DESCRIPCION GENERAL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

DE CARCASA Y TUBOS.

Lechería, Noviembre 06 de 2002.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE

CARCASA Y TUBOS.

Arreaza, Juan c.Domínguez, Javier.Gamarro, Leandro.Hidalgo, Alexander.

Parra, José. Pirela, Carlos.

Lechería, Noviembre de 2002

Tutores:Gabriella La Rosa

Integrantes:

Índice

Página

1.- Introducción........................................................................................ 4

2.- Objetivos........................................................................................... 5

3°-Intercambiador de calor

3.1 Generalidades............................................................................... 6

4°-Partes de un Intercambiador de calor de Carcasa y Tubo

4.1 Generalidades............................................................................... 7

4.2 Carcasa......................................................................................... 8

4.3 Desviadores Transversales........................................................... 8

4.4 Planchas de Choque..................................................................... 9

4.5 Tubos y Haz de Tubos.................................................................. 9

4.6 Tapa del Cabezal Flotante............................................................ 11

4.7 Bridas............................................................................................ 12

4.8 Conexiones.................................................................................... 13

4.9 Empacaduras................................................................................ 14

4.10 Soportes...................................................................................... 14

5°-Operación de los Equipos Tubulares

5.1Flujo en los Intercambiadores........................................................ 15

6°-Rendimiento del Intercambiador de Calor

6.1 Coeficientes Típicos de Traspaso de Calor “U”............................. 18

6.2 Diferencias de Temperatura (Esquemático).................................. 19

7°-Tipos de Intercambiadores de Calor del tipo Carcasa y Tubo

7.1 Rehervidor..................................................................................... 21

7.2 Enfriadores.................................................................................... 22

7.3 Condensadores............................................................................. 23

7.4 Intercambiadores de Doble Tubo.................................................. 24

7.5 Sobrecalentadores........................................................................ 24

7.6 Calentadores................................................................................. 25

7.6.1 Tipos de Calentadores............................................................. 25

Introducción

La temperatura de un cuerpo que esta más caliente que su entorno tiende a

decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo

energía. Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante

los mecanismos de conducción y de convección, en los que la magnitud del

intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el

cuerpo y el entorno.

La transferencia de calor es de gran importancia en los procesos

industriales. A veces, tratamos de acelerar la transferencia de calor. En otros casos,

tratamos de reducirla al mínimo. Las leyes fundamentales de la transferencia de

calor son igualmente aplicables en ambos casos.

El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación. La

conducción del calor involucra la transferencia de energía de una molécula a otra.

La convección del calor, es la transferencia que ocurre cuando el fluido se mueve

sobre una superficie recibiendo o entregando calor. La radiación es un fenómeno

que involucra la energía térmica irradiada por un cuerpo.

Este proyecto es de gran importancia porque permite una gran comprensión

sobre el funcionamiento de uno de los equipos más utilizados en la industria

petrolera para los procesos de transferencia de calor, como es el intercambiador de

calor de carcasa y tubo.

En este proyecto sé busca desarrollar conocimientos indispensables sobre los

intercambiadores de calor con el fin de prestar un servicio óptimo en la empresa

petrolera, buscando siempre actuar con seguridad en la ejecución de labores

cotidianas en el área de trabajo.

Objetivo

El objetivo general de este proyecto es describir conceptos específicos sobre

intercambiadores de calor, igualmente dar a conocer sus usos y funcionamientos,

los cuales son de gran importancia en la industria petrolera en los diversos procesos

que requieren un intercambio de energía calorífica.

Apoyándose en los siguientes objetivos específicos:

1. Identificar Aplicaciones de los Intercambiadores de Calor de Carcasa

y Tubo.

2. Conocer las partes que conforman el Intercambiador de Calor de

Carcasa y Tubo.

3. Establecer el Principio de Funcionamiento del Intercambiador de

Calor de Carcasa y Tubo.

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Generalidades

Los intercambiadores de calor son equipos que se encargan de realizar

transferencia de calor de un fluido a otro sin llegar a mezclarse ni perder ninguna

parte del calor transferido.

El tipo más sencillo de intercambiador de calor es aquel donde se ponen en

contacto directamente una corriente de fluido caliente y otra fría. En tal sistema

ambos fluidos alcanzan la misma temperatura final, y la cantidad de calor transferida

puede calcularse igualando la energía perdida por el fluido más caliente con la

energía absorbida por el fluido más frío.

Existen diversos tipos de intercambiadores, el más común es el de doble

tubo concéntrico donde los fluidos están separados por una pared o una división a

través de la cual fluye el calor. Debido a que las corrientes de ambos líquidos fluyen

por el intercambio de una sola vez, el proceso de transferencia de calor se llama

intercambio de un solo paso. Si ambos fluidos se desplazan en la misma dirección,

el intercambiador es del tipo “flujo paralelo”. Si los fluidos fluyen en direcciones

opuestas el intercambiador es del tipo “contra flujo” o “contra corriente”. Cuando los

fluidos que recorren la superficie que transfiere el calor se mueve en ángulo recto

entre sí, el intercambiador de calor es de tipo “flujo cruzado transversal”.

Un intercambiador o permutador de calor es cualquier dispositivo que

posibilite la transferencia de calor de un líquido a otro por una pared de contención.

Por medio de la conducción se transfiere el calor por la superficie del metal,

mientras que la convección lo transfiere por el líquido que fluye.

En la industria petrolera la mayoría de los equipos para la transferencia del

calor es del tipo carcasa y tubo.

Un intercambiador de carcasa y tubo consiste en un numero de tubos

paralelos contenidos en un casco cilíndrico.

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Al fluido que pasa por los tubos se le llama fluido del tubo. El otro fluido que

pasa por fuera de los tubos se le denomina fluido del casco. Todas las clases de

intercambiadores de calor del tipo carcasa y tubo consisten de las mismas piezas

básicas. La única diferencia es que algunas piezas están arregladas en diferentes

formas para producir los resultados deseados.

Es posible lograr variaciones de este diseño con el uso de diferentes clases

de tubos, diferentes tipos de desviaciones y con la provisión de diferentes arreglos

de las particiones en las tapas, para obtener diversas trayectorias de los flujos.

Los Tubos rectos y lisos son los más comunes, pero para algunas

aplicaciones los otros tipos son más ventajosos. Los Tubos en “U” son usados para

permitir la expansión y contracción libre de los tubos y de la carcasa sin el uso de

una cabeza flotante. De este modo se previene la contaminación del producto por

una posible filtración de la empacadura en el extremo flotante.

Estos tubos no se pueden usar cuando él líquido en el tubo tiene suciedades

que forman incrustaciones, porque sería muy difícil limpiar la parte curva del tubo.

Los tubos con aletas, son usados para aumentar la superficie para el traspaso de

calor y mejorar la eficiencia del traspaso de calor.

Partes del intercambiador de calor de carcasa y tubo

El diseño y fabricación de casi todos los intercambiadores de calor está

sujeto a los requerimientos del código ASME para calderas y recipientes a presión,

sin embargo el código no cubre todos los detalles del diseño y lista solamente un

numero limitado de sugerencias no obligatorias para el diseño práctico.

El tamaño de los intercambiadores está usualmente limitado a un diámetro

de 8 pies, un largo de los tubos de 20 pies y un peso de 11 toneladas; para facilitar

su mantenimiento. Las unidades que excedan estos límites, usualmente están

divididas en dos o más conchas, se debe usar una chapa de desvío longitudinal.

Estos diseños deben estar limitados a chapas tubulares de desvío longitudinales

fijas, con chapas tubulares ranuradas para confinar la empacadura entre la chapa

7

tubular y la chapa de desvío. Las chapas de desvío no son aceptables cuando el

factor de ensuciamiento es alto.

Las filtraciones en el lado de la concha reducen la efectividad de los

intercambiadores considerablemente. Para evitar pérdidas de transferencia de calor,

se instalan sellos periféricos.

Carcasa:

La carcasa es simplemente el recipiente para el fluido externo. Es de sección

transversal circular, generalmente de acero de bajo carbono aunque pueden

construirse de otras aleaciones, especialmente, cuando se debe cumplir con

requerimientos de altas temperaturas o corrosión.

La carcasa posee unas boquillas que constituyen las vías de entrada y salida

del fluido. La boquilla de entrada por lo general tiene una placa de impacto para

impedir que el flujo pegue directamente y a altas velocidades en la hilera superior de

los tubos, ya que este impacto podría causar erosión, cavitación y/o vibración.

Desviadores transversales:

La disposición y características mecánicas de los desviadores son factores

importantes en el diseño de los intercambiadores. En general hay dos tipos de

desviadores: transversal y longitudinal. Se usan para aumentar la velocidad de los

fluidos en el casco y mejorar la transferencia de calor, aumentando la turbulencia del

fluido.

Aunque los desviadores aumentan el costo del enfriador y dificultan la

limpieza, son accesorios necesarios del intercambiador. Para ser efectivos deben

ser instalados de tal forma que el fluido sea desviado totalmente.

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Reduciendo al mínimo el espacio libre entre el desviador y el casco, se

produce el efecto deseado; pero se debe dejar bastante espacio libre para que se

pueda remover con facilidad el haz de tubo. Probablemente el más común de los

desviadores transversales es el tipo segmental.

Este tipo de desviador causa que el fluido en el caso fluya hacia arriba y

hacia abajo a través del haz de tubos. Es adecuado para líquidos con suciedades

que forman incrustaciones y para flujos cuantiosos.

Los desviadores longitudinales consisten en placas planas extendiéndose a

través del casco. Estos desviadores se pueden usar para obtener un flujo en

contracorriente entre los fluidos del casco y de los tubos, también se usan estos

desviadores en condensadores para distribuir el flujo de vapor a lo largo del haz de

tubos cuando el cachimbo de la entrada de vapor está localizado en el centro del

casco.

Se evita el uso de este tipo de desviador en secciones de una planta cuando

este desviador hace muy difícil la limpieza del casco.

Planchas de Choque:

Las planchas de choque son usadas con mucha frecuencia para evitar la

erosión causada por el choque del fluido contra los tubos. Estas planchas son

montadas encima de los tubos y al frente de la entrada del fluido del casco. Sirven

también para evitar vibración excesiva y para ayudar a distribuir el flujo.

Tubos y Haz de Tubos:

El haz de tubos es normalmente removible consta de las chapas

tubulares, los tubos incluyendo los desviadores transversales, las placas de soporte,

tirantes, espaciadores, sellos de desvío y planchas desviadores. Comúnmente, los

desviadores segmentados son usados para cambiar la dirección del flujo. Los

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desviadores segmentados dobles pueden que tengan que ser usados a un

esparcimiento máximo si la caída de presión a través de los segmentos es excesiva.

Los tirantes y distanciadores posicionan y soportan las chapas tubulares durante el

ensamble del haz de tubos.

La economía en el diseño de intercambiadores de calor requiere que el área

de transferencia de calor por volumen de intercambiador se maximice. Un número

de tubos y área de transferencia se consiguen reduciendo el arreglo de tubos,

usando un arreglo triangular y tubos de menor tamaño.

Sin embargo, consideraciones prácticas como limpieza de los tubos, tamaño

del pasaje de flujo (caída de presión), uso de tubos, etc., restringen la disposición de

los tubos a un standard universalmente adoptado de arreglo triangulares (30 ó 60

grados), cuadrados (90 grados), a cuadrado rotado (45 grados).

Cuadrado a 90° Rotada Cuadrado a 45°

Triangular 30° Rotada triangular 60°

Figura N°1. Diferentes arreglos para tubos de intercambiadores de calor.

10

Los intercambiadores se diseñan para velocidades altas y mayor caída de

presión a fin de reducir el ensuciamiento en el lado de la concha. Estas velocidades

son responsables de que muchos intercambiadores experimenten daños por

vibración de los tubos. Los daños por vibración pueden clasificarse en daños tipo

“deflector” y daño tipo “colisión”.

Generalmente los tubos oscilarán entre soportes de tubos o plantas de

partición que actúan como nodos.

En los daños por vibración del tipo “deflector” la oscilación llega a un punto en que

los tubos rozarán contra las planchas de soporte y finalmente fallarán por fatiga. Si

la vibración aumenta, la amplitud de la oscilación aumentará hasta un punto donde

los tubos chocarán entre sí o contra la carcasa. En estos casos los tubos se

desgastarán por abrasión y ocurrirá la ruptura.

Otro tipo de daño frecuentemente encontrado es la de los tubos rotos cerca

del cabezal de la carcasa y a la salida de las boquillas. Estos casos ocurren por

ignorancia o negligencia al no dejar suficiente área de entrada y salida. Ocurren

entonces altas velocidades que causan rotura de los tubos o dobleces cerca de las

boquillas.

Los daños potenciales por vibración en intercambiadores pueden ser

anticipados usando el método de máxima velocidad. Este método fue desarrollado

analizando las fuerzas que se alternan en los tubos y que resultan de la resonancia

entre la frecuencia del vórtice del flujo estable del fluido y la frecuencia natural

fundamental del tubo.

Tapa del cabezal flotante:

Los cabezales flotantes son dispositivos de refuerzo, normalmente se usan en

intercambiadores de cabezal flotante de más de un paso en el lado de los tubos. El

diseño del anillo de refuerzo permite que el haz quepa en una concha más pequeña

reduciendo costos y espacios, favoreciendo la transferencia de calor. Los cabezales

flotantes son construidos de chapas moldeadas con rodillo, discos forjados,

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torneados o fundidos. La construcción debe permitir el desmantelamiento o remover

los pernos con la cubierta de la carcasa. En diseños de un solo paso se pueden

usar cabezales flotantes con un anillo de empaque. Alternativamente el anillo de

empaque puede ser reemplazado por juntas de expansión. El código no permite que

al calcular los espesores del cabezal se tome en cuenta las chapas de partición que

están integralmente soldadas al cabezal.

Bridas:

La mayoría son del tipo cubo standard de cuello soldado, sin embargo

también se usan otros tipos incluyendo las bridas deslizantes.

Es importante verificar las conexiones bridadas por las fuerzas que ocurren

durante el asentamiento de las empacaduras y las que ocurren a condiciones de

diseño. Las fuerzas que deben tomarse en cuenta para determinar las cargas de

diseño son:

La fuerza requerida para sentar la empacadura y deformarla plásticamente

para que selle las irregularidades en las caras de las bridas.

La fuerza que debe ser ejercida en la empacadura para obtener un sello

efectivo bajo condiciones de diseño.

La fuerza que se requiere para oponerse a la presión interna bajo

condiciones de diseño.

Fuerza hidrostática en el interior de la brida. Para las bridas con cubos se

considera que esta fuerza actúa en el medio entre el diámetro inferior de la

brida y el punto de intersección del cubo y la parte trasera de la brida.

La fuerza ejercida en la empacadura, la cual es la fuerza de diseño del perno

de la brida menos la fuerza hidrostática total. Se considera que esta fuerza

actúa en el centro de la empacadura.

La fuerza que resulta de la diferencia entre la fuerza hidrostática total y la

fuerza hidrostática en el área interior de la brida.

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Conexiones:

Por norma las boquillas del intercambiador deberán instalarse radialmente. Sin

embargo las boquillas en las cámaras o en los intercambiadores de múltiples pasos

pueden tener una desviación respecto a la línea-centro del intercambiador. En caso

extremo tales boquillas podrían estar en posición tangencial. En lo posible este tipo

de boquillas no debería usarse. Las grandes aberturas en la concha requieren

normalmente de chapas de refuerzo y lo mismo las aberturas que están muy juntas.

La penetración en cámaras y cabezales más gruesos si es posible. Generalmente,

se especificará boquillas con resalte; sin embargo, también se pueden especificar,

las bridas de anillo, lengüeta o hendidura dependiendo del servicio del

Intercambiador.

Las conexiones para venteos y drenajes se colocarán en los puntos altos y

bajos de manera que no produzcan la ventilación o el drenaje a través de las

boquillas de entrada o salida.

Debe destacarse que la tapa de la concha de los intercambiadores de

cabezales flotantes requieren conexiones de venteo y drenajes porque el diámetro

interno es mayor que el de la concha.

Se requieren venteos y drenajes adicionales en la cámara si ésta es de más

de dos pasos de tubos. Los medidores de presión y las conexiones para termopozos

se colocarán en las boquillas de entrada y salida cuando se especifique.

Si los intercambiadores necesitan limpieza química, deberán considerarse

conexiones de limpieza en las boquillas de entrada y salida del intercambiador. Se

colocarán también boquillas para la prueba hidrostática del intercambiador. En la

fabricación de los intercambiadores deberá prestarse especial atención a las

uniones de las boquillas, particularmente a las grandes boquillas en la concha del

intercambiador.

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EMPACADURAS:

Las empacaduras deberán sellar a fin de contener los fluidos y evitar fugas. En

Servicios severos del mejorador todas las empacaduras serán de tipo continuo, se

usarán dependiendo del servicio que vayan a prestar y de las condiciones de

diseño.

SOPORTES:

Los soportes de los intercambiadores deben permitir la expansión térmica de la

concha evitando excesivas deflexiones y tensiones en la misma y los soportes,

manteniendo las reacciones de las tuberías al mínimo.

Para la expansión térmica, solamente se permite que quede fijo uno de los

soportes del intercambiador. El otro soporte deberá poder deslizar sobre una chapa.

Para minimizar las reacciones de las tuberías, el soporte extremo de la cámara se

selecciona fijo. Las excesivas deflexiones y tensiones en la junta del soporte con la

concha, se evitarán seleccionando un material de soporte conveniente y eligiendo la

localización apropiada. La localización de los soportes para intercambiadores de

calor horizontales será determinada en la misma forma que se determinan para

recipientes horizontales. Los intercambiadores verticales deberán soportarse

también en dos puntos como mínimo. Estos soportes deberán permitir la expansión

radial de la unidad.

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Operación de los Equipos Tubulares

Flujo en intercambiadores:

Realmente la determinación del lado en que un fluido pasa por el

intercambiador es un problema complejo e interesante. No existen reglas fijas para

determinar el lado del intercambiador por el cual se debe pasar un fluido. Cada caso

es diferente y las condiciones particulares asociadas con el caso determinan su

selección las consideraciones importantes con respecto a este problema son: la

caída de presión permisible, rata de transferencias de calor, diferencia de presión,

limpieza, tendencia a la corrosión, volumen del fluido y viscosidad.

Con tantos factores a considerar, es fácil imaginar que a veces hay

bastantes dudas sobre el factor más importante que se usará para determinar

porque lado del intercambiador se pasará el fluido. La decisión final es a veces tan

difícil que existe mucha duda sobre si es la correcta. La operación del

intercambiador dictará si es necesario el cambio de la ruta del fluido de un lado a

otro.

Los siguientes breves comentarios servirán como una guía en la

determinación del lado del flujo de un fluido en un intercambiador de calor:

Fluidos a altas presiones altas se deben pasar por dentro de los tubos,

porque los tubos con diámetro menor involucran relativamente altas

presiones para sostener la misma presión en un tubo con diámetro pequeño,

este necesita una pared de menos espesor que un tubo con diámetro

grande. Si la presión del fluido en el casco excede 125 a 150 Lbs/pulg2 se

requiere un casco especial, resultando mucho más caro.

Fluidos sucios deben fluir por los tubos, si el depósito formado por las

suciedades haría necesaria la limpieza de los tubos (con tal que el

intercambiador tenga tubos que sean fáciles de limpiar). Es más fácil limpiar

15

un tubo que un casco si el depósito de suciedad es adherente y duro.

Cuando el fluido contiene grandes cantidades de carbón o sedimentos

pesados, es mejor pasarlos a través del casco para que halla espacio

adecuado para la acumulación de escombros. La construcción de este

intercambiador debe permitir el acceso fácil al lado del casco para limpiarlo.

En el caso de que el intercambiador tenga tubos que no sean fáciles de

limpiar, como un haz de tubo tipo “U” es, necesario pasar el fluido sucio por

el lado del casco.

Fluidos Corrosivos se deben pasar por los tubos, porque normalmente los

tubos son más fáciles de limpiar. Es más barato reemplazar un tubo

resistente a la corrosión que un casco con resistencia a la misma.

Debido a que el agua es un fluido que forma incrustaciones, se pasa por los

tubos.

Fluidos con volúmenes grandes, como vapores se pasan por el casco para

que la velocidad y pérdida de presión no sean excesivas. En algunas

ocasiones fluidos con volúmenes pequeños, como líquidos son pasados por

el casco cuando el uso de desviadores en el intercambiador se puede

producir una alta rata de transferencia de calor sin producir pérdida de

presión excesiva.

Si se requiere una pérdida de presión pequeña a través del intercambiador,

se debe pasar éste fluido por el lado del casco. El casco tiene una superficie

transversal libre más grande para el paso de fluido. En los intercambiadores

de tubos con aletas, los fluidos con coeficiente de transferencia de calor

bajos se pasan por el casco, en donde la mayor superficie de las aletas

mejora la transferencia de calor.

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Fluidos Corrosivos, con suciedades a alta presión en equipos con tubos de

aletas, se pasan por los tubos para tomar ventajas de la resistencia de los

tubos a presiones alta. Es más fácil limpiar el interior del tubo porque el

interior tiene las aletas. Los tubos son menos costosos para reemplazar.

Para una mejor recuperación de calor, se debe pasar el fluido más caliente

por los tubos para disminuir la pérdida de calor al ambiente. Esto no se

aplica para los equipos con aislamiento adecuado.

Vapores conteniendo gases incondensables se deben pasar por los tubos

para evitar la acumulación de los gases en áreas estancadas del equipo,

resultando en bajas ratas de transferencia de calor.

RENDIMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

En el diseño del equipo para el traspaso de calor, tiene que haber modos

para evaluar el rendimiento de cada equipo. En el trabajo de traspaso de calor,

el factor para evaluación del rendimiento se llama “coeficiente total de traspaso

de calor”. Este indica la cantidad de calor que un intercambiador transfiere

durante un periodo de tiempo a través de la superficie para el traspaso de calor

y con cierta diferencia de temperatura entre el fluido frío. Este factor se designa

como “U” y la unidad de medidas es la caloría por hora por centímetro cuadrado

de superficie, por la diferencia de temperatura en grado centígrado (cal/hor/cm2

/°c).

En la siguiente tabla se indican ejemplo de algunos valores de “U” en el trabajo

de refinería.

17

Tabla N°- 1

Coeficiente típicos de traspaso de calor “U” en K.cal/m2.H.°C

Servicio

Lado del Tubo Lado del Casco Valor

“U”Fluido Velocidad Fluido Velocidad

Enfriador de gas oil Agua 1 m/sec Gasoil 1 m/sec 350

Enfriador de Aceite Agua 1 m/sec Gasoil 1 m/sec 150

Condensador de Gasolina Agua 1 m/sec Gasoil 1 m/sec 450

Vapor de Gasolina a Crudo Crudo 1 m/sec Gasoil 1 m/sec 150

Asfalto a Crudo Crudo 1 m/sec Asfalto 1 m/sec 65

Enfriador de Fuel Agua 1 m/sec Fuel 1 m/sec 150

Enfriador de Gasolina Agua 1 m/sec Gasolina 1 m/sec 550

La diferencia de temperatura es un factor muy influyente en la transferencia

de calor. En el diseño del equipo para el traspaso de calor, a esta diferencia se

le llama diferencia media de temperatura y es calculada a partir de las

temperaturas de entrada y salida de los fluidos que intervienen en el

intercambiador. Para hacer mayor uso de la diferencia de temperatura entre las

dos corrientes en un intercambiador, se diseñan los intercambiadores de un

modo que las corrientes fluyan en direcciones opuestas, es decir, a

contracorriente. Por ejemplo, en un enfriador de aceite, el agua fría entra al

intercambiador por el mismo lado donde sale el aceite frío y el agua caliente sale

del intercambiador por el mismo lado donde entra el aceite caliente. La figura N°

2 enseña un gráfico simplificado del enfriador mencionado.

18

Aceite 150C

AguaAgua 50C 30C

Aceite 80C150C

Temperatura AceiteDe Entrada.

80C Temperatura 50C Agua De Salida.TemperaturaDe Salida 30C Temperatura

De Entrada.

Figura N°-2

Los intercambiadores de calor están diseñados para una carga calórica

determinada bajo condiciones de diseño especifico durante la operación del

intercambiador. El mal funcionamiento de un intercambiador resulta con temperatura

muy bajas o muy altas o en excesivas caídas de presión. Estas insuficiencias se

deben a varias causas:

a) El estancamiento de gas o aire por falta de purga.

b) La conexión incorrecta de la línea de entrada y salida con respecto a la

dirección del flujo.

c) Operación del intercambiador a presiones, temperaturas y flujos que no

están de acuerdo con las condiciones del diseño térmico.

d) Ensuciamiento excesivo de los tubos o el casco del intercambiador.

e) Espacios libres excesivos entre los desviadores y el casco, debido a la

corrosión.

19

f) Filtraciones en los tubos o en las empacaduras internas.

g) Desagües defectuosos del intercambiador.

Cuando un intercambiador no realiza un buen trabajo, lo primero que debe

observar el operador es la forma en que está conectada la tubería del

intercambiador para poder eliminar los puntos a, b, y g como causas.

Si la operación de la unidad indica que el punto C no es la causa, entonces

es la condición física del intercambiador que origina el funcionamiento defectuoso.

Una inspección del estado del intercambiador debe determinar si el punto F es la

causa. Si el punto G no es responsable del defecto, las causas serán ensuciamiento

o filtraciones. Son muy raras las veces en que las filtraciones causan la operación

ineficiente de un intercambiador. En muchos casos, el principal factor es el

ensuciamiento excesivo de la superficie para la transferencia de calor.

El ensuciamiento de un intercambiador de calor puede ser causado por

incrustaciones, depósitos de catalizadores finos, o el alojamiento de partículas en el

intercambiador.

El residuo del agua puede ensuciar los tubos de enfriadores y

condensadores. Las suciedades depositadas por corrientes de aceite, usualmente

no se pueden remover fácilmente sino con el uso de la limpieza mecánica. Cuando

esta es necesaria, se tiene que remover el haz de tubo. El residuo consiste en

basura (raíces, madera, peces, etc), lodo, sedimentos e incrustaciones (carbonato

de calcio) . Si la sustancia ensuciante consiste en basura, el uso de conexiones

para invertir el flujo puede mejorar la eficiencia de la operación.

El golpe de agua producido por la contramarcha momentánea del flujo, quita

la basura de las puntas de los tubos y remueve parte del lodo y sedimentos de las

paredes de los tubos. Este arreglo hace posible recuperar una parte del rendimiento

perdido sin parar la unidad.

20

Tipos de Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubo

De acuerdo a la función que desempeña se pueden mencionar los siguientes:

Rehervidor:

Tal como su nombre lo indica, un rehervidor es un intercambiador de calor

diseñado para recalentar o revaporizar un material. Se utiliza cerca del fondo de un

separador o de un tanque.

Existen diversos tipos de rehervidores entre los más comunes se encuentran los

siguientes:

Rehervidor de serpentín interior:

Es uno de los más económicos pero tiene el inconveniente de la limitación de

superficie. Pueden existir puntos calientes, y si las espiras del serpentín están muy

21

Entrada de

Liquido por los Tubos

Salidas de Vapor

Salida del líquido de los tubos

Entrada de líquido por la Carcasa

Salidas de Líquido

juntas, cualquier sólido presente puede obturar gradualmente los espacios entre las

espiras.

Rehervidor externo:

Es cuando el líquido circula desde el fondo de la columna hasta el fondo del

intercambiador de calor y los vapores suben entrando en la columna. Este tipo se

denomina generalmente de Caldereta. Si el intercambiador de calor externo está

conectado de tal modo que los vapores y el líquido calentado actúan para

proporcionar la recirculación, y ambos vuelven a la columna, el revaporizador se

denomina de Termosifón.

Enfriadores:

Su función consiste en la extracción de calor del fluido caliente o sustancia de

trabajo.

Este tipo de enfriador se utiliza para proceso de refrigeración de la sustancia de

trabajo; su construcción y apariencia física son similares a un rehervidor, pero esta

construido de un material resistente a bajas temperaturas. Principalmente se utilizan

en proceso de extracción de gas licuado de propano (LPG), manteniendo

refrigerados los productos a temperaturas requerida por la sustancia.

Enfriadores de tiro forzado o inducido (Fin-Fans)

Son equipos muy prácticos y económicos cuando se desea enfriar fluidos de

procesos ubicados en áreas donde el agua escasea y cuando la diferencia de

22

temperatura requerida no sea muy elevada (50-60°F). El diseño usual de un

enfriador por aire se basa en hacer pasar aire impulsado por un ventilador (Fan)

sobre un haz de tubos provistos de aletas (Fin) que transportan un fluido caliente; la

función de las aletas es facilitar la disipación de calor por un proceso combinado de

conducción y convección.

Condensadores

La función de este intercambiador es extraer calor a los vapores de las

sustancias de trabajo hasta lograr el cambio a la fase líquida.

El condensador puede montarse vertical u horizontalmente, pero el agua debe

circular por los tubos y los gases por la carcasa. La razón primordial de ello, es que

resulta mucho más fácil limpiar la incrustación interna en los tubos que la externa.

Es importante que el agua entre por el fondo para que los tubos estén en todo

23

Enfriamiento Forzado Enfriamiento Inducido

Tubos

Tubos

instante llenos de agua. Si se permite que el agua vaporice, los sólidos disueltos en

él quedarán en el intercambiador en forma de deposito.

Intercambiadores de Doble Tubo

Un tipo de intercambiador muy barato se obtiene montando un tubo en el interior

de otro. El material que debe ser calentado o enfriado se halla en el tubo interior y el

otro en el espacio anular entre los dos tubos. El intercambiador de doble tubo posee

un costo muy bajo pero su pérdida de carga es más bien elevada.

Sobrecalentadores

Tienen como función agregarle mayor cantidad de energía calórica al fluido de

trabajo, con el fin de garantizar que no exista ningún vestigio de humedad en él. En

24

AguaRefrigerante

Salida deAgua

Vapor

Salida deCondensado

los procesos de centrales de vapor, este intercambiador de calor se encuentra

situado a la salida de los gases de combustión que salen de la caldera.

Los sobrecalentadores se pueden clasificar en:

Separadores.

Convección

Integrales:

Radiación

Calentadores.

Este tipo de intercambiador de calor se caracteriza por agregarle la suficiente

energía calórica al fluido de trabajo, pero sin cambiar de fase. Se utilizan como

fuente de calor para fluidos que no son del proceso, tales como vapor o aceite

caliente.

Tipos de calentadores.

Dependiendo de sus funciones, estos pueden ser de tres tipos:

Los Economizadores de Aire: agregan calor al agua de alimentación de

la caldera precalentandola a una temperatura; de tal forma que proteja a la

caldera de los cambios bruscos de temperatura interna, precipitación de

algunas impurezas tales como: agua, oxigeno y otros gases disueltos

Los Precalentadores de Aire: agregan calor al aire en cualquier zona del

proceso donde es necesario. En el caso de generadores de vapor,

recalientan el aire necesario para la combustión de la llama en el hogar de la

caldera, aumentando el rendimiento de la reacción y gastando poco

combustible.

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Evaporadores: este tipo de intercambiador de calor se caracteriza por

cambiar de fase al liquido que entra en él.

En planta de vapor, se utilizan para evaporar el agua bruta procedentes de ríos,

lagos y otros. El agua tras la evaporación es conducida a un condensador o a un

segundo evaporador en serie.

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