy fáciles de desarmar para su limpieza. En la disposición más simple hay sólo dos corrientes circulando, y su cálculo es relativamente sencillo.

Chaquetas

Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. El propósito de este equipo generalmente es calentar el contenido del recipiente. Son bastante menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resultan bastante difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la camisa es complicado. En comparación con los serpentines, las camisas son una pobre elección. Un serpentín de la misma superficie tiene un intercambio de calor bastante mayor, alrededor de un 125% calculado en base a la camisa.

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Enfriadores de cascada

Estos equipos consisten en bancos de tubos horizontales, dispuestos en un plano vertical, con agua que cae resbalando en forma de cortina sobre los tubos formando una película. Se pueden construir con tubos de cualquier tamaño pero son comunes de 2 a 4" de diámetro. Constituyen un método barato, fácil de improvisar pero de baja eficiencia para enfriar líquidos o gases con agua que puede ser sucia, o cualquier líquido frío.

SERPENTINES

Un intercambiador de serpentín es un simple tubo que se dobla en forma helicoidal y se sumerge en el líquido. Se usa normalmente para tanques y puede operar por convección natural o forzada. Debido a su bajo costo y rápida construcción se improvisa fácilmente con materiales abundantes en cualquier taller de mantenimiento. Usualmente se emplea tubería lisa de 3/4 a 2 pulgadas.

INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS

Los intercambiadores más habituales son, como se dijo, los que usan tubos. Estos comprenden a los serpentines, intercambiadores de doble tubo y los intercambiadores de tubo y coraza. Se describirá brevemente cada uno de ellos, y se discutirán los usos y aplicaciones de cada uno.

Intercambiadores de Paso Simple

El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.

FIGURA 4. INTERCAMBIADOR SIMPLE DE TUBOS CONCÉNTRICOS

El intercambiador de doble tubo es el tipo más simple que se puede encontrar de tubos rectos. Básicamente consiste en dos tubos concéntricos, lisos o aletados. Normalmente el fluido frío se coloca en el espacio anular, y el fluido caliente va en el interior del tubo interno. La disposición geométrica es la siguiente:

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El intercambiador está formado por varias unidades como las mostradas en el esquema. Cada una de ellas se llama "horquilla" y se arma con tubo roscado o bridado común y corriente. Las uniones también pueden ser soldadas, pero esto no es habitual pues dificulta el armado y desarmado para su limpieza.

El flujo en este tipo y similares por lo general es a contracorriente pura, excepto cuando hay caudales grandes que demandan un arreglo en serie-paralelo. El flujo en contracorriente pura resulta en hasta un 20% más de intercambio comparado con el arreglo en equicorrientes de modo que si se manejan corrientes pequeñas este equipo es el mejor, y también el más económico. Las longitudes de horquilla máximas son del orden de 5.5 a 6.1 metros (18 a 20 ft). Si se usan largos no soportados mayores, el tubo interno se dobla y distorsiona el espacio anular, causando mala distribución del flujo en el mismo debido a su excentricidad y disminuyendo el coeficiente global.

Algunas de sus ventajas son:

¾ Son flexibles, fáciles de armar y mantener.

¾ La cantidad de superficie útil de intercambio es fácil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operación, simplemente conectando más horquillas o anulándolas; desconectarlas lleva minutos.

¾ Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller. ¾ No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento. ¾ Los repuestos son fácilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo.

Algunas de sus aplicaciones son: cuando un fluido es un gas, o un líquido viscoso, o su caudal es pequeño, mientras el otro es un líquido de baja viscosidad, o con alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento1, con Iodos sedimentables o sólidos o alquitranes

por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza química o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operación. Son bastante comunes en procesos frigoríficos.

En una variante del intercambiador de doble tubo, intermedia entre estos y los intercambiadores de haz de tubos y coraza, se reemplaza el tubo interior único por una cantidad pequeña de tubos finos. Esto se hace para aumentar la superficie de intercambio y la velocidad lineal en el espacio de la coraza, lo que a su vez aumenta también el intercambio de calor. Las diferencias entre estos intercambiadores y los de haz de tubos y coraza son las siguientes.

1) En los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples lo mismo pueden estar más cerca unos de otros que en los de haz de tubos y coraza. En los intercambiadores de haz de tubos y coraza la relación (espaciado de tubos) / (diámetro de tubos internos) normalmente es del orden de 1.25 a 1.5, mientras que en los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples esta relación puede ser menor de 1.25.

2) El largo no soportado de tubos admisible en el tipo horquilla no es tan grande como en los de tipo casco y tubos, debido a la ausencia de bafles y estructuras auxiliares de soporte.

Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza

El intercambiador más sencillo que consta de dos tubos concéntricos, no es adecuado cuando el gasto másico es elevado. Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de los tubos que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico el construirlos formando un conjunto de tubos ubicados en un haz, rodeados por un tubo de gran diámetro

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denominado coraza; éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la coraza y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 1-1. Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales mucho mayores de lo que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descritos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor. De este modo los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, están contenidos en la coraza.

En la siguiente ilustración se ve un intercambiador de haz de tubos y coraza. A este intercambiador se lo denomina tipo 1-1, por tener un solo paso por la coraza y por los tubos. De tener dos pasos por los tubos y uno por la coraza se llamaría tipo 2-1.

FIGURA 6. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) CON MEZCLA DE DOS FLUIDOS

En este tipo de intercambiador, uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluido se ve forzado a circular entre la coraza y la parte exterior de los tubos, normalmente a ellos. Cuando las temperaturas TC del fluido del lado caliente y TF del fluido del lado frío son

variables de un punto a otro, a medida que el calor va pasando del fluido más caliente al más frío, la velocidad de intercambio térmico entre los fluidos también variará a lo largo del intercambiador, porque su valor depende, en cada sección, de la diferencia de temperaturas entre los fluidos caliente y frío.

En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente. Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor.

En un intercambiador en contracorriente, los coeficientes de transmisión de calor del lado de la coraza y del lado de los tubos deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes para obtener un coeficiente global satisfactorio. La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la coraza son tan importantes como las del líquido del lado de los tubos.

Para evitar el debilitamiento de las placas tubulares es preciso mantener una distancia mínima entre los tubos, por lo que no resulta práctico colocar los tubos tan juntos que la sección libre para el flujo del fluido por el exterior de los tubos sea tan pequeña, como la del interior de los mismos.

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FIGURA 7. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) SIN MEZCLA DE UNO DE LOS FLUIDOS

FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN:

a) CONDENSADORES DE UN PASO DE TUBOS; b) VAPORIZADORES DE UN PASO DE TUBOS c) INTERCAMBIADORES DE CALOR DE FLUJOS EN EQUICORRIENTE Y DE UN PASO DE TUBOS

Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del lado de la coraza es menor que la del lado de los tubos; por esta razón se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la sección de flujo del líquido del lado de la coraza y obligarlo a circular en dirección cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor más elevado en flujo cruzado Figura 8c, que en circulación paralela a los tubos, Figura 8a.

El flujo pasa perpendicularmente a los tubos, circulando hacia abajo en la primera sección, hacia arriba en la segunda, y así sucesivamente; la turbulencia adicional que se crea mediante este tipo de flujo aumenta el coeficiente de transmisión de calor del lado de la coraza. Las disposiciones del haz se pueden observar en el siguiente esquema.

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Las pantallas, (placas deflectoras), son discos circulares de una plancha metálica a los que se ha cortado, para estos intercambiadores, un cierto segmento circular, Figura 8c, de forma que la altura de este segmento sea igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza, por lo que las placas deflectoras así obtenidas se denominan placas del 25%, viniendo perforadas para recibir los tubos; para evitar fugas, o hacer que estas sean mínimas, las holguras entre las placas y la coraza, y entre las placas y los tubos deben ser pequeñas. Este tipo de construcción resulta práctico solamente para corazas pequeñas.

Los tubos se fabrican en todos los metales corrientes con un determinado diámetro exterior y un definido espesor de pared, según el número BWG. Los tubos se disponen según una ordenación triangular (tresbolillo) o rectangular (regular); cuando el lado de la coraza tiene gran tendencia a ensuciarse no se utiliza la disposición triangular por cuanto los espacios entre tubos son de difícil acceso, cosa que no sucede en la disposición cuadrada, que a su vez provoca una menor caída de presión en el lado de la coraza que la disposición triangular.

Las normas TEMA especifican una distancia mínima de centro a centro de los tubos de 1.25 veces el diámetro exterior de los mismos para la disposición triangular y una anchura mínima de las calles de limpieza de 1/4 de pulgada para la disposición cuadrada.

La coraza tiene un diámetro normalizado; la distancia o espaciado entre placas no debe ser menor de 1/5 del diámetro de la coraza ni mayor que el diámetro interior de la misma. Los tubos se unen a la placa tubular acanalando los orificios y acampanando en su interior los extremos de los tubos mediante un mandril cónico rotatorio que fuerza al metal del tubo más allá de su límite elástico, de forma que el metal se introduce en las acanaladuras; en los intercambiadores que van a trabajar a presiones elevadas, los tubos se sueldan a la placa tubular.

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FIGURA 10. PANTALLAS UTILIZADAS EN LOS INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBOS

En general, el intercambiador de calor de coraza y tubos tiene unas placas (cabezales) en donde se fijan los tubos por ambos extremos, mediante soldadura u otro tipo de fijación; este tipo de construcción tiene un bajo costo inicial, pero sólo se puede utilizar para diferencias pequeñas de temperatura entre el fluido caliente y el frío, puesto que no se ha hecho ninguna previsión para evitar las tensiones mecánicas de origen térmico debidas a la dilatación entre los tubos y la coraza. Otra desventaja consiste en que el montaje del haz de tubos no se puede desmontar para su limpieza; estos inconvenientes se solucionan fácilmente haciendo que una de las placas de tubos esté fija, mientras que la otra se sujeta mediante pernos a un cabezal flotante que permite el movimiento relativo entre el haz de tubos y la coraza; la placa de tubos flotante está sujeta con mordazas entre la cabeza flotante y unas bridas, de modo que es posible retirar el haz de tubos para su limpieza.

La caída de presión en el lado de la coraza ΔPcoraza para una distribución de tubos con deflectores,

se puede estimar por la ecuación de Delaware, como suma de las siguientes aportaciones: ¾ Caída de presión en las secciones de entrada y salida

¾ Caída de presión asociada a las secciones interiores delimitadas por los deflectores ¾ Caída de presión asociada con el cortocircuito y las fugas

ΔP

coraza

=

k

*

(

Ndef

+

1

)

ΔP

ideal (1) En la que ΔPideal es la caída de presión uniforme en la batería de tubos, Ndef es el número de

deflectores y k* una constante del orden de 0.2 a 0.3 que indica que la caída de presión real es sólo un 20% a un 30% de la que se obtendría en la misma batería de tubos si el flujo fuese uniforme.

Existen tres tipos básicos de intercambiadores de haz de tubos y coraza. Dentro de cada uno de ellos hay numerosos subtipos diseñados para circunstancias de operación específicas.

Los tres tipos básicos son: ¾ Tubos en U

¾ De cabezal fijo ¾ De cabezal flotante

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Intercambiadores de Tubos en U

Los intercambiadores de tubos en U tienen los tubos del haz doblados formando una U para evitar una de las dos placas de tubos, que al separar el espacio del fluido de la coraza del espacio del fluido de tubos ofrece un punto débil en la unión de los tubos con la placa que puede ser causa de fugas. Además, los tubos en U presentan cambios de dirección más graduales, porque la curva que forman en el extremo es muy abierta, lo que ofrece menor resistencia al flujo. El siguiente croquis muestra un típico intercambiador de tubos en U.

FIGURA 11

Los números en cada círculo identifican las partes principales del equipo, cuyo significado se aclara más adelante. Es uno de los tipos de intercambiador más usados. Los servicios en los que se pueden usar son los siguientes:

¾ Servicio limpio, ninguna corriente ensucia.

¾ Presión extrema en un lado. Por ejemplo, del lado del casco.

¾ Condiciones de temperatura que causan severos esfuerzos térmicos, particularmente cambios repetitivos o de inversión cíclica de temperatura que requieren aliviarse por expansión. El haz en U se expande libremente, evitando así elevados esfuerzos de corte en el cabezal.

¾ A veces para servicios con hidrógeno a presiones extremas (síntesis de amoníaco, por ejemplo) usando una construcción totalmente soldada con haz no removible. Este tipo de servicio prácticamente no ensucia.

¾ Para permitir localizar la boca de entrada de coraza lejos del haz de tubos. Esto a veces es necesario cuando la velocidad del fluido de casco es demasiado alta, lo que puede causar vibraciones destructivas en el haz de tubos.

Problemas con este tipo de intercambiador:

¾ La limpieza mecánica del interior del haz es dificultosa si se produce ensuciamiento en el sector recto, y a menudo imposible si se produce en las curvas.

¾ La limpieza mecánica del exterior del haz es muy difícil en el sector curvo.

¾ Es imposible tener contracorriente pura (un paso en los tubos, un paso en la coraza) con la disposición en U que por naturaleza debe tener al menos dos pasos en los tubos.

¾ Los tubos no son fáciles de cambiar, y a veces no se pueden cambiar de ninguna manera. Si un tubo no se puede cambiar, habrá que cerrarlo. Si se espera que haya daño en los tubos, habrá que prever un exceso razonable de cantidad de tubos para cubrir la posible disminución de número de tubos debido a tubos clausurados.

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Intercambiadores de Cabezal Fijo

Es el tipo más popular cuando se desea minimizar la cantidad de juntas, no hay problemas de esfuerzos de origen térmico y no es preciso sacar el haz (ambos fluidos no son corrosivos y el fluido del lado de coraza es limpio). Este tipo de intercambiador es sumamente propenso a tener fallas cuando hay esfuerzo térmico severo, resultando en que se producen fugas tanto internas como externas. Las internas son extremadamente peligrosas porque no son fáciles de detectar. Por ello es necesario realizar un análisis térmico considerando todas las fases de operación: arranque, normal, variaciones y anormal, para detectar y aliviar condiciones de esfuerzo térmico. Para analizar el esfuerzo térmico se deben calcular las temperaturas promedio de los tubos y la coraza, y por medio del módulo de elasticidad y del coeficiente de expansión térmica se calcula la diferencia de expansión entre la coraza y los tubos, y la tensión. Si los tubos se expanden más que la coraza, están bajo esfuerzo de compresión. Si los tubos se expanden menos que la coraza, sufren esfuerzo de tracción. Esto es importante para determinar el tipo de unión entre tubos y placa. Esta puede ser mandrilada o soldada. Si el esfuerzo es tan grande que se requiere una junta de expansión, se la debe seleccionar para que opere bajo corrosión y fatiga sin fallas, porque si una junta falla, no hay salida: hay que sacarlo de operación y mandarlo a reparar. Debido a que las juntas de expansión son más delgadas que la coraza, es preferible evitar su uso cuando esto sea posible si el fluido del lado de coraza es corrosivo.

Las uniones soldadas de haz y placa son más robustas y confiables que las uniones mandriladas o expandidas, pero algo más caras. Soldar con latón o plomo es una solución de costo intermedio, que muchos prefieren cuando no se espera corrosión y la expansión térmica será baja.

A continuación se ve un croquis que muestra la disposición de un intercambiador de cabezal fijo.

FIGURA 12

Los números en cada círculo identifican las partes principales del equipo, cuyo significado se aclara más adelante.

Problemas con este tipo de intercambiador:

¾ El haz de tubos fijo no se puede inspeccionar o limpiar mecánicamente una vez instalado. ¾ El esfuerzo de origen térmico debe ser bajo o despreciable. Si no, se pueden usar juntas de

expansión en la coraza, pero no cuando la presión es alta y/o el fluido es corrosivo.

En resumen, tomando unas cuantas precauciones razonables, el intercambiador de cabezal fijo es una opción comparativamente atractiva y más barata que la de cabezal flotante.

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Intercambiadores de Cabezal Flotante

Es el tipo más sofisticado (y caro) de intercambiador de haz de tubos y coraza. Está indicado en servicios en los que la limpieza de tubos y/o su reemplazo son frecuentes. Hay dos tipos básicos de intercambiador de cabezal flotante. Uno emplea un cabezal "flotante" (es decir, deslizante) con o sin anillo seccionado ("split ring"). El otro usa empaquetadura para permitir la expansión térmica. Este se llama comúnmente intercambiador de cabezal flotante de unión empaquetada y no se usa en servicio con fluidos peligrosos o cuando las fugas pueden ser tóxicas. Hay numerosos subtipos de intercambiador de cabezal flotante cuyas diferencias están en el diseño del cabezal y la cubierta. Los diseños de cubierta apuntan a evitar o prevenir que se tuerza el cabezal o el haz de tubos, lo que puede producir fugas. Muchas dependen de un maquinado preciso y un armado y abulonado muy exacto. Son evidentemente más caras. Otras usan un anillo espaciador y/o un segundo anillo o abrazadera a 90° de la primera para obtener una unión más fuerte. El cabezal generalmente está soportado por una placa.

A continuación se muestra un croquis que ilustra un intercambiador de cabezal flotante interno de cabezal deslizante sin anillo dividido. Tanto el casquete de la coraza como el del cabezal interno tienen una anilla de sujeción para poder manipularlos.

FIGURA 13

La siguiente figura ilustra un intercambiador de cabezal flotante de empaquetadura. Dado que el cabezal de arrastre roza contra la empaquetadura, hay un desgaste que obliga a que esta se deba inspeccionar periódicamente para evitar las fugas

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El significado de los números en cada círculo para esta figura y las anteriores es el siguiente.

1 Cabezal estacionario, canal del fluido de tubos 20 Brida de apoyo deslizante

2 Cabezal estacionario, casquete 21 Cubierta del cabezal flotante, externa 3 Brida de cabezal estacionario, canal o casquete 22 Faldón del espejo flotante

4 Cubierta de canal 23 Brida del prensaestopas

5 Tobera de cabezal estacionario 24 Empaque

6 Espejo o haz estacionario 25 Prensaestopas o empaquetadura

7 Tubos 26 Anillo de cierre hidráulico

8 Coraza 27 Bielas y espaciadores

9 Cubierta de la coraza 28 Deflectores transversales o placas de apoyo 10 Brida de la coraza, extremo del cabezal estacionario 29 Placa de choque

11 Brida de la coraza, extremo del cabezal posterior 30 Deflector longitudinal

12 Tobera de la coraza 31 Separación de paso

13 Brida de la cubierta de la coraza 32 Conexión de ventila

14 Junta de expansión 33 Conexión de drenaje

15 Espejo flotante 34 Conexión de instrumentos

16 Cubierta del cabezal flotante 35 Pie de soporte 17 Brida del cabezal flotante 36 Anilla de sujeción 18 Dispositivo de apoyo del cabezal flotante 37 Ménsula de soporte

19 Anillo de corte dividido 38 Vertedero

El diámetro del cabezal a menudo es mayor que el de la coraza, de modo que la coraza debe tener un cabezal uno o dos tamaños de tubo mayor que el resto. Si los tubos son cortos y el peso del cabezal es demasiado grande, se puede producir un brazo de palanca que tensione el haz, con peligro de rotura de las uniones con las placas, lo que se puede prevenir soldando una o dos barras al extremo del cabezal de la coraza para que el cabezal flotante se desplace sobre las barras que actúan como guías y soportes.

El cabezal flotante de anillo partido emplea una abrazadera dividida en varias partes, con numerosas juntas que se deben maquinar con precisión para obtener una unión estanca.

Este es un punto obviamente débil en este diseño si se opera con alta presión. Se sugiere ser muy cuidadoso si las presiones son mayores de 42 kg/cm2.

El diseño de cabezal flotante de arrastre no usa anillo dividido. El bonete del cabezal es del mismo tamaño que la coraza. Debido al hecho de que el cabezal se encuentra próximo al extremo, este tipo de intercambiador no es adecuado para un paso por los tubos. Para resolver este problema, se puede hacer salir el fluido de tubos a través del extremo de coraza, pero esto origina otra unión empaquetada y por lo tanto crea un punto extra de fuga potencial. Otro problema del diseño de cabezal flotante de arrastre es el hecho de que para el mismo diámetro del haz, el diámetro del haz es dos (y a veces más) veces mayor que en el diseño de anillo partido. El espacio anular entre el haz y la coraza es mucho mayor que en el caso del diseño de anillo partido, y el caudal de fuga (que no atraviesa el haz de tubos) que se deriva por este espacio es mayor, lo que resulta en una menor eficiencia del intercambio. Esta corriente que escapa por el espacio anular se puede minimizar (¡pero no eliminar!) por medio de cintas o tiras de sellado. Por esta razón, la gente que hace o calcula intercambiadores de calor a menudo, generalmente prefiere el diseño de anillo partido, mientras que la gente de mantenimiento ama el diseño de cabezal flotante, que les da menos problemas. Un problema de todos los diseños de cabezal flotante es que los puntos de fuga interna potencial están en el prensaestopas del cabezal. Ahora bien, la fuga interna (es decir, contaminación por mezcla de las dos corrientes) es un problema sólo detectable mediante un cuidadoso monitoreo de las propiedades de ambas corrientes. Si la contaminación es un problema, querrá inspeccionar a menudo los prensaestopas del cabezal y de las uniones del haz para prevenir una fuga, lo que deberá hacer desconectando el equipo y extrayendo el haz para una inspección cuidadosa.

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Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2)

El flujo en un intercambiador (1-2) es parcialmente en contracorriente y parcialmente en corrientes paralelas; en la Figura 15a el conjunto de las curvas de temperatura se corresponde con un intercambiador de corrientes paralelas en equicorriente, mientras que en la Figura 15b las curvas de temperatura son para un intercambiador en contracorriente.

En los intercambiadores de paso múltiple se pueden utilizar velocidades más elevadas, tubos más cortos y resolver fácilmente el problema de las expansiones y dilataciones. En este tipo de intercambiadores disminuye la sección libre para el flujo, con lo cual aumenta la velocidad, dando lugar a un incremento del coeficiente de transmisión de calor por convección.

Sus principales desventajas son:

a) El intercambiador es más complicado.

b) Aumentan las pérdidas por fricción debido a la mayor velocidad y a la multiplicación de las pérdidas de carga en la entrada y en la salida.

Para un intercambiador de cuatro pasos de tubos, la velocidad media en los tubos es cuatro veces mayor que en un intercambiador de paso simple que tenga el mismo número y tamaño de los tubos y opere con el mismo caudal de líquido.

El coeficiente de transmisión de calor del interior de los tubos del intercambiador de cuatro pasos es aproximadamente igual a 40.8 = 3.03 veces mayor que el del intercambiador de un solo paso,

pudiendo ser todavía mayor si la velocidad en cada paso simple es suficientemente pequeña para dar lugar a un flujo laminar. Las pérdidas por rozamiento son del orden de 42.8= 48.5 veces mayores sin tener en cuenta las pérdidas adicionales debidas a las expansiones y contracciones. En el diseño más económico contribuye, entre otros factores, una velocidad del fluido en los tubos tal, que el incremento del costo de la potencia necesaria para el bombeo se compense con una disminución del costo del aparato; una velocidad demasiado baja ahorra potencia de bombeo pero en cambio requiere un cambiador excesivamente grande y costoso; una velocidad excesivamente grande, lo contrario.

En los intercambiadores de paso múltiple se utilizan con frecuencia cabezales flotantes; el líquido del lado de los tubos entra y sale por la misma cámara que está tabicada mediante una placa con el fin de separar las corrientes de entrada y salida.

El intercambiador (1-2) posee una importante limitación ya que debido al paso del flujo en corrientes paralelas, el intercambiador no permite que la temperatura de uno de los fluidos a la salida sea muy próxima a la temperatura del otro fluido a la entrada, lo que se traduce en que la recuperación de calor en un intercambiador (1-2) es necesariamente mala.

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FIGURA 15. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES (1-2), FUNCIÓN DE LA DISPOSICIÓN DE LAS TUBERÍAS

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Intercambiador (2-4)

En la Figura 17, las líneas de trazo discontinuo de la distribución de temperaturas en un intercambiador (2-4) se refieren al fluido del lado de la carcasa y las de trazo continuo al fluido del lado de los tubos; el fluido que circula por la carcasa es el más caliente. El paso más caliente del fluido de la carcasa está en contacto térmico con los dos pasos más calientes del lado de los tubos y el paso más frío del lado de la carcasa lo está con los dos pasos más fríos del lado de los tubos.

FIGURA 17. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES (2-4)

FIGURA 18. INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS (2-4)

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En conjunto, este intercambiador se aproxima más a una verdadera unidad en contracorriente de lo que es posible con un intercambiador (1-2) ya que una ventaja del montaje en contracorriente consiste en que, para un flujo térmico determinado, se requiere menos área superficial de intercambio que en un flujo en equicorriente.

Con un intercambiador (2-4) se puede obtener una mejor recuperación de calor, por cuanto opera con dos pasos en el lado de la carcasa y cuatro pasos en el lado de los tubos, consiguiéndose mayores velocidades, así como un coeficiente global de transmisión de calor más elevado que en el caso (1-2) que opere con las mismas velocidades de flujo.

Intercambiador de Flujos Cruzados

En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, Figura 20, en el que uno de los fluidos (líquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos.

El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante convección forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos está confinado y no puede mezclarse con ningún otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor.

En un proyecto de intercambiadores de calor es importante especificar si los fluidos están mezclados o sin mezclar y cuál de los fluidos está mezclado. Es importante también equilibrar los gradientes de temperatura mediante la obtención de coeficientes de transmisión de calor aproximadamente iguales en el interior y en el exterior de los tubos; si esto no se hace así, una de las resistencias térmicas puede ser grande, lo que provocará una caída de temperatura global también grande para una transferencia de calor por unidad de tiempo determinada, lo que exige un equipo mayor, con el consiguiente perjuicio económico.

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INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS

Los tubos aletados se usan porque las aletas aumentan el intercambio de calor en alrededor de 10 a 15 veces por unidad de longitud.

Las aletas se fabrican de una gran variedad de diseños y formas geométricas. Las aletas longitudinales se usan en intercambiadores de doble tubo, mientras que las aletas transversales circulares cortas (Iowfins) se usan en intercambiadores de haz de tubos y coraza.

Esto se debe al hecho de que en los intercambiadores de doble tubo el flujo es paralelo a los tubos, mientras en los de haz de tubos y coraza es normal al banco de tubos. Aletas más altas (highfins) se usan en intercambiadores sin coraza o con flujo normal al eje del banco de tubos. Existe una enorme variedad de diseños de intercambiadores con superficies extendidas, pero los más comunes son los derivados de los diseños básicos de intercambiadores de tubos lisos. Es decir, intercambiadores de doble tubo, de serpentín o de haz de tubos y coraza en los que se usa tubo aletado. Algunos ejemplos de los más comunes son.

Intercambiadores de Doble Tubo Aletado

Tanto en el caso de intercambiadores de un solo tubo como multitubo las aletas son longitudinales, continuas y rectas. Otros tipos de aleta son poco usadas, porque la resistencia hidráulica que ofrecen es mayor sin aumento de la eficacia de intercambio, además de ser más caras. Se usan principalmente en el calentamiento de líquidos viscosos, en casos en que los líquidos tienen propiedades de intercambio de calor y de ensuciamiento muy diferentes, y cuando la temperatura del fluido a calentar no puede exceder un máximo.

Por lo general la disposición geométrica de las aletas es en el exterior del tubo interno, como se ve en la siguiente figura.

FIGURA 21

El uso de aletas también tiene justificación económica porque reduce significativamente el tamaño y cantidad de unidades de intercambio requerida para un determinado servicio.

Otra aplicación de los tubos aletados es el calentamiento de líquidos sensibles al calor, Iodos o pastas. Debido a la mayor área de intercambio, las aletas distribuyen el flujo de calor más uniformemente. Al calentar aceites o asfalto, por ejemplo, la temperatura de las aletas es menor que la de la cara externa del tubo interior.

Por lo tanto, la temperatura de la capa de aceite o asfalto en contacto con las aletas es menor, reduciendo en consecuencia el peligro de deterioro o carbonización, producción de coque y dañar

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o eventualmente ocluir parcialmente el intercambiador, reduciendo drásticamente su eficiencia de intercambio.

En aplicaciones de enfriamiento, colocando la corriente a enfriar del lado de las aletas (de la coraza) se obtiene un enfriamiento a mayor temperatura, de modo que la solidificación de ceras en hidrocarburos viscosos o la cristalización o depósitos en barros es menor o inexistente.

Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados

El tipo de aleta más comúnmente usado es la transversal. Los intercambiadores con aletas transversales se usan principalmente para enfriamiento o calentamiento de gases en flujo cruzado. La aleta transversal más común es la tipo disco, es decir de forma continua. Contribuyen a ello razones de robustez estructural y bajo costo, más que la eficiencia de la aleta, que es menor para el tipo disco que para otras formas más complejas.

Las aplicaciones actuales más comunes son en los siguientes servicios: enfriamiento de agua con aire, condensación de vapor, economizadores y recalentadores de vapor en hornos de calderas y serpentines de enfriamiento de aire en acondicionadores y otros servicios que involucran calentamiento o enfriamiento de gases. Estas aplicaciones en general no requieren coraza, ya que el haz de tubos no se encuentra confinado sino más bien interpuesto en el canal conductor de gases. El flujo en todos los casos es cruzado.

Los intercambiadores de haz de tubos aletados y coraza se emplean en las mismas condiciones que se mencionaron anteriormente, fundamentalmente cuando la temperatura del lado de la coraza no puede exceder un cierto valor relativamente bajo y las condiciones de operación indican este tipo de intercambiador.

Tubos Aletados Helicoidalmente

Aleta tipo 'G'

(Aleta empotrada) El fleje de aletar es enrollado en una ranura realizada previamente sobre el tubo base y posteriormente, aplicando presión sobre los bordes de la ranura, la aleta queda firmemente sujeta, en su sitio, sobre el tubo base. Esto asegura el máximo intercambio de calor con los tubos a alta temperatura. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 450°C.

FIGURA 22

Material de aletas: Aluminio o cobre.

Materiales de tubos: Acero carbono, acero Cr.-Mo., acero inoxidable, cobre, aleaciones de cobre, etc.

Aleta tipo 'L'

El fleje de aluminio se deforma controladamente bajo presión para optimizar la sección de contacto del pie de la aleta sobre el tubo base. Esto maximiza las propiedades de intercambio de calor. El pie de la aleta aumenta considerablemente la protección anti-corrosiva. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 150°C.

Material de aletas: Aluminio o cobre.

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Aleta tipo 'KL'

Se elabora exactamente como la aleta 'L', excepto que la superficie exterior del tubo base es moleteada, antes de la aplicación del pie de la aleta. Después de la aplicación, el pie de la aleta es presionado sobre el moleteado del tubo base, aumentando la adherencia entre aleta y tubo, lo que mejora las características de intercambio de calor. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 260°C.

Material de aletas: Aluminio o cobre.

Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera. FIGURA 24 Aleta tipo 'LL'

Se elabora exactamente como la aleta 'L', excepto que los pies de las aletas van solapándose cubriendo el tubo base totalmente, lo que favorece a una excelente resistencia a la corrosión. Este tipo de tubo se suele usar como alternativa al tipo más caro, el de aleta extruida, en ambientes corrosivos. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 180°C.

Material de aletas: Aluminio o cobre.

Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera. FIGURA 25 Aleta tipo 'Semi Engarzada'

Este tipo de aleta es una aleta no cónica enrollada bajo presión alrededor del tubo base. Este procedimiento produce una ondulación en el pie de la aleta. Los extremos de los flejes enrollados se sueldan al tubo base. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 250°C.

Material de aletas: Acero carbono/inoxidable o cobre. FIGURA 26

Materiales de tubos: Acero carbono/inoxidable o cobre y aleaciones de cobre.

Aleta tipo 'Extruida'

Este tipo de aletas se elabora a partir de dos tubos de distinto material, y consiste en un tubo exterior de aluminio y un tubo interior de cualquier material. La aleta se conforma presionando mediante rodillo el material desde el exterior del tubo hacia el interior, creando una aleta integral con unas propiedades excelentes de intercambio de calor y durabilidad. Las aletas extruidas ofrecen una excelente protección anticorrosiva en el tubo base. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 280°C.

FIGURA 27

Material de aletas: Aluminio.

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INTERCAMBIADORES COMPACTOS DE ESPIRAL

Los intercambiadores compactos más frecuentes son del tipo espiral. El intercambiador de placas en espiral se comenzó a usar en Suecia alrededor de 1930 para recuperar calor de efluente contaminado de la industria papelera. En 1965 la empresa que los fabricaba fue comprada por el grupo sueco Alfa-Laval que es el fabricante más grande en la actualidad, aunque no el único. Encuentra aplicación en casos en los que los fluidos no ensucian o ensucian muy poco, porque su construcción no permite la limpieza mecánica. Para poder acceder al interior del equipo habría que desarmarlo y volverlo a soldar, lo que por supuesto está fuera de la cuestión y no debiera siquiera pensarse en encarar semejante tarea. El único en condiciones de hacerla es el fabricante. No obstante algunas marcas producen modelos desarmables en los que se han reemplazado las uniones soldadas por uniones con junta empaquetada. Este tipo de equipo no se puede someter a presiones elevadas, pero permite un acceso algo más fácil aunque siempre limitado al interior para efectuar limpieza mecánica.

Tampoco se pueden usar cuando alguna de las corrientes es corrosiva, debido a que no se pueden reemplazar las partes dañadas. En los casos en que ambas corrientes no ensucian o producen un ensuciamiento moderado que se puede eliminar por limpieza química es probablemente el tipo de intercambiador más eficiente por diversos motivos. Entre las ventajas más importantes se pueden citar las siguientes.

¾ Presentan coeficientes de transferencia globales más elevados que los intercambiadores de casco y tubos, con velocidades lineales menores debido al efecto turbulento producido por el constante cambio de dirección del flujo.

¾ No tienen puntos de estancamiento de ninguna de las corrientes (a diferencia de los intercambiadores de casco y tubos, que generalmente los tienen) y no existe la posibilidad de acumulación de suciedad, ni de variaciones importantes de temperatura en esos puntos. ¾ Ocupan mucho menos espacio que los intercambiadores de casco y tubos, debido a que la

superficie efectiva de intercambio de calor por unidad de volumen es más alta. Además, como se explica más adelante los intercambiadores de casco y tubos de haz extraíble deben tener espacio extra en los extremos para extraer y maniobrar el haz.

¾ Los equipos compactos de construcción totalmente soldada son menos propensos a presentar fugas ya sea internas (entre las corrientes) como hacia el exterior.

¾ Debido a la velocidad constante que se mantiene en ambas corrientes es improbable el depósito de sólidos en suspensión, siempre que esta velocidad sea suficiente para impedirlo. Su estructura consiste en un par de placas largas enroscadas

formando una espiral, separadas de modo que se obtiene un espacio entre placas por el que circulan los fluidos.

El fluido caliente entra por el centro del espiral y sale por la periferia, mientras que el frío entra por la periferia y sale por el centro en el extremo opuesto a la entrada del caliente. Esta disposición se conoce como flujo en espiral y si bien se considera contracorriente, en rigor de verdad no es estrictamente contracorriente pura, tan es así que se requiere una pequeña corrección a la diferencia media logarítmica de temperatura2

(LMTD) para llevar los valores calculados a la realidad. El siguiente croquis muestra la estructura de un intercambiador placa espiral de una conocida marca, con un detalle de la disposición de las corrientes.

FIGURA 28

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FIGURA 30

FIGURA 29

Examinando la figura de la derecha se ve que el equipo está formado por dos espacios en los que las corrientes intercambian calor a contracorriente pura. Esto significa que estos equipos tienen mayor eficiencia térmica que los de casco y tubos, porque a menos que un intercambiador de casco y tubos tenga un solo paso por los tubos y un solo paso por el casco, las corrientes no están en contracorriente. Por eso (además de su construcción

más compacta) los intercambiadores de placa espiral ocupan menos espacio que los de casco y tubos capaces de prestar el mismo servicio. La figura 31 muestra el espacio ocupado por

ambas clases de equipo. FIGURA 31

También se pueden encontrar disposiciones físicas más robustas con tapas bridadas que permiten soportar mayores presiones. En la siguiente figura se observa la misma disposición de las corrientes, es decir con flujo en espiral, donde el fluido caliente entra por A y sale por el cabezal superior (que se omite en la figura), mientras que el fluido frío entra por B y sale por C.

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Los casos en que no conviene usar intercambiadores de placa en espiral son los siguientes.

¾ Cuando la diferencia de presión entre ambas corrientes es muy grande. Debido a que no se pueden construir con espesores de pared superiores a 1.3 cm (0.5 pulgadas), la diferencia de presión entre corrientes está limitada a unos 28.12 kg/cm2 manométricos (400 psig). En las

unidades de pequeño tamaño el espesor generalmente es menor aún, dependiendo del tamaño y del material usado en su construcción.

¾ Debido a que las chapas en espiral están soldadas, la temperatura operativa no puede exceder la máxima que puede tolerar la soldadura. Generalmente el costo crece mucho cuando se usan materiales y soldaduras resistentes a las temperaturas elevadas, digamos por caso 700°C. Pero por otro lado esto también es cierto en cualquier otro diseño.

¾ El costo por unidad suele ser algo mayor que el de un equipo de casco y tubos, capaz de la misma capacidad, debido a la construcción más complicada. Por supuesto, el hecho de ser compacto hace que su peso por unidad de volumen sea muy superior para capacidades similares que los de casco y tubos. En consecuencia, el costo por unidad de volumen es mucho más elevado.

¾ No se pueden manejar fluidos que circulan con caudales muy altos. El límite suele ser de alrededor de 126 a 158 lph (2000 a 2500 gpm). Esta limitación por lo general no se presenta a menos que los caudales de ambas corrientes sean enormemente distintos, lo que de todas maneras es un problema muy difícil de resolver con cualquier tipo de intercambiador de calor.

Disposiciones de las Corrientes

En las distintas aplicaciones de los intercambiadores compactos de espiral, además de la disposición de flujos en espiral que se han visto en el apartado anterior, se pueden usar otras. La más común es en espiral, pero esta se usa principalmente para intercambio de calor sin cambio de fase. Pero con uno de los fluidos condensando esta disposición no es conveniente, ya que el condensado tiende a bajar por la atracción gravitatoria y se acumularía en el fondo del canal, inundando el equipo y disminuyendo la superficie efectiva de intercambio.

FIGURA 33

En estos casos se usa una combinación de flujo cruzado y flujo en espiral. El líquido refrigerante fluye en espiral, mientras que el vapor ingresa por la parte superior en flujo cruzado y a medida que se condensa cae hacia el fondo por donde sale. Esta disposición de las corrientes se puede observar en la figura adjunta.

Esta combinación de flujo contracorriente-espiral tiene menor eficiencia térmica que el flujo en espiral y no es normal que se use a menos que haya fuertes razones que lo justifiquen. Una de esas causas es, como ya se ha dicho, el cambio de fase de una de las corrientes.

En estos casos se usa una disposición de flujo combinado contracorriente-espiral en un diseño especialmente desarrollado para el cambio de fase, como se ve en la figura adjunta.

Se puede ver que el vapor sigue un camino más corto, con menor pérdida de presión, porque no fluye en espiral sino que atraviesa el canal abierto de arriba a abajo, lo que permite operar al vacío. Además, el espacio inferior permite una separación nítida del condensado y los gases o vapores incondensables, que se pueden extraer por medio de un orificio adicional (no indicado en la figura) lateral lo que nos ahorra una etapa de separación.

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Referencias